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Entwicklung und klinische Validierung einer streilichtphotometrischen Messmethode zur direkten Konzentrationsbestimmung des Antikoagulans Heparin (2012)

Jürgen Maurer

Heparin wird als gerinnungshemmendes Medikament in vielen Bereichen eingesetzt: in niedriger Dosierung wird es vor allem zur Thromboseprophylaxe verwendet, in höheren Konzentrationen kommt es zum Beispiel in der Hämodialyse oder bei herzchirurgischen Eingriffen unter Verwendung der Herz-Lungen-Maschine zum Einsatz, um ein Gerinnen des Patientenblutes zu verhindern. Obwohl Heparin schon seit vielen Jahrzehnten eingesetzt wird, fehlt bis heute eine Methode, mit der sich die Heparin-Konzentration einfach, schnell und kostengünstig während des OP-Verlaufs bestimmen lässt. Vielmehr wird der Zustand des Patientenblutes über Gerinnungsverfahren eingeschätzt, die nur indirekt abhängig von Heparin sind und die von vielen Parametern beeinflusst werden. Eine Überwachung des Heparinspiegels ist mit diesen Methoden nicht möglich. Ein weiteres Problem ergibt sich, wenn am Ende des Eingriffs die normale Blutgerinnung wiederhergestellt werden soll. Zu diesem Zweck wird Protamin verabreicht, welches das im Patientenblut zirkulierende Heparin binden und damit dessen gerinnungshemmende Wirkung neutralisieren soll. Die Verabreichung des Protamins geschieht jedoch nicht, wie es idealerweise wäre, entsprechend der aktuellen Heparin-Konzentration, da derzeit kein Heparin-Messverfahren existiert. Dies kann eine fehlerhafte Heparin-Neutralisierung zur Folge haben, welche mit weitreichenden Nebenwirkungen, vor allem einer erhöhten Blutungsgefahr, verbunden ist. Aufgrund dieser Problematik wurde eine streulichtphotometrische Methode (LiSA-H) entwickelt, mit dem die Bestimmung der Heparin-Konzentration einer Patientenprobe während chirurgischen Eingriffen möglich ist. Diese basiert auf der Messung der Intensität des an Heparin-Protamin-Nanopartikeln gestreuten Lichts. Diese Nanopartikel bilden sich, sobald Protamin einer Lösung mit Heparin, z.B. heparinisiertes Blutplasma, zugegeben wird. Mit Hilfe von analytischer Ultrazentrifugation sowie Rasterkraftmikroskop-Aufnahmen konnten die Größe und die Größenverteilung der Heparin-Protamin-Partikel charakterisiert werden. Beide Methoden zeigten gut übereinstimmende Ergebnisse und lieferten Partikeldurchmesser von etwa 70 – 200 nm. Um den Prozess der Messung zu optimieren, wurde nach Filtrationsmethoden gesucht, um den zeit- und arbeitsaufwendigen Zentrifugationsschritt zu vermeiden. Dazu wurden Filtermembranen aus verschiedenen Materialien und mit unterschiedlichen Porengrößen getestet, die eine Plasmagewinnung durch Filtration von Vollblut ermöglichen sollten. Leider war dies mit den getesteten Filtersystemen nicht möglich. Dies bleibt jedoch ein aktuelles Thema und wird weiterhin untersucht werden. Zusätzlich zu der streulichtbasierten Messmethode konnte gezeigt werden, dass über fluoreszenzspektroskopische Methoden die Bestimmung kleiner Heparin-Konzentrationen möglich ist. Dafür wurde Protaminsulfat mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert und die Erniedrigung der Emissionsintensität des fluoreszierenden Protamins nach Zugabe von Heparin beobachtet. Aus dem Grad dieser Intensitätsabnahme lässt sich auf die Heparin-Konzentration schließen. Diese Methode wäre hervorragend dafür geeignet, das streulichtbasierte Verfahren zu ergänzen, das im niedrigen Konzentrationsbereich zunehmend unempfindlich wird. Hierfür müssen jedoch noch einige Messungen durchgeführt werden, um zu zeigen, ob eine Messung auch von Plasma- oder sogar Vollblutproben möglich ist. Es wurde ein klinischer Prototyp entwickelt, der die Bestimmung der Heparin-Konzentration in einer Blutplasmaprobe während chirurgischer Eingriffe ermöglicht. Dabei wird eine LED mit einem Emissionsmaximum bei 627 nm verwendet und die Streulichtintensität zur Bestimmung der Anzahl und der Größe der Heparin-Protamin-Partikel genutzt. Die Steuerung der Messung sowie die Auswertung der Messdaten werden mit einem Netbook und eigens dafür neu entwickelter Software realisiert. Mit diesem Prototyp lässt sich reproduzierbar aus der Änderung der Streulichtintensität einer Blutplasmaprobe nach Protaminzugabe innerhalb weniger Minuten deren Heparin-Konzentration bestimmen. Es wurde eine Kalibrierfunktion erstellt, mit der es möglich ist, aus der Streulichtintensität die Heparin-Konzentration zu berechnen. Eine erste Studie im Universitätsklinikum der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt a.M., bei der bei 50 herzchirurgischen Eingriffen unter Verwendung der Herz-Lungen-Maschine parallel zur üblichen Gerinnungsmessung eine Heparin-Bestimmung mit dem neuen Heparin-Assay erfolgte, zeigte, dass es mit diesem Verfahren möglich ist, im OP-Verlauf die Heparin-Konzentration im Patientenblut zu ermitteln. Daraus konnten schließlich weitere Informationen wie die individuelle Geschwindigkeit des Heparin-Abbaus erhalten werden. Eine zweite Studie in der Kinderkardiologie des Universitätsklinikums Gießen, deren Ergebnisse statistisch noch nicht vollständig ausgewertet sind, wurde ebenfalls mit Erfolg abgeschlossen. Die vorläufigen Ergebnisse zeigten hier, dass sich die Heparin-Abbaukinetik bei Erwachsenen und Kindern deutlich unterscheidet. Zudem zeigte sich, dass die gemessene Gerinnungszeit bei Kindern wesentlich schlechter (nur 30 % der Fälle) mit der gemessenen Heparin-Konzentration korreliert als bei Erwachsenen (etwa 70 % der Fälle).

