Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Drucksensorkatheters auf Basis von Faser-Bragg-Gittern. Dazu werden der medizinische Hintergrund aus technischer Sicht strukturiert dargelegt und bereits verfügbare Messmethoden für Manometrieuntersuchungen erörtert. Der Stand der Technik bei Faser-Bragg-Gitter basierten Sensoren und deren Auswertegeräten wird im Zusammenhang mit den aus dem medizinischen Hintergrund und dem Vergleich mit den anderen Messmethoden erwachsenden Anforderungen dargestellt. Die Entwicklung eines zweistufigen für die Herstellung mittels Koextrusion geeigneten Mantels für die optischen Fasern wird beschrieben. Mehrere Funktionsmuster für einen Drucksensorkatheter werden experimentell charakterisiert und die Ergebnisse hinsichtlich der Medizineignung bewertet.

Die histologische Diagnostik stellt in der Hämatologie und Onkologie die Voraussetzung einer differenzierten Therapie dar. Minimal-invasive Eingriffe mittels sonographisch-gesteuerter Punktion zur Gewinnung von zytologischen oder histologischen Material bedeutet sowohl einen zeitlichen Gewinn, als auch eine Herabsetzung des Risikos eines operativen Eingriffs. Mit dem gewonnenen Gewebe werden auch immunhistologische Untersuchungen möglich, die z.B. bei Non-Hodgkin Lymphomen notwendig sind. Zur intensiven Polychemotherapie bei malignen Erkrankungen werden oft zentral-venöse Katheter bzw. Port-Anlagen in große Venen eingeführt. Die Komplikationen und deren Management werden aufgezeigt und diskutiert. Eine sonographisch-gesteuerte Venenpunktionstechnik stellt eine Methode dar, die für die Patienten einen risikoarmen und schnelleren Weg bedeuten und als neu-entwickelte Ein-Personen-Technik auch für den Arzt ein innovatives Vorgehen bei einem potentiell komplikationsträchtigen Eingriff mit größerer Sicherheit durchzuführen. / In hematology and oncology histological diagnosis is an important requirement before differential chemotherapy. Sonographically guided puncture techniques achieving cytological and histological material is a time-saving process with moderate risks for the patients. With this material even immunhistological procedures in malignancies like Non-Hodgkin lymphoma are possible. For intensified chemotherapies in malignant diseases central venous catheter such as port catheters are requiriered. In this thesis complications and their management are shown and discussed. The ultrasounically guided central venous puncture represents a method for fast and low risk procedure for our patients. The one-operator technique represents an innovative and save intervention in a potentially risky procedure for physicians.

Systemische Infektionen mit S. aureus (MSSA und MRSA) und Infektionen des Gefäßzugangs bei HD-Patienten sind eine der wichtigsten Ursachen für Morbidität und Mortalität in dieser speziellen Population. Infektionsrisikos stellen die zunehmende Verwendung von Fremdkörpern, wie Katheter und Graft als Gefäßzugänge, sowie die intensivmedizinische Behandlung bei älteren und multimorbiden Patienten dar. Unter den bakteriell bedingten Infektionen bleiben Staphylokokken der am häufigsten nachgewiesene Stamm. Mit dem zunehmenden Gebrauch von Vancomycin zur Behandlung von MSSA-Infektionen hat das Vorkommen von MRSA zugenommen. Dies macht die Entwicklung von alternativen Antibiotikaregimen nötig, die eine Selektion von MRSA-Spezies verhindern. Unter dieser Überlegung wurde auf die Behandlung mit Vancomycin bei Zugangs-bezogenen Infektionen verzichtet. Es wurde im Jahr 2000 durch ein Standardregime bestehend aus Flucloxacillin und Rifampicin ersetzt. Mithilfe eines Screeningprogramms wurde nach MSSA- (n=88) und MRSA- (n=1) Kolonisationen gesucht. Dies gelang mit Hilfe von Querschnitts-Screenings und Indikations-Screeninguntersuchungen bei Aufnahme über den Zeitraum von 2000 bis 2010. Eine Besiedlung mit MRSA wurde bei nur einem Patienten während des 10-Jahres-Screenings registriert. Die gefundenen MSSA-Kolonisationen bei HD-Patienten beeinflussten die Morbidität und Mortalität nicht. Die Anzahl an HD-Patienten mit MSSA-Kolonisation nahm während des Beobachtungszeitraums von zehn Jahren ab Behandlungen mit dem Vancomycin-freien Regime waren generell erfolgreich und resultierten in einem Rückgang der klinischen und laborativen Infektionsmarker und/oder negativen Blutkulturen. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem Gebrauch von vancomycinfreien Antibiotikaregimen ein erfolgreiches Management von Staphylokokkus-assoziierten Zugangsinfektionen bei HD-Patienten möglich ist.