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Investigations of an On-body Reflectometer Probe
No full textRadar can be utilized to detect the mechanical heart activity and is a potential alternative to today’s heartbeat monitoring techniques in medicine. It can detect details of the heart activity, such as filling and ejection of heart chambers and opening and closing of heart valves. This is due to the radars ability to detect movements and direction
of motion. Compared to electrocardiogram and ultrasound it has the advantage that it is a contactless measurement.
The objective of this thesis is the development of a proof-of-concept prototype of a novel microwave on-body sensor for heartbeat detection, which can be used inside an MRI system and which could provide prospective triggering information. The main idea is to use a microwave sensor (reflectometer) with an on-body antenna illuminating the heart and detecting the reflected signal.
The measurement is based on the evaluation of the heart-related time-dependent reflection coefficient of the antenna, by minimizing the static and respiration-related components of the reflection coefficient. In a first step, this is done by minimizing the antenna mismatch with an automatic impedance matching circuit after the placement of the antenna on the chest of an individual; the antenna mismatch is dependent on the position and the individual body properties. In a second step the residual static and slow variation signal from respiration is suppressed by a canceller circuit (well-known
from CW radar technology as reflected power canceller).
With the reflectometer sensor system consisting of a CW signal generator (transmitter, Tx), on-body antenna, adaptive impedance matching circuit and demodulator circuit as part of the reflected signal canceller, the performance of each component influences
the performance of the sensor system. Thus, the thesis concentrates on the design of the circuits and the antenna but also investigates the wave propagation scenario of the sensor applied to a human chest.
The signals measured with the microwave sensor are compared with a standard measurement method for heart activity, a heart sound measurement. This is used in order to assess the obtained signal and relate the signal states to certain heart states.
The measured radar signals are found to be sensitive to position of the sensor, the individual and the posture of the individual, making the interpretation of the signals challenging
Power Amplifier for Magnetic Resonance Imaging Using Unconventional Cartesian Feedback Loop
No full textUltrahochfeld Magnetresonanztomographiegeräte (MRT, 3T und höher) bieten im Vergleich zu
MRT-Geräten mit geringeren Feldstärken verbesserte Leistungen, erfordern jedoch aufgrund
der in Körper der Patienten auftretenden B1 Inhomogenität weitere Methoden der Optimierung.
Hierfür wurde eine RF-Mehrkanal-Technik entwickelt, um die einzelnen RF-Spulen unabhängig
voneinander aussteuern zu können. Allerdings wird diese Methode dadurch limitiert, dass Nachbarspulen
Ströme induzieren können und durch Änderung der elektrischen Last ebenfalls eine
Variation der Spulenimpedanz auftritt, die die Effizienz des Shimmings verringert und zu einer
Fehlanpassung der RF-Spule führt.
Diese Arbeit beschreibt einen Leistungsverstärker der nahe am MR-Magneten angeordnet ist
und daher ohne Zirkulator-Ausgang auskommen muss und der ein neues Konzept zur Abtastung
der Spulenströme und somit zur Steuerung dieser bietet. Dieser Verstärker nutzt eine unkonventionelle
kartesische Rückkopplungsschleife (FBL) zur Kompensation der Stromvariationen in
einem Spulenelement durch Steuerung der Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers. Die
besondere Eigenschaft des FBL ist seine Möglichkeit, eine aussteuerungsabhängige Schleifenverstärkung
zu generieren, die bei hoher Leistung die Fehlerkorrektur und bei niedriger Leistung die
Systemstabilität verbessern kann. Um bei niedriger Leistung trotzdem effizient zu bleiben, wird
der Leistungsverstärker so konzipiert, dass sein Ausgang eine ultra-niedrige Impedanz bezogen
auf den Balun der Spulen darstellt. Dies unterdrückt den durch Verkopplung verursachten
induzierten Strom in benachbarten Spulen.
Der Entwurf und die Charakterisierung der Verstärkerschaltung werden detailliert behandelt und
mit Simulationen verdeutlicht, während außerdem eine detaillierte Analyse der ultra-niedrigen
Ausgangsimpedanz im Zusammenhang mit der Spulenentkopplung durchgeführt wird. Der Entwurf
der FBL wird beschrieben und eine Evaluation der Funktionsfähigkeit wird durch Simulationen zum Effekt der Lastimpedanz, der Spulen-Verkopplung und der Verstärker-Nichtlinearität durchgeführt. Experimentelle Prototypen des Verstärkers und des FBL wurden im Rahmen eines
MRT-Forschungsprojekt hergestellt, so dass schließlich eine messtechnische Bestätigung der Simulationsergebnisse ermöglicht wurde.Ultra-high field Magnetic Resonance Imaging (MRI) scanners (3T and higher) provide improved performance compared to lower field MRI scanners but because of RF magnetic flux (B1)
inhomogeneity inside the patient’s body, Multi-channel parallel RF transmission has been developed to allow B1 optimization by, e.g., the RF shimming technique which requires a good decoupling of the RF coil elements to suppress induction of currents by neighbor coils so that
the RF coil currents can be adjusted independently. However, current variation in array coils occurs also due to load change, degrading the shimming performance and leading to mismatch between the RF coil and the feed cable.