Untersuchung des Seebeck-Koeffizienten an Nanodrähten und granularen Metallen / von Matthias Christoph Schmitt (2012)

Matthias Schmitt

Die Arbeit entstand im Rahmen des Förderprogramms ”Profil NT” und war Bestandteil des BMBF–Projektes ”NANOTHERM” (FKZ17PNT005). Dabei sollte die Möglichkeit der Integration und Verwendung von Nanodrähten als funktionsbestimmende Komponente im thermoelektrischen Sensorelement untersucht werden. Eine wichtige Aufgabe bestand darin die thermoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Nanodrähte, insbesondere den Seebeck–Koeffizienten, zu untersuchen. Im Hinblick auf die weitere Entwicklung der Nanotechnologie ist es sehr wichtig, geeignete Messplattformen zu generieren und der Wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung zu stellen für die Charakterisierung von Nanostrukturen. Für die Forschung bedeutet dies, dass man immer präziser die ”Physik im kleinen” studieren kann. Im Bezug auf die Anwendungen stellen die ausgeführten Untersuchungen eine wesentliche Basis für die Bauelemente–Optimierung und ihren späteren industriellen Einsatz dar. In dieser Arbeit werden zwei Chipdesigns vorgestellt für die Bestimmung des Seebeck–Koeffizienten, die eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz in Nanostrukturen erzeugen. Für beide Chips wird die mikromechanische Fertigung im einzelnen erläutert. Zusätzlich wurden die Chips in FEM–Simulationen analysiert. Eine messtechnische Charakterisierung der Chips bestätigt die Simulationen und die Funktionsweise der Chips für Untersuchungen des Seebeck–Koeffizienten an Nanostrukturen. Erstmals wurden Wolfram bzw. Platin FEBID–Deponate hinsichtlich des Seebeck–Koeffizienten untersucht. Für die Wolfram–Deponate ergab sich ein negativer Seebeck–Koeffizient. Der gemessenen Seebeck–Koeffizient war über mehrere Tage stabil. Als Ergebnis temperaturabhängiger Messungen des Seebeck–Koeffizienten konnte eine Wurzel-T Abhängigkeit beobachtet werden, die in der Theorie beschrieben wird. Eine Untersuchung des Seebeck–Koeffizienten an Pt–FEBID–Deponaten zeigt einen Vorzeichenwechsel für Proben mit geringer elektrischer Leitfähigkeit (isolierender Charakter, schwache Kopplung). In der Literatur wird dieser Vorzeichenwechsel allerdings für Proben mit metallischer elektrischer Leitfähigkeit beschrieben. Aufgrund der Messergebnisse ist zu prüfen inwiefern die Theorie des Seebeck–Koeffizienten auf Proben mit schwacher Kopplung zu übertragen ist. Da die gemessenen Seebeck–Koeffizienten bei einigen nanoskaligen Proben sehr klein waren, wurde der Seebeck–Koeffizient des Kontaktmaterials in separaten Versuchen untersucht. Für das hier verwendete Schichtsystem Ti(40nm)/Au(120nm) kann ein Seebeck–Koeffizient von -0,22µV/K angegeben werden. Bei der Charakterisierung der Pt–FEBID–Deponaten wurde dieser Beitrag des Kontaktschichtsystems zur Thermospannung berücksichtigt. Untersuchungen an BiTe–Nanodrähten mit dem Seebeck–Chip ergaben einen negativen Seebeck–Koeffizienten. Die ersten Untersuchungen wurden mit Kupfer als Kontaktmaterial durchgeführt, weil dieses sehr gute Lift–Off Eigenschaften besaß. Trotz der Kupferdiffusion in den Nanodraht hinein, wird der negative Seebeck–Koeffizient einem Tellur–Überschuss zugeschrieben, denn an Proben mit einer geeigneten Diffusionsbarriere war in nachfolgenden Untersuchungen ebenso ein negativer Seebeck–Koeffizient zu messen. Die ermittelten Beweglichkeiten sind niedriger als die von Bulkmaterial und können durch klassische Size–Effekte erklärt werden. Die gemessenen Ladungsträgerkonzentrationen liegen in typischen Bereichen für Halbmetalle. Die Charakterisierung des Seebeck–Koeffizienten mit Hilfe des hier vorgestellten Z–Chip ergab einen negativen Seebeck–Koeffizienten für die BiTe–Nanodrähte, die wie oben erläutert auf einen Tellur–Überschuss zurückzuführen sind. Eine Abschätzung eines mit Nanodrähten aufgebauten Sensors zeigt, dass im Vergleich zu konventionellen Dünnschicht–Thermopiles deutlich höhere Empfindlichkeiten zu erzielen sind. Erste technologische Konzepte für den Aufbau von Nanodraht–Arrays wurden erarbeitet und durch entsprechende Untersuchungen verifiziert. Grundsätzlich ist der Z–Chip für die Charakterisierung aller drei Transportkoeffizienten geeignet und bietet die Option, anderen Arbeitsgruppen eine universelle thermoelektrische Messplattform zur Verfügung zu stellen.

Shedding light on reaction mechanisms : structure determination of reactive intermediates and investigation of protein structural dynamics using 2D-IR spectroscopy (2012)