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Drucksensorkatheters auf Basis von Faser-Bragg-Gittern. Dazu werden der medizinische Hintergrund aus technischer Sicht strukturiert dargelegt und bereits verfügbare Messmethoden für Manometrieuntersuchungen erörtert. Der Stand der Technik bei Faser-Bragg-Gitter basierten Sensoren und deren Auswertegeräten wird im Zusammenhang mit den aus dem medizinischen Hintergrund und dem Vergleich mit den anderen Messmethoden erwachsenden Anforderungen dargestellt. Die Entwicklung eines zweistufigen für die Herstellung mittels Koextrusion geeigneten Mantels für die optischen Fasern wird beschrieben. Mehrere Funktionsmuster für einen Drucksensorkatheter werden experimentell charakterisiert und die Ergebnisse hinsichtlich der Medizineignung bewertet.:Formelzeichen- und Abkürzungsverzeichnis 8 Vorwort 11 1 Einleitung 12 1.1 Motivation 12 1.2 Funktionsprinzip 14 1.3 Ziel und Struktur der Arbeit 15 2 Medizinischer Hintergrund 17 2.1 Anatomie des Nahrungstransports zum Magen 17 2.1.1 Anatomie des Pharynx 17 2.1.2 Anatomie des Ösophagus 18 2.1.3 Anatomie des Magens 19 2.2 Physiologie des Schluckens 19 2.2.1 Physiologie des Pharynx 21 2.2.2 Physiologie des oberen Ösophagus-Sphinkters (OÖS) 21 2.2.3 Physiologie des tubulären Ösophagus 22 2.2.4 Physiologie des unteren Ösophagus-Sphinkters (UÖS) 22 2.3 Anatomie des Rektums 23 2.4 Physiologie des Rektums 24 2.5 Manometrie als Diagnosewerkzeug in Hohlorganen 24 2.5.1 Manometrie des Ösophagus 24 2.5.2 Manometrie des Rektums 26 2.5.3 Sphinkter Oddi-Manometrie (SOM) 27 2.6 Manometriemethoden 29 2.6.1 Perfusionsmanometrie 30 2.6.2 Transducer Manometrie 31 2.6.3 Durchzugsmanometrie 32 2.6.4 Manometrie mit Luftkathetern 32 2.6.5 Manometrie mit Faser-Bragg-Gittern 33 2.7 Limitierungen der Manometrie 33 2.8 High-Resolution Manometry (HRM) 34 2.9 Hygiene 36 2.10 Bewertungen und Schlussfolgerungen 37 3 Stand von Wissenschaft und Technik 40 3.1 Optische Fasern 40 3.2 Faser-Bragg-Gitter (FBG) 41 3.2.1 Einschreibeverfahren 41 3.2.2 Eigenschaften von FBGs 43 3.2.3 Typen von FBGs 44 3.3 Faser-Bragg-Gitter Sensoren 46 3.3.1 Dehnungsempfindlichkeit 46 3.3.2 Temperaturempfindlichkeit 47 3.3.3 Druckempfindlichkeit 47 3.4 Sensorische Wirkung von Bragg-Gittern in Polymerfasern 48 3.5 Auswerteverfahren 49 3.5.1 Interrogatoren mit breitbandigen Lichtquellen 50 3.5.2 Interrogatoren mit abstimmbaren Laserlichtquellen 52 3.5.3 Bewertung der Anwendbarkeit für Drucksensorkatheter 53 3.5.4 Unterscheidung von Temperatur und Dehnung 55 3.6 Faser-Bragg-Gitter basierte Drucksensoren 57 4 Entwicklung eines Drucksensorkatheters auf Basis von Faser-Bragg-Gittern 59 4.1 Zusammenfassung der Anforderungen 59 4.2 Vorbetrachtungen 59 4.2.1 Was bedeutet Druck bei einem Katheter? 59 4.2.2 Verwendete Faser-Bragg-Gitter 60 4.2.3 Mechanische Eigenschaften der optischen Fasern 62 4.2.4 Auswahl und Materialparameter des Mantelmaterials 63 4.2.5 Bestmögliche Druckempfindlichkeit – fluidgefüllte Zelle 66 4.2.6 Druckempfindlichkeit einer Faser im dicken Kunststoffmantel 67 4.3 Entwurf 69 4.3.1 Mögliche im Extrusionsverfahren herstellbare Katheterquerschnitte 69 4.3.2 Simulation der Druckempfindlichkeit 70 4.3.3 Dehnungsempfindlichkeit 73 4.3.4 Biegesteifigkeit 74 4.3.5 Festlegung der geometrischen Parameter für Kathetermuster 76 4.4 Herstellung von Mustern 76 4.5 Simulierte Eigenschaften der hergestellten Muster 78 4.5.1 Druckempfindlichkeit 78 4.5.2 Dehnungsempfindlichkeit 80 4.6 Auswerteverfahren 82 4.6.1 Interrogator „Blue Fiber Box“ 82 4.6.2 Betrachtungen zum Aliasing 82 5 Charakterisierung der Kathetermuster 84 5.1 Querschnittsgeometrie 84 5.1.1 Durchmesser 84 5.1.2 Exzentrizität 85 5.2 Konstruktion eines Prüfstands für die Charakterisierung der Druckempfindlichkeit 86 5.2.1 Mechanischer Aufbau 86 5.2.2 Druckbeeinflussung der Katheter 87 5.3 Druckempfindlichkeit der Kathetermuster 90 5.4 Zugfestigkeit 95 5.5 Dehnungsempfindlichkeit 99 5.6 Biegesteifigkeit 100 5.7 Temperaturempfindlichkeit 101 6 Ergebnisbewertung 103 6.1 Vergleich der gemessenen und berechneten Parameter 103 6.2 Änderungsvorschlag 104 6.3 Ergebnisse im Kontext medizinischer Anforderungen 105 7 Zusammenfassung und Ausblick 107 A Optische Faser in einem dicken Kunststoffmantel unter hydrostatischem Druck 109 B Modellierung in ANSYS 110 C Simulierte Druckempfindlichkeit der Kathetermuster 112 D Messverfahren für die Exzentrizität 113 E Messunsicherheit bei der Messung einer Referenzdruckkennlinie 116 Literaturverzeichnis 117 Tabellenverzeichnis 127 Abbildungsverzeichnis 128 Thesen 132