In this thesis, a near-magnet power amplifier (PA) is proposed without circulator output which employs a new concept of coil current sensing to allow control of the coil current. This power
amplifier uses an unconventional Cartesian feedback loop (FBL) to compensate for current variation in an array coil by controlling the output voltage of the power amplifier. The particular property of the FBL is its capability to generate dynamic loop gain which can improve error
compensation at high power level and system stability at low power level. To be still effective at low power, the near-magnet power amplifier is designed to present an ultra-low output impedance to the balun of the coil which suppresses coil current induced by mutual coupling from neighbor
coils.
The power amplifier circuit design and characterization are discussed in detail by simulation in
addition to a detailed analysis of the ultra-low output impedance with respect to coil decoupling.
The design of the FBL is described and the performance evaluation is presented by simulation for the coil loading effect, coupling effect and PA nonlinearity. Experimental prototypes of PA and FBL have been fabricated in an MRI research project and measured performance supports
simulation results
Klinisch-pharmakologische Untersuchungen im Rahmen einer klinischen Phase I-Studie mit trans-Natrium-tetrachlorobis(indazol)Ruthenat(III)/Indazolhydrochlorid (FFC14A) bei Patienten mit soliden Tumoren
No full textDas Ziel der vorliegenden Arbeit war die Ermittlung der Pharmakokinetik von trans-Natrium-tetrachlorobis(1H-indazol)ruthenat (III) Komplexes (FFC14A) im Rahmen einer klinischen Phase I-Studie mit Dosiseskalation bis zur maximale tolerierbaren Dosis (MTD), um daraus Rückschlüsse auf seinen Wirkungsmechanismus zu gewinnen. Hierzu wurde eine "inductively coupled plasma mass spectrometry" (ICP-MS) Analytik entwickelt und validiert, mit der die Ruthenium-Ionen-Konzentration im Plasma und Ultrafiltrat zuverlässig gemessen werden konnte. Die ermittelten Parameter lagen innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen. Für die pharmakokinetische Auswertung wurden die Proben nach einem Studienprotokoll in einem Zeitraum von 10 Minuten vor bis zu 56 Stunden nach der Infusion gewonnen. Insgesamt wurden 8 Patienten aufgenommen, von denen zwei im Verlauf aus der Studie wegen Progredienz ihrer Erkrankung ausgeschlossen werden mussten. Alle Patienten erhielten in einem Zeitraum von 21 Tagen 6 Infusionen, deren Infusionsdauer pro Infusionsbeutel zwischen 6 Minuten und 50 Minuten lag.
Die wichtigsten Ergebnisse sind:
1. Die ICP-MS Analytik ist sehr selektiv und liefert schnell genaue Messergebnisse; alle geforderten Validierungskriterien der "standard operating procedure" SOP 12 (2003) konnten eingehalten werden.
2. Eine bestmögliche Konformität wurde in der Fittinganalyse mit einem Zwei-Kompartiment-Modell erreicht.
3. FFC14A hat eine niedrige Clearance, eine lange Halbwertszeit und ein kleines Verteilungsvolumen.
4. FFC14A hat eine Plasmaeiweißbindung von 99%. Im Ultrafiltrat konnten <1% freies FFC14A detektiert werden. Es bindet in geringen Mengen an DNA.
5. In der vorliegenden Studie zeigte FFC14A in den verabreichten Dosierungen keine toxischen Nebenwirkungen.
6. Eine Dosis von mehr als 600mg FFC14A konnte nicht verabreicht werden, weil das zu verabreichende Infusionsvolumen 2000 ml überschritten hätte.