Andreas T. Meßmer

Detailed knowledge of reaction mechanisms is key to understanding chemical, biological, and biophysical processes. For many reasons, it is desirable to comprehend how a reaction proceeds and what influences the reaction rate and its products. In biophysics, reaction mechanisms provide insight into enzyme and protein function, the reason why they are so efficient, and what determines their reaction rates. They also reveal the relationship between the function of a protein and its structure and dynamics. In chemistry, reaction mechanisms are able to explain side products, solvent effects, and the stereochemistry of a product. They are also the basis for potentially optimizing reactions with respect to yield, enhancing the stereoselectivity, or for modifying reactions in order to obtain other related products. A key step to investigate reaction mechanisms is the identification and characterization of intermediates, which may be reactive, short-lived, and therefore only weakly populated. Nowadays, the structures of those can in most cases only be hypothesized based on products, side products, and isolable intermediates, because intermediates with a life time of less than a few microseconds are not accessible with the commonly used techniques for structure determination such as X-ray crystallography and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. In this thesis, two-dimensional infrared (2D-IR) spectroscopy is shown to be a powerful complement to the existing techniques for structure determination in solution. 2D-IR spectroscopy uses a femtosecond laser setup to investigate interactions between vibrations - analogous to 2D-NMR, which investigates the interactions between spins. Its ultrafast time resolution makes 2D-IR spectroscopy particularly well suited for the two topics investigated in this thesis: Structure Determination of Reactive Intermediates and Conformational Dynamics of Proteins. Structure Determination of Reactive Intermediates: The focus of this thesis is using polarization-dependent 2D-IR (P2D-IR) spectroscopy for structure determination of N-crotonyloxazolidinone (referred to as 1), a small organic compound with a chiral oxazolidinone, known as Evans auxiliary, and its reactive complexes with the Lewis acids SnCl4 and Mg(ClO4)2. Chiral oxazolidinones in combination with Lewis acids have frequently been used in stereoselective synthesis for over 30 years. Nevertheless, the detailed mechanisms are in many cases xvi ABSTRACT still mere hypotheses and have not yet been experimentally proven. By accurately measuring the angles between the transition dipole moments in the molecules using an optimized P2D-IR setup and comparing the results to DFT calculations, the conformation of 1 and the conformation and coordination of the main complexes with SnCl4 and Mg(ClO4)2 are unequivocally identified and analyzed in depth. Structural details, such as a slight twist in the solution structure of 1, are detected using P2D-IR spectroscopy; these cannot be inferred from NMR spectroscopy or DFT calculations. In addition to the main Lewis acid complexes, complexes in low concentration are detected and tentatively assigned to different conformations and complexation geometries. The knowledge of those structures is essential for rationalizing the observed stereoselectivities. Additionally, a method is introduced that enables structure determination of molecules in complex mixtures and even in the presence of molecules with similar spectral properties and in high concentration. This work sets the stage for future studies of other substrate-catalyst complexes and reaction intermediates for which the structure determination has not been possible to date. Conformational Dynamics of Proteins: Exchange 2D-IR spectroscopy allows the investigation of fast dynamics without disturbing the equilibrium of the exchanging species. It is therefore well suited to investigate fast dynamics of proteins and to reveal the speed limit of those. The temperature dependence of the conformational dynamics between the myoglobin substates A1 and A3 in equilibrium is analyzed. The various substates of myoglobin can be detected with FTIR spectroscopy, if carbon monoxide is bound to the heme. From previous studies it is known that the exchange rates at room temperature are in the picosecond time range, well suited to be investigated by 2D-IR spectroscopy. In the temperature range between 0 °C and 40 °C only a weak temperature dependence of the exchange rate in the myoglobin mutant L29I is observed in the present study. The exchange rate approximately doubles from 15 ns-1 at 0 °C to 31 ns-1 at 40 °C. It turned out that the conformational dynamics correlates linearly with the solvent viscosity, which itself is temperature dependent. Comparing our results to measurements at cryogenic temperatures, the linear relation between exchange time constant for this process and the viscosity is shown for the temperature range between -100 °C and 40 °C (corresponding to a viscosity change of 14 orders of magnitude). Thus, it is proven that the dynamics of the conformational switching are mainly determined by solvent dynamics, i.e., the protein dynamics are slaved to the solvent dynamics. This is the first time slaving is observed for such fast processes (in the picosecond time range). The observation implies a long-range structural rearrangement between the myoglobin substates A1 and A3. In addition, the exchange for other mutants and wild type myoglobin is analyzed qualitatively and found to agree with the conclusions drawn from L29I myoglobin.

Entwicklung einer reagenzienfreien Methode zur quantitativen Bestimmung der Inhaltsstoffe von Körperflüssigkeiten mit ATR-FTIR-Spektroskopie (2006)

Gamze Hoşafçı

Teile dieser Arbeit sind Thema folgender Publikationen: Gamze Hosafci, Oliver Klein, Gerhard Oremek, Werner Mäntele: Clinical chemistry without reagents? An infrared spectroscopic technique for determination of clinically relevant constituents of body fluids Anal Bioanal Chem, DOI 10.1007/s00216-006-0841-3 Gamze Hosafci, Oliver Klein, Gerhard Oremek, Werner Mäntele: Ein Tropfen Blut genügt: Reagenzienfreie Labordiagnostik in der Medizin mittels Infrarotspektroskopie GIT Labor-Fachzeitschrift, Bd 50 (2006), H. 4, S. 322-325, GIT Darmstadt Gamze Hosafci, Oliver Klein, Gerhard Oremek, Werner Mäntele: It Will Just Need a Drop of Blood: Reagent-free Laboratory Diagnostics in Medicine Based on Infrared Spectroscopy GIT Laboratory Journal, Bd 50 (2006), H. 2, S. 34-37, GIT Darmstadt Patent: W. Mäntele, O. Klein, G. Hosafci, G. Oremek: Vorrichtung für die qualitative und/oder quantitative Bestimmung von IR-aktiven Inhaltsstoffen in Flüssigkeiten sowie ein Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung von IR-aktiven Inhaltsstoffen in Flüssigkeiten Schutzrecht: DE102005048807 16.11.2006