Pre-clinical evaluation of novel antimicrobial coatings for blood-contacting devices commonly relies on the performance of animal studies since alternative in vitro models do not adequately represent the interactions between blood, bacteria, and material surfaces as they occur in vivo. To reduce the need of these cost-intensive and controversial animal tests, this project was dedicated to the development of a new model setup that overcomes this limitation and allows in vitro evaluation under in vivo-like conditions. This newly developed model was intended to be directly applied to evaluate recently in-house developed antimicrobial coatings, so-called anchor polymers. Therefore, the project was divided into two parts. The first part of the project focused on the evaluation of the anchor polymer coatings concerning their applicability in blood-contacting devices. For this purpose, the PEGylated styrene-maleic acid copolymers were intensively studied using established laboratory tests. These examinations showed very promising results regarding adsorption and stability on relevant polymer substrates, antimicrobial efficacy, and biological safety of the coatings, thus revealing their great potential for future applications in medical devices. Moreover, this basic characterization was meant to allow a subsequent comparison of the new in vitro model with state-of-the-art in vitro tests. The second part of the thesis focused on the development of the realistic in vitro model. Here, a single-pass flow system realized the implementation of adjustable flow conditions. Furthermore, incubation with freshly drawn human blood provided a physiological nutrient environment and included the influence of an immune response. Staphylococcus aureus were chosen as representative microorganisms, as they are responsible for a majority of device-related blood stream infections. The resulting blood flow model was validated with one anti-adhesive and one contact-killing anchor polymer coating, confirming the model’s ability to differentiate the investigated surfaces. Inflammatory and coagulant blood activation correlated slightly with bacterial coverage, which in turn was strongly dependent on the investigated material surface. Incubation with varying flow conditions demonstrated the model’s capability to reflect the well-documented dependence of bacterial colonization and occurring flow conditions. In contrast to the state-of-the-art in vitro tests, the simultaneous incubation of test surface, bacteria and whole blood allowed the analysis of mutual interactions of the three parameters. Thus, the model represents an excellent method for pre-clinical evaluation of novel antimicrobial coatings for blood-contacting devices.

Background Dislocation of catheters within the tissue is a challenge in continuous regional anesthesia. A novel self-coiling catheter design is available and has demonstrated a lower dislocation rate in a cadaver model. The dislocation rate and effect on postoperative pain of these catheters in vivo has yet to be determined and were the subjects of this investigation. Methods After ethics committee approval 140 patients undergoing elective distal lower limb surgery were enrolled in this prospective randomized controlled trial. Preoperatively, patients were randomly assigned and received either the conventional (n = 70) or self-coiling catheter (n = 70) for ultrasound-guided popliteal sciatic nerve block in short axis view and by the in-plane approach from lateral to medial. The primary outcome was pain intensity after surgery and on the following three postoperative days. Secondary outcomes investigated were dislocation rate in situ determined by sonography, catheter movement visible from outside, opioid consumption as well as leakage at the puncture site. Results All catheters were successfully inserted. The study population of self-coiling catheters had significantly lower mean numeric rating scale values than the reference cohort on the first (p = 0.01) and second postoperative days (p < 0.01). Sonographic evaluation demonstrated, 42 standard catheters (60%) and 10 self-coiling catheters (14.3%) were dislocated in situ within the first three postoperative days. The externally visible movement of the catheters at insertion site did not differ significantly between groups through the third postoperative day. The opioid consumption was significantly lower in the self-coiling catheter group on the day of surgery and on the second and third postoperative days (p = 0.04, p = 0.03 and p = 0.04, respectively). Conclusion The self-coiling catheter offers a better postoperative pain control and a lower dislocation rate within the tissue when blocking the popliteal sciatic nerve compared to a conventional catheter. Further trials in large patient cohorts are warranted to investigate the potential beneficial effects of self-coiling catheters for other localisations and other application techniques.