7. Die MTD wurde deswegen nicht erreicht.
Ausblick: Eine Fortsetzung der Untersuchung von FFC14A kann nur mit anderen Verabreichungsformen wie liposomalen Formulierungen oder orale Verabreichung erfolgen, die eine weitere Dosissteigerung ermöglichen. Unabhängig davon erscheint wegen der hohen Bindung von FFC14A an Plasmaproteine die Synthese von Konjugaten von FFC14A und Humanserumalbumin (HSA) und deren präklinische und klinische Untersuchung erfolgversprechend
Experience with placebo/nocebo, unspecific therapies and complementary therapies in pharmacy
No full textDie Datenlage zur Einstellung der Apotheker zu komplementären Heilmethoden und zu Placebo bzw. Placebo- und Nocebo-Antworten ist sehr begrenzt. Um die Datenlage in diesem Zusammenhang zu erweitern, wurden 200 Apotheker mittels eines Fragebogens zum Kenntnisstand zu Placebo/Nocebo, zu der Anwendung unspezifischer Therapien, zu der Einschätzung und Verwendung komplementärer Heilmethoden, zu ihrer pharmazeutischen Tätigkeit und Grundhaltung, sowie zu dem Einfluss des Placebo-Effektes auf die Wirksamkeit von Arzneimitteltherapien und zu dem Nocebo-Effekt befragt. Zusammenfassend zeigen die Befunde, dass ein Großteil der Apotheker Placebo- und Nocebo-Antworten kennen. Sie sehen den Einsatz reiner Placebos auch außerhalb klinischer Studien als eine Therapiemöglichkeit. Ca. 50% der Apotheker setzen Homöopathika, Vitamine und Mineralien, leichte Beruhigungsmittel und unterdosierte Arzneimittel als Pseudo- Placebo ein. Die Apotheker wollen dadurch die Erwartung des Patienten erfüllen eine wirksame Medikation für ihre Symptome zu erhalten, während eine Nocebo- Antwort durch eine positive Kommunikation vermieden wird. Komplementäre Heilmethoden werden als sinnvolle Ergänzung gesehen, wobei die Phytopharmaka den höchsten Stellenwert einnehmen, gefolgt von den Homöopathika. Ein Großteil der Apotheker wünscht sich eine engere Zusammenarbeit mit den Ärzten. Ob und wieweit Apotheker die Kommunikation bewusst einsetzen, um eine Wirkverstärkung zu erreichen und Nocebo-Effekte zu vermeiden, sollte in weiteren Untersuchungen dokumentiert werden. Auch der Einfluss der Kommunikation der Apotheker in Bezug auf die Erfüllung von Rabattverträgen und der damit verbundenen Non-Compliance und dem Auftreten von Unverträglichkeiten sollte näher analysiert werden.So far, surprisingly little is known about the attitude of pharmacists towards complementary medicine and placebo- or nocebo-effects. To approach this issue and to extent the existing data in this field, 200 pharmacists were interviewed with questionnaires regarding their attitude and experience with placebo/nocebo- responses, the knowledge of complementary medicine, pharmaceutical employment, experience with the impact of placebo-effects on drug treatment efficiency. The results show that most pharmacists are familiar with placebo- or nocebo-effects. Moreover, they vision the use of placebo-effects as an additional treatment option also outside the clinic. Almost 50% of all interviewed pharmacists prescribe homeopathic compounds, vitamines and minerals, weak tranquilizing drugs, as well as sub-therapeutic remedies as "pseudo-placebo" to measure up to the patients expectations of gaining a drug that cures symptoms. Contrary, a nocebo-response is said to be avoided by "positive" communication with the patient. Complementary medicine is also seen as reasonable supplementary therapy, whith a high value on phytopharmaceuticals and homeopathica compounds. Finally, most pharmacists would highly appreciate a more closer collaboration with physicians. However, whether and to what extend pharmacists are able to apply their communication skills as positive enhancer for drug efficency or as inhibitor of nocebo-responses needs to be evaluated in further studies. Likewise, the influence of these communication skills regarding discount contracts with the pharmaceutical industry, the associated non- compliance, as well as the occurance of side-effects have to be analyzed in more detail
GC-MS based method as an alternative diagnostic to identify ruptured silicone gel-filled breast implants
No full textIm Zuge des Bekanntwerdens im April bzw. Juni 2010, dass einige Silikonbrustimplantate (engl. silicone breast implants, SBI) der Hersteller Poly Implant Prothèse (PIP), Rofil Nederland B. V. und GfE Medizintechnik Industriesilikon beinhalten, gaben sowohl die französische Agentur für die Sicherheit von Gesundheitsprodukten als auch das Bundesinstitut für Arzneimittel- und Medizinprodukte im Winter 2011/2012 eine Empfehlung zum Implantataustausch heraus. Im Gegensatz zu medical-grade-SBI anderer Hersteller, wie Allergan und Mentor, weisen die PIP- und Rofil-SBI erhöhte Bruchtendenzen, erhöhte Raten bezüglich Gel-Bluten und erhöhte Konzentrationen an zyklischen, flüchtigen Methylsiloxanen (engl. cyclic volatile methylsiloxanes, cVMS) auf. In Europa wird in Voruntersuchungen für die Diagnostik defekter Implantate primär die Mammasonographie als Standardmethode eingesetzt, obwohl die Magnetresonanztomografie aufgrund ihrer hohen Sensitivität gerne als „Goldstandard“ bezeichnet wird. Diese Verfahren sind mit einem hohen finanziellen Aufwand für das Gesundheitssystem und mit einem zeitlichen Aufwand für den Patienten1 verbunden. Um eine schnelle Identifizierung von Implantatrupturen zu ermöglichen, wäre die Etablierung eines alternativen, nicht-invasiven und kostengünstigen Diagnoseverfahrens vorteilhaft.