Dynamical effects and disorder in ultracold bosonic matter (2012)

Ulf Bissbort

In this thesis, various aspects on the theoretical description of ultracold bosonic atoms in optical lattices are investigated. After giving a brief introduction to the fundamental concepts of BECs, atomic physics, interatomic interactions and experimental procedures in chapter (1), we derive the Bose-Hubbard model from first principles in chapter (2). In this chapter, we also introduce and discuss a technique to efficiently determine Wannier states, which, in contrast to current techniques, can also be extended to inhomogeneous systems. This technique is later extended to higher dimensional, non-separable lattices in chapter (5). The many-body physics and phases of the Bose-Hubbard is shortly presented in chapter (3) in conjunction with Gutzwiller mean-field theory, and the recently devised projection operator approach. We then return to the derivation of an improved microscopic many-body Hamiltonian, which contains higher band contributions in the presence of interactions in chapter (4). We then move on to many-particle theory. To demonstrate the conceptual relations required in the following chapter, we derive Bogoliubov theory in chapter (5.3.4) in three different ways and discuss the connections. Furthermore, this derivation goes beyond the usual version discussed in most textbooks and papers, as it accounts for the fact, that the quasi-particle Hamiltonian is not diagonalizable in the condensate and the eigenvectors have to be completed by additional vectors to form a basis. This leads to a qualitatively different quasi-particle Hamiltonian and more intricate transformation relations as a result. In the following two chapters (7, 8), we derive an extended quasi-particle theory, which goes beyond Bogoliubov theory and is not restricted to weak interactions or a large condensate fraction. This quasi-particle theory naturally contains additional modes, such as the amplitude mode in the strongly interacting condensate. Bragg spectroscopy, a momentum-resolved spectroscopic technique, is introduced and used for the first experimental detection of the amplitude mode at finite quasi-momentum in chapter (9). The closely related lattice modulation spectroscopy is discussed in chapter (10). The results of a time-dependent simulation agree with experimental data, suggesting that also the amplitude mode, and not the sound mode, was probed in these experiments. In chapter (11) the dynamics of strongly interacting bosons far from equilibrium in inhomogeneous potentials is explored. We introduce a procedure that, in conjunction with the collapse and revival of the condensate, can be used to create exotic condensates, while particularly focusing on the case of a quadratic trapping potential. Finally, in chapter (12), we turn towards the physics of disordered systems derive and discuss in detail the stochastic mean-field theory for the disordered Bose-Hubbard model.

Density functional theory and dynamical mean field theory: applications to correlated electron materials (2012)

Johannes Ferber

The study of systems whose properties are governed by electronic correlations is a corner stone of modern solid-state physics. Often, such systems feature unique and distinct properties like Mott metal-insulator transitions, rich phase diagrams, and high sensitivity to subtle changes in the applied conditions. Whereas the standard approach to electronic structure calculations, density functional theory (DFT), is able to address the complexity of real-world materials but is known to have serious limitations in the description of correlations, the dynamical mean-field theory (DMFT) has become an established method for the treatment of correlated fermions, first on the level of minimal models and later in combination with DFT, termed LDA+DMFT. This thesis presents theoretical calculations on different materials exhibiting correlated physics, where we aim at covering a range in terms of systems --from rather weakly correlated to strongy correlated-- as well as in terms of methods, from DFT calculations to combined LDA+DMFT calculations. We begin with a study on a selection of iron pnictides, a recently discovered family of high-temperature superconductors with varying degree of correlation strength, and show that their magnetic and optical properties can be assessed to some degree within DFT, despite the correlated nature of these systems. Next, extending our analysis to the inclusion of correlations in the framework of LDA+DMFT, we discuss the electronic structure of the iron pnictide LiFeAs which we find to be well described by Fermi liquid theory with regard to many of its properties, yet we see distinct changes in its Fermi surface upon inclusion of correlations. We continue the study of low-energy properties and specifically Fermi surfaces on two more iron pnictides, LaFePO and LiFeP, and predict a topology change of their Fermi surfaces due to the effect of correlations, with possible implications for their superconducting properties. In our last study, we close the circle by presenting LDA+DMFT calculations on an organic molecular crystal on the verge of a Mott metal-insulator transition; there, we find the spectral and optical properties to display signatures of strong electronic correlations beyond Fermi liquid theory.

Verification of Monte Carlo transport codes by activation experiments (2012)

Vera Chetvertkova

With the increasing energies and intensities of heavy-ion accelerator facilities, the problem of an excessive activation of the accelerator components caused by beam losses becomes more and more important. Numerical experiments using Monte Carlo transport codes are performed in order to assess the levels of activation. The heavy-ion versions of the codes were released approximately a decade ago, therefore the verification is needed to be sure that they give reasonable results. Present work is focused on obtaining the experimental data on activation of the targets by heavy-ion beams. Several experiments were performed at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. The interaction of nitrogen, argon and uranium beams with aluminum targets, as well as interaction of nitrogen and argon beams with copper targets was studied. After the irradiation of the targets by different ion beams from the SIS18 synchrotron at GSI, the γ-spectroscopy analysis was done: the γ-spectra of the residual activity were measured, the radioactive nuclides were identified, their amount and depth distribution were detected. The obtained experimental results were compared with the results of the Monte Carlo simulations using FLUKA, MARS and SHIELD. The discrepancies and agreements between experiment and simulations are pointed out. The origin of discrepancies is discussed. Obtained results allow for a better verification of the Monte Carlo transport codes, and also provide information for their further development. The necessity of the activation studies for accelerator applications is discussed. The limits of applicability of the heavy-ion beam-loss criteria were studied using the FLUKA code. FLUKA-simulations were done to determine the most preferable from the radiation protection point of view materials for use in accelerator components.

Identifikationsverfahren mit Reaktions-Diffusions-Netzwerken zur Analyse hirnelektrischer Aktivität bei Epilepsie (2011)