Zur Entwicklung einer alternativen Diagnostikmethode wurden Silikon-Gelproben sowie Humanproben von Frauen mit defekten und intakten Silikonimplantaten nach Extraktation mit Dichlormethan analysiert. Zur Identifizierung signifikanter Marker-Substanzen wurden im ersten Schritt screening-Verfahren unter Einsatz der komprehensiven zweidimensionalen Gaschromatographie gekoppelt an ein Quadrupol-Massenspektrometer (GCxGC-MS) zur Analyse dieser Matrices angewendet. Durch Abgleich mit analytischen Standards konnten die zyklischen flüchtigen Methylsiloxane (engl. cyclic volatile methylsiloxanes, cVMS) Octamethylcyclotetra (D4)-, Decamethylcyclopenta (D5)- und Dodecamethylcyclohexasiloxan (D6) eindeutig identifiziert werden. Im zweiten Schritt, wurden eine sensitive GC-MS-Methode auf Basis der large volume-Injektionstechnik zur Quantifizierung von cVMS in Vollblut entwickelt. Im Gegensatz zu den Vollblutproben der Kontrollperson und der Patienten mit intakten SBI, bei denen überwiegend Siloxan-Konzentrationen unterhalb der Bestimmungsgrenzen bzw. überhaupt nicht nachgewiesen werden konnten, wurden in den Vollblutproben der Patienten mit defekten SBI unterschiedlicher Hersteller Siloxan-Konzentrationen bis zu 0,57 ng D4/g Vollblut und 0,16 ng D6/g Vollblut detektiert. Nach Vergleich mit dem intraoperativen Implantatbefund lässt sich festhalten, dass es bei den mittels LVI-GC-MS analysierten 24 Fällen mit diesem Multikomponenten-Marker und unter Einhaltung der angegebenen Grenzwerte nur vier Fehldiagnosen gab. Dies entspricht einer Fehlerquote der entwickelten analytischen Diagnostikmethode von 17 % und ist damit um den Faktor 3 präziser als die Mammasonographie (Fehlquote 46 %).In April 2010, it was announced that SBI from the manufacturer “Poly Implant Prothèse” and “Rofil Medical Nederland B.V.” include industrial- instead of medical-grade silicone gel. Compared to silicone breast implants (SBI) from manufacturers such as Allergan and Mentor higher rupture tendencies, gel-bleeding rates and cyclic volatile methylsiloxanes (cVMS) concentrations are reported. To date, imaging methods, like mamma sonography (SONO) and magnetic resonance imaging (MRI), are used as diagnostic tool for detection of defect SBI. For logistic and cost reasons SONO, which is less precious than the “gold standard” MRI, is the commonly used clinical method.
Under this point of view, it would be advantageous to establish a cost-effective, non-invasive and sensitive method for the identification of ruptured implants.
Therefore, silicone-gel of SBI and human samples of women with intact and ruptured SBI, like capsular tissue and blood, were investigated after dichloromethane extraction. In a first step screening-methods using comprehensive two-dimensional gas chromatography coupled to a quadrupole mass spectrometer (GCxGC/MS) were applied to identify significant marker substances in these human matrices. In a second step, a sensitive method based on large volume injection-GC/MS was developed to quantify cVMS in human blood. In contrast to women with intact SBI in blood of women with ruptured SBI higher octamethylcyclotetra-siloxane- (D4) and dodecamethylcyclohexasiloxane (D6)-concentrations up to 0.57 ng D4/g and 0.16 ng D6/g blood could be analyzed. With concentrations above 0.18 ng D4/g and 0.10 ng D6/g blood as significant criteria, this developed analytical method for the identification of ruptured SBI shows a three-times higher precision (error rate 17 %) than SONO (error rate 46 %)
Thin-Film SOI Photodetector Development and Investigation
No full textIn der vorliegenden Arbeit wird die Eignung einer Dünnfilm-SOI CMOS-Technologie zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung untersucht. Die Detektion von Strahlung in dieser Technologie wird durch drei technologiespezifische Aspekte geprägt. Diese sind die relativ dünne Siliziumschicht, der dadurch erzwungene laterale Aufbau von Photodetektoren und die elektrische Steuerung der Photo-detektoren durch das sogenannte Back-Gate. Da bisher keine Erkenntnisse über die Eignung einer Dünnfilm-SOI-Technologie zur Anwendung im Bereich Einzelphoton-Detektor vorliegen, wird dieser Aspekt zusätzlich untersucht.
Das elektrische und optische Verhalten von pin-Photodioden wird betrachtet. Beim elektrischen Verhalten sind der Dunkelstrom und das Durchbruchverhalten wichtige Parameter. Der Dunkelstrom wird in Abhängigkeit der Dotierung, der Geometrie und der Temperatur der pin-Photodiode untersucht. Zum Verständnis der Entstehung des Dunkelstroms wird ein Modell zu dessen Beschreibung entwickelt.
Das Durchbruchverhalten wird mit Hilfe von elektrischen Messungen und numerischen Simulationen untersucht. Dabei wird besonders der Einfluss des Back-Gates betrachtet. Schließlich wird die pin-Photodiode als Einzelphoton-Detektor betrieben und charakterisiert.
Aufgrund der geringen Dicke des Siliziums und der Absorption der Siliziumnitrid-Passivierung ist die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die detektiert werden kann, auf den ultravioletten Spektralbereich beschränkt.
Der Dunkelstrom der pin-Photodiode ist, verglichen mit Dioden der Standard CMOS-Technologie, geringer, insbesondere wenn die Temperatur des Bauelements erhöht wird. Der dominante Beitrag zum Dunkelstrom der pin-Photodiode ist die thermische Generation an den Grenzflächen zwischen Silizium und Siliziumdioxid. Sowohl die Generation als auch die Temperaturabhängigkeit werden gut durch das entwickelte Modell beschrieben.