Frank Gollas

In dieser Arbeit wurden Verfahren zur Identifikation hirnelektrischer Aktivität mit Zellularen Nichtlinearen Netzwerken (CNN), im Besonderen Reaktions-Diffusions-Netzwerken, entwickelt und untersucht. Mit Hilfe der eingeführten Methoden wurden Langzeitaufzeichnungen hirnelektrischer Aktivität bei Epilepsie analysiert und mittels eines automatisierten Verfahrens ermittelt, inwieweit sich mögliche Voranfallszustände vom anfallsfreien Zustand im statistischen Sinne trennen lassen. Zunächst wurde ein Überblick über CNN gegeben und deren Beschreibung durch Systeme gekoppelter Differentialgleichungen dargestellt. Weiterhin wurden die Möglichkeiten der Informationsverarbeitung mit CNN durch Ausnutzung von Gleichgewichtszuständen oder der vollständigen raum-zeitlichen Dynamik der Netzwerke diskutiert. Zusätzlich wurde die Klasse der Reaktions-Diffusions-Netzwerke (RD-CNN) eingeführt. Für die Repräsentation der hierbei benötigten weitgehend allgemeinen nichtlinearen Zellkopplungsvorschriften wurden polynomiale Gewichtsfunktionen vorgeschlagen. Mit einer Darstellung der Theorie der Lokalen Aktivität wurden notwendige Bedingungen für emergentes Verhalten in RD-CNN angegeben. Die statistische Bewertung von Vorhersagemodellen wurde aus theoretischer Sicht beleuchtet. Mit der Receiver Operating Characteristic (ROC) wurde eine Analysemethode zur Beurteilung der Vorhersagekraft des zeitlichen Verlaufs von Kenngrößen bezüglich bevorstehender epileptischer Anfälle vorgestellt. 155 5 Zusammenfassung Als nächstes wurden Überlegungen zur numerischen Simulation von CNN und deren flexible und erweiterbare programmtechnische Umsetzung entwickelt. Die daraus resultierende und im Rahmen dieser Arbeit entstandene objektorientierte Simulationsumgebung FORCE++ wurde konzeptionell und im Hinblick auf die Softwarearchitektur vorgestellt. Die Verfahren zur numerischen Simulation wurden auf die Problemstellung der Systemidentifikation mit CNN angewandt. Dazu wurden Netzwerke derart bestimmt, dass deren Zellausgangswerte entsprechende Signalwerte des beobachteten, zu identifizierenden Systems approximieren. Da die Parameter der zu bestimmenden CNN im vorliegenden Fall der Untersuchung hirnelektrischer Aktivität nicht bekannt sind und nicht direkt abgeleitet werden können, wurden überwachte Lernverfahren zur Bestimmung der Netzwerke eingesetzt. Hierbei wurden Lernverfahren verschiedener Klassen für die Identifikation mit CNN mit polynomialen Gewichtsfunktionen untersucht. Die Leistungsfähigkeit des vorgestellten Identifikationsverfahrens wurde anhand bekannter Systeme einer genauen Betrachtung unterzogen. Dabei wurde festgestellt, dass die betrachteten Systeme mit hoher Genauigkeit durch CNN repräsentiert werden konnten. Exemplarisch wurde das Parametergebiet lokaler Aktivität für ein RD-CNN berechnet und durch numerische Simulationen die Ausbildung von Mustern innerhalb des Netzwerkes nachgewiesen. Nach einem einleitenden Überblick über die medizinischen Hintergründe von Epilepsie und der Erfassung hirnelektrischer Aktivität wurde eine vergleichende Übersicht über den Stand veröffentlichter Studien zur Vorhersage epileptischer Anfälle gegeben. Für die Anwendung des hier vorgestellten Identifikationsverfahrens zur Analyse hirnelektrischer Aktivität wurde zunächst die Genauigkeit der Approximation kurzer, als quasi-stationär betrachteter Abschnitte, von EEG- 156 5 Zusammenfassung Signalen untersucht. Durch gezielte Erhöhung der Komplexität herangezogener Netzwerke konnte hier die Genauigkeit der Repräsentation von EEG-Signalverläufen deutlich verbessert werden. Dabei wurde zudem die Verallgemeinerungsfähigkeit der ermittelten Netzwerke untersucht, wobei festgestellt wurde, dass auch solche Signalwerte mit guter Genauigkeit approximiert werden, die nicht im Identifikationsverfahren durch die überwachte Parameteroptimierung berücksichtigt waren. Um speziell den Einfluss der Information aus der Korrelation benachbarter Elektrodensignale zu untersuchen, wurde ein Verfahren zur multivariaten Prädiktion mit Discrete Time CNN (DT-CNN) entwickelt. Hierbei werden durch ein CNN Signalwerte der betrachteten Elektrode aus vergangenen, korrelierten Signalwerten von Nachbarelektroden geschätzt. Für diese Aufgabenstellung konnte eine Methode zur Bestimmung der Netzwerkparameter im optimalen Sinn, alleine aus den statistischen Eigenschaften der Elektrodensignale angegeben werden. Dadurch gelang eine erhebliche Reduzierung der Rechenkomplexität, die eine umfangreiche Untersuchung intrakranieller Langzeitableitungen ermöglichte. Zur Analyse von Langzeitaufzeichnungen mit dem RD-CNN Identifikationsverfahren, wurden die numerischen Berechnungen zur Simulation von CNN mit FORCE++ auf einem durchsatz-orientierten Hochleistungs- Rechnernetzwerk durchgeführt. Mit den so gewonnen Ergebnissen konnten vergleichende Analysen vorgenommen werden. Zudem wurden Untersuchungen zum Vorliegen lokaler Aktivität in den ermittelten RD-CNN durchgeführt. Die bei den beschriebenen Verfahren extrahierten Kenngrößen hirnelektrischer Aktivität wurden durch ein automatisiertes Verfahren auf ihre Vorhersagekraft für epileptische Anfälle bewertet. Dabei wurde untersucht, inwieweit der anfallsfreie Zustand und ein angenommener 157 5 Zusammenfassung Voranfallszustand durch die jeweils betrachtete Kenngröße im statistischen Sinn diskriminiert werden kann. Durch parallele Analysen mit Anfallszeitsurrogaten wurden hierzu ergänzende Signifikanztests durchgeführt. Nach Auswertung von mehrtägigen Hirnstromsignalen verschiedener Patienten konnte festgestellt werden, dass mit den in dieser Arbeit entwickelten Verfahren Kenngrößen hirnelektrischer Aktivität bestimmt werden konnten, welche offenbar die Identifikation potentieller Voranfallszustände ermöglichen. Auch wenn für eine breite medizinische Anwendung die Spezifität und Sensitivität noch weiter verbessert werden muss, so können doch die erzielten Ergebnisse einen wesentlichen Schritt hin zu einer implantierbaren, CNN-basierten Plattform zur Erkennung und Verhinderung epileptischer Anfälle darstellen. Die Berechnungen für das Identifikationsverfahren mit RD-CNN könnten dabei durch zukünftige, spezialisierte schaltungstechnische Realisierungen für mehrschichtige CNN mit polynomialen Gewichtsfunktionen eine erhebliche Beschleunigung erfahren.