Beim Betrieb der pin-Photodiode als Einzelphoton-Detektor kommt es zum Walk-Out-Effekt. Dieser Effekt verursacht ein instabiles Verhalten, welches durch Generation von elektrisch aktiven Ladungen an den Grenzflächen zwischen Silizium und Siliziumdioxid entsteht. Die Generation der Ladungen wird durch das elektrische Feld bestimmt, welches von den Potentialen an den Elektroden der pin-Photodiode abhängt.
Aufgrund des Walk-Out-Effekts können die Parameter eines Einzelphoton-Detektors, die Dunkelzählrate und die Photon-Detektionseffizienz, nur mit einer großen Unsicherheit bestimmt werden. Zur weiteren Untersuchung dieser Parameter wird ein bestehendes Modell für die Anwendung in der SOI CMOS-Technologie weiterentwickelt. Dadurch wird die theoretisch erreichbare Photon-Detektionseffizienz bestimmt und ein Weg aufgezeigt, wie diese erhöht werden kann.
Diese Untersuchungsergebnisse zeigen, wie die pin-Photodiode optimiert werden kann. Der Dunkelstrom kann reduziert werden, wenn die Generation an den Grenzflächen zwischen Silizium und Siliziumdioxid reduziert wird. Darüber hinaus kann das Modell zur Beschreibung des Dunkelstroms erweitert und verbessert wer-den. Für den Betrieb als Einzelphoton-Detektor muss der Walk-Out-Effekt gemindert oder vollständig unterdrückt werden.The topic of this thesis is the investigation of a thin-film SOI CMOS technology with respect to the detection of electromagnetic radiation. Three technology specific aspects influence the detection of radiation. They are the relatively thin silicon layer, the lateral orientation of photodetectors resulting from this small layer thickness and the so called back-gate which allows an additional electrical control of the photodetector. Furthermore the possibility to use thin-film SOI photodetectors as single-photon detectors will be investigated to extend the usability of this technology.
The electrical and optical performance of pin-photodiodes is investigated in this work. Dark current and the breakdown behavior are the most important parameters concerning the electrical performance. The dependence of the dark current with re-spect to doping concentration, geometry, and temperature is considered. An analytical model is developed in order to investigate the origin of the dark current.
Electrical measurements and numerical simulations, especially considering the influence of the back-gate potential, are used to investigate the breakdown of the pin-photodiodes. Finally these diodes are operated as single-photon detectors and characterized.
A small silicon thickness and the silicon-nitride passivation are the limiting factors with respect to the detectable wavelength of the electromagnetic radiation. An effective detection is only possible for ultraviolet radiation.
The dark current of the pin-photodiode is smaller compared to bulk CMOS diodes. This is particularly true if the device temperature is increased above room temperature. The major contribution to the dark current is the generation current at the silicon to silicon dioxide interface. Both, the magnitude of the current and the temperature dependence, are well described by the model which is developed for the pin-photodiode.
The walk-out-effect sets in when the pin-photodiode is in operation as single photon-detector. This effects result in an unstable breakdown voltage due to generation of electrically active interface states at the interface silicon to silicon dioxide. The electric field is the driving force for the interface state creation.
The walk-out-effect hinders a reliable characterization of the dark count rate and the photon detection efficiency. Therefore a model based on bulk CMOS diodes is ex-tended in order to be used for SOI pin-photodiodes in operation as single-photon detectors and investigate the photon detection efficiency theoretically. This model is used to enhance the pin-photodiode photon detection efficiency.
The results of this work reveal the possibilities to improve the SOI pin-photodiode. The dark current can be reduced by improvement of the silicon-silicon dioxide interfaces. Further the dark current model may be extended and optimized. To allow for the use of pin-photodiodes as single-photon detector the walk-out-effect has to be reduced or completely suppressed
Optimization and Modelling of Semiconductor Devices in a 0.35 µm CMOS High Temperature Technology
No full textDie vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Optimierung und Modellierung von Bauelementen in einer 0,35 μm-CMOS-Technologie, die speziell für den Betrieb in einem erweiterten Temperaturbereich von −40 ℃ bis 250 ℃ vorgesehen ist. Bei dieser Technologie handelt es sich um eine Weiterentwicklung einer 1 μm-Technologie, die in weiten Teilen der Prozessierung modifiziert wurde. Durch die geringe Strukturbreite lassen sich komplexere Schaltungen und eine höhere Packungsdichte realisieren. Die Herstellung erfolgt in einer Dünnfilm-SOI-Technologie, die gegenüber einer üblicherweise verwendeten Bulk-Technologie deutliche Vorteile beim Hochtemperaturbetrieb bietet.
Die zahlreichen Veränderungen in der neuen Technologie erforderten zunächst die Anpassung des elektrischen Verhaltens verschiedener Bauelemente an die gesetzten Spezifikationen. Dazu gehörte die Charakterisierung und die Parameterextraktion des verkleinerten Transistortyps. Die Optimierung des Durchbruchverhaltens einer Diode, die zum Schutz vor Überspannungspulsen eingesetzt wird, konnte durch die Anpassung der Dotierstoffkonzentrationen erreicht werden. Ebenfalls konnte eine Steigerung der Spannungsfestigkeit eines Hochspannungstransistors erzielt werden, indem u. a. der Avalanche-Effekt durch einen besseren Kanalanschluss vermieden wurde. Neben der Optimierung des elektrischen Verhaltens wurde auch das Zuverlässigkeitsverhalten der Bauelemente verbessert. Hierzu gehörte die Optimierung der Oxidqualität, welche durch Getterung von Kontaminationsatomen signifikant gesteigert werden konnte. Weiterhin konnte auch das Zuverlässigkeitsverhalten der Speicherzellen (EEPROM), welches durch die beiden Aspekte der Datenwechselstabilität und des Datenerhalts beschrieben wird, durch geometrische Veränderungen und Abschirmung der Zelle verbessert werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Arbeit war die Entwicklung von Simulationsmodellen bestimmter Bauelemente in einem breiten Temperaturbereich. Zum einen konnte das elektrische Verhalten von Dioden bei Temperaturen zwischen −40 ℃ und 300 ℃ durch ein Makromodell genau nachgebildet werden. Zum anderen konnten die Datenwechselstabilität und der Datenerhalt der Speicherzelle bis zu einer Temperatur von 450 ℃ mithilfe eines Modells korrekt wiedergegeben werden. Die Modelle werden verwendet, um eine Vorhersage über das Verhalten von Bauelementen bei unterschiedlichen Temperaturen zu treffen, dienen als Hilfsmittel zur Optimierung der Bauelemente und sind für die Simulation von Schaltungen notwendig.
Weiterhin wurden in der vorliegenden Arbeit neue Bauelemente vorgestellt, die vor allem für den Einsatz in einem breiten Temperaturbereich konzipiert sind. So wurde eine Schutzstruktur vor Überspannungspulsen vorgeschlagen, die bei einer Betriebsspannung von 3,3 V und einer Temperatur bis 250 ℃ eingesetzt werden soll. Dazu wurde entweder der Punch-Through- oder der Floating-Body-Effekt ausgenutzt, um das Bauelement ab einer bestimmten Spannung in den Leitungszustand zu versetzen. Für den Betrieb eines Hochspannungstransistors wurde in dieser Arbeit eine Bauweise vorgeschlagen, die es ermöglicht, die transistorspezifischen Eigenschaften, wie die Schwellenspannung oder den Leckstrom, in Abhängigkeit der Temperatur deutlich zu verbessern.
Somit wurden in dieser Arbeit verschiedene kritische Bereiche einer CMOS-Technologie behandelt, die sich beim Hochtemperaturbetrieb ergeben. Dazu wurden Optimierungen im Bezug auf das elektrische Verhalten bzw. die Zuverlässigkeit vorgeschlagen und neue Bauelemente entwickelt, die vor allem für den Betrieb bei hohen Temperaturen ausgelegt sind. Zusätzlich wurden Simulationsmodelle für den erweiterten Temperaturbereich entwickelt, die nicht zuletzt zur Optimierung der Bauelemente beitragen.The present work focuses on the optimization and modeling of devices from a 0.35 μm technology developed for the operation in a wide temperature range from −40 ℃ up to 250 ℃. This technology is a further development of a 1 μm high temperature technology with various modifications in the processing flow. The shrink of the technology node allows to process more complex integrated circuits with a higher device density. For the wide temperature range, a thin film SOI technology is utilized that shows substantial benefits compared to the commonly used bulk technology.
The numerous changes in the new technology require adjustment of the electric behavior of different devices to fulfill the specifications. Within the framework of this study one of the tasks was the characterization and the parameter extraction of the downsized transistor type. Further the breakdown behavior of a diode used for ESD protection was optimized by adapting the doping concentration. The breakdown voltage of a high voltage transistor was enhanced by a proper biasing of the channel area. Besides the optimization of the electric behavior the reliability of the devices was improved as well. For this purpose, the oxide quality was optimized by gettering contaminants. Furthermore the reliability of the memory cells (EEPROM) that can be described by the retention and endurance behavior was increased by geometrical optimization and a better isolation of the cell.
In addition, simulation models were developed for specific devices to characterize the electric behavior in a wide temperature range. The characteristics of two different diodes at temperatures between −40 ℃ and 300 ℃ were simulated by a macro model. The endurance and retention behavior of a memory cell was also described by a macro model for temperatures up to 450 ℃. The models are used to predict the behavior of the devices at different temperatures, serve as auxiliary tools to optimize the devices and are also used for circuit simulations.
Furthermore, new devices are developed in the present work to enable the operation in a wide temperature range. An ESD device is proposed to protect circuits with a low operating voltage of 3.3 V for temperatures up to 250 ℃. For this purpose, the punch through or floating body effect is used to bring the device in a conduction state at a certain trigger voltage. For the operation of high voltage transistor a new design is proposed, which allows to improve the transistor specific properties (for example leakage current or threshold voltage) at high temperatures.