Commissioning of the ALICE High-Level Trigger (2012)

Jochen Thäder

A new era in experimental nuclear physics has begun with the start-up of the Large Hadron Collider at CERN and its dedicated heavy-ion detector system ALICE. Measuring the highest energy density ever produced in nucleus-nucleus collisions, the detector has been designed to study the properties of the created hot and dense medium, assumed to be a Quark-Gluon Plasma. Comprised of 18 high granularity sub-detectors, ALICE delivers data from a few million electronic channels of proton-proton and heavy-ion collisions. The produced data volume can reach up to 26 GByte/s for central Pb–Pb collisions at design luminosity of L = 1027 cm−2 s−1 , challenging not only the data storage, but also the physics analysis. A High-Level Trigger (HLT) has been built and commissioned to reduce that amount of data to a storable value prior to archiving with the means of data filtering and compression without the loss of physics information. Implemented as a large high performance compute cluster, the HLT is able to perform a full reconstruction of all events at the time of data-taking, which allows to trigger, based on the information of a complete event. Rare physics probes, with high transverse momentum, can be identified and selected to enhance the overall physics reach of the experiment. The commissioning of the HLT is at the center of this thesis. Being deeply embedded in the ALICE data path and, therefore, interfacing all other ALICE subsystems, this commissioning imposed not only a major challenge, but also a massive coordination effort, which was completed with the first proton-proton collisions reconstructed by the HLT. Furthermore, this thesis is completed with the study and implementation of on-line high transverse momentum triggers.

Gas system, gas quality monitor and detector control of the ALICE Transition Radiation Detector and studies for a pre-trigger data read-out system (2012)

Nora Pitz

The main purpose of the Transition Radiation Detector (TRD) located in the central barrel of ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is electron identification for separation from pions at momenta pt > 1 GeV/c, since in this momentum range the measurements of the specific energy loss (dE/dx) of the Time Projection Chamber (TPC) is no longer sufficient. Furthermore, it provides a fast trigger for high transverse momentum charged particles (pt > 3 GeV/c) and makes a significant contribution to the optimization of the tracking of reaction products in heavy-ion collisions. Its whole setup comprises 18 supermodules out of which 13 are presently operational and mounted cylindrically around the beam axis of the Large Hadron Collider (LHC). A supermodule contains either 30 or 24 chambers, each consisting of a radiator for transition radiation creation, a drift and an amplifying region followed by the read-out electronics. In total, the TRD is an array of 522 chambers operated with about 28 m3 of a Xe-CO2 [85-15%] gas mixture. During the work of this thesis, the testing, commissioning, operation and maintenance of detector parts, the gas system and its online quality monitor, improvements on the detector control user-interface and studies about a new pre-trigger module for data read-out have been accomplished. The TRD gas system mixes, distributes and circulates the operational gas mixture through the detector. Its overall optimization has been achieved by minimizing gas leakage, surveying, controlling, maintaining and continuously improving it as well as designing and carrying out upgrades. Gas quality monitors of the type \GOOFIE" (Gas prOportional cOunter For drIfting Electrons) can be used in gaseous detectors as on-line monitors of the electron drift velocity, gain and gas properties. One of these devices has been implemented within the TRD gas system, while another one surveys the gas of the TPC. Both devices had to be adapted to the specific needs of the detectors, were under constant surveillance and control, and needed to be further developed on both hardware and software side. To improve the operation of the TRD, modifications on its DCS software (Detector Control System) used for monitoring, controlling, operating, regulating and configuring of hardware and computing devices have been carried out. The DCS is designed to enable an operator to interact with equipment through user interfaces that display the information from the system. The main focus of this work was laid on the optimization of the usability and design of the user interface. The front-end electronics of the TRD require an early start signal (\pre-trigger") from the fast forward detectors or the Time-Of-Flight detector during the running periods. The realization of a new hardware concept for the read-out of the TRD pre-trigger system has been studied and first tests were performed. This new module called PIMDDL (Pre-trigger Interface Module Detector Data Link) is meant to acquire all data necessary to simulate and predict the full pre-trigger functionality, and to verify its proper operation. Furthermore, it shall provide all functionalities of the so-called Control Box Bottom as well as keep the functionalities of the already existing PIM (Pre-trigger Interface Module) in order to combine and replace these two modules in the future.

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