In summary, different critical parts of a CMOS technology designed for high temperature applications are investigated in this work. Optimizations with respect to the electric behavior and the reliability are proposed and new devices are developed to improve the performance at high temperatures. Additionally, simulation models are proposed to allow an accurate description of the electrical device behavior in a wide temperature range and which can also be used to optimize the device performance
Dihydroartemisinin ist ein Hypoxie-aktives Antitumormittel, welches den zytotoxischen Effekt einer Strahlentherapie verbessern kann
No full textThe microenvironment of solid tumors is mostly characterized by regions of acute and chronic hypoxia which are known to decrease sensitivity of tumor cell to classical chemotherapy and radiotherapy. Here is proposed a novel strategy to overcome therapy resistance of solid tumor cells under acute hypoxia and to increase the efficacy of radiotherapy by using the radical-forming endoperoxide Dihydroartemisinin (DHA) that is known as anti-malaria drug and has only recently been shown to have antineoplastic activity. Aim of the current study was to evaluate the antineoplastic activity of DHA under normoxic and hypoxic conditions, to elucidate the importance of the intrinsic apoptotic pathway for drug activity in both conditions, and to study its potential to improve the cytotoxic action of ionizing radiation.
The cytotoxic effects of DHA were evaluated in colon cancer cells (HCT15, Colo205 and HCT116) and Jurkat T-lymphoma cells using short term and long term assays. For combined treatment, ionizing radiation was applied 10 minutes after DHA treatment.
In normoxia, DHA efficiently induced concentration- and time-dependent apoptosis in Jurkat and colon cancer cells. The cells were also sensitive to DHA-induced apoptosis in hypoxia. Combination treatment with XRT increased clonogenic death in HCT116 cells.
All together findings of the current work suggest that DHA may be a good candidate for the treatment of hypoxic human tumors characterized by apoptosis resistance and for combined treatment with ionizing radiation.Das Mikromilieu solider Tumore ist häufig durch Areale akuter und chronischer Hypoxie gekennzeichnet, welche die Sensitivität von Tumorzellen gegenüber klassischer Chemo- und Radiotherapie verringern. In der vorliegenden Arbeit sollte eine neuartige Strategie untersucht werden, um einer Therapieresistenz solider Tumorzellen bei akuter Hypoxie entgegen zu wirken. Aus früheren Arbeiten ist bekannt, dass das in der Malaria-Prophylaxe verwendete radikalbildende Endoperoxid Dihydroartemisinin (DHA) antineoplastische Aktivität zeigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nun untersucht, welchen antineoplastischen Effekt DHA in Normoxie bzw. Hypoxie zeigt, welche Bedeutung dem intrinsischen Apoptoseweg für die zytotoxische Wirksamkeit von DHA zu kommt und welches Potential DHA besitzt, um die Zytotoxizität durch ionisierende Strahlung (XRT) zu verbessern.
Um dies zu untersuchen, wurde die zytotoxische Wirksamkeit von DHA in Kurzzeit-Assays und Langzeit-Assays in Kolonkrebszelllinien (HCT15, Colo205 und HCT116) und Jurkat T-Lymphomzellen betrachtet. Bei einer kombinierten Behandlung von DHA und XRT erfolgte die Bestrahlung 10 min nach DHA Gabe.
Unter normoxischen Bedingungen induzierte die Behandlung mit DHA eine konzentrations- und zeitabhängige Apoptose in Jurkat- und Kolonkrebszellen. Des Weiteren waren die Zellen unter hypoxischen Bedingungen sensitiv gegenüber der DHA-induzierten Apoptose. Eine kombinierte Behandlung von HCT116 mit XRT und DHA führte in Normoxie zu einem verstärkten klonogenen Tod.
Insgesamt zeigt die Arbeit, dass DHA ein potentieller Kandidat für die Behandlung hypoxischer Tumore alleine und in Kombination mit Bestrahlung ist
Mathematizing word problems by using algebra
No full textDas Ziel schulischen Algebraunterrichts umfasst zwei Aspekte. Einerseits sollen Schülerinnen und Schüler sicher Terme und Gleichungen umformen können, sie sollen eine operationale Sicht auf algebraische Objekte entwickeln. Andererseits sollen sie vor allem eine relationale Sicht entwickeln, die es ihnen erlaubt, Termstrukturen zu erkennen und Algebra zur Klärung und Lösung von Sachsituationen einzusetzen. Die Frage nach der Rolle des Wechselspiels zwischen relationaler und operationaler Sicht beim Algebraisieren von Sachkontexten steht im Zentrum dieser Arbeit. Im Rahmen einer qualitativen Studie mit explorativem Charakter werden Lösungswege von Schülerinnen und Schüler zum Algebraisieren eines Sachkontexts konsequent auf die Erfassung der beiden Sichtweisen und dem Perspektivwechsel zwischen ihnen analysiert.
Die Ergebnisse bestätigen zum einen Erkenntnisse aus anderen Studien und geben zum anderen einen Einblick, an welchen Stellen im Lernprozess die Fixierung auf eine Sichtweise und der fehlende Wechsel zu Hürden beim Algebraisieren von Sachkontexten werden können. Bestimmte Schreibweisen und Zugänge begünstigen die eine oder andere Sichtweise auf mathematische Objekte. Die Arbeit zeigt deutlich, wie wichtig es ist, Lernumgebungen zum Algebraisieren von Sachkontexten zu schaffen und so zu gestalten,
dass der Wechsel zwischen relationaler und operationaler Sicht bewusst gemacht und eingefordert wird, so dass er als langfristige Strategie verfügbar wird.The aim of teaching and learning algebra at school covers two important aspects. On the one hand students have to be able to transform expressions and equations fluently, they have to gain an operational perspective on algebraic objects. On the other hand students should develop a relational perspective, which enables them to recognize structures in algebraic expressions and to use algebra when modelling and solving contextual problems. This study distinguishes itself from previous ones through a consequent comparison of both algebraic perceptions – the operational and relational one - and the investigation of the procedure of switching between those two when mathematizing word problems by using algebra. In the frame of an explorative qualitative study students` solutions are analysed with regard to both perspevtives – relational and operational - and switching between them
Optimierung der Anwendung von 7 Tesla Ultrahochfeld Magnetresonanztomographie HF-Spulen durch EM-Feldsimulation
No full textDie Magnetresonanztomographie (MRT) erfordert ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Komponenten, deren Optimierung sich gegenseitig beeinflusst. Dabei spielen traditionelle Konzepte, wie Oberflächenspulen und Volumenspulen, als auch neuere Ansätze, wie Phased-Array-Spulen, mit 8-32 Elementen eine wichtige Rolle.
Zu Beginn des vorgestellten Promotionsprojektes waren nur wenige kommerzielle MRT-Spulen für den Ultrahochfeld (UHF) Bereich verfügbar, sodass ein wichtiges Gesamtziel innerhalb der Arbeitsgruppe in der Entwicklung von UHF Multielemente-Spulen bestand. Es zeigte sich schnell, dass die Vorgehensweise bei der Optimierung der MRT-Spulen über Versuch und Irrtum mühsam, langwierig und fehlerbehaftet war. Daher sollte der Aspekt der computergestützten elektromagnetischen Feldsimulation (EM-Feldsimulation) von MRT-Spulen realisiert werden. Mithilfe von Simulationssoftware kann die Verteilung der elektromagnetischen Felder simuliert und als Grundlage zur Optimierung der Spulenarchitektur genutzt werden. Dabei ist der Einfluss verschiedener Simulationsparameter auf einige wichtige Performance-Kriterien von MRT-Spulen, wie eine möglichst homogene Feldverteilung, eine hohe Güte und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von Bedeutung. Für die Simulation im UHF-Bereich ist außerdem die Integration von Körpermodellen als Last erforderlich, da die Verkürzung der Wellenlänge innerhalb des Objektes zu inhomogenen Feldverteilungen führt. Die Körpermodelle ermöglichen zudem die Berechnung der spezifischen Absorptionsrate (SAR).
Für einen gezielten Einsatz von EM-Feldsimulationssoftware ist ein grundlegendes Verständnis der Feldtheorie und der numerischen Feldsimulation von Bedeutung. Diese Grundlagen werden zu Beginn der vorliegenden Arbeit dargestellt. Die Genauigkeit der EM-Feldsimulation hängt von verschiedenen Parametern ab, die im weiteren Verlauf der Arbeit genauer untersucht und optimiert werden. Entscheidend sind u. a. die Auflösung des zu simulierenden Bereiches, die Modellierung der MRT-Spulen und ihrer Umgebung sowie die Auflösung der Körpermodelle und die zugehörigen Materialparameter. Außerdem sollte eine EM-Feldsimulation in einem angemessenen Zeitrahmen durchgeführt werden können. Daher wurde untersucht, wie diese möglichst zeiteffizient umgesetzt werden kann und welche Restriktionen bei der Genauigkeit der Ergebnisse hingenommen werden müssen. Weiterhin ist eine Prozedur erforderlich, wie die Simulation experimentell validiert werden kann. Dies ergibt eine komplexe Vorgehensweise bei der Erstellung und Durchführung einer EM-Simulation im UHF-MRT-Bereich. Auf Basis der durchgeführten Arbeiten wird ein Workflow vorgestellt. Dieser wird als adaptiver 3D Co-Simulationsprozess bezeichnet und beschreibt die systematische Entwicklung und Evaluierung von MRT-Spulen mithilfe von EM-Feldsimulations-software sowie deren Einsatz für umfangreiche Simulationsstudien. Im Anschluss wird der entwickelte Workflow für die Durchführung einer komplexen SAR-Studie eingesetzt. Der vorgestellte optimierte Workflow soll zur Entwicklung zukünftiger Standards bei der Anwendung von EM-Feldsimulation im Bereich der UHF-MRT beitragen.Magnetic resonance imaging (MRI) requires a complex interaction of various components, their optimization influences each other. Therefore traditional concepts, such as surface coils and volume coils, as well as more recent approaches such as phased array coils with 8-32 elements play an important role.
At the beginning of the presented project only few commercial MRI radio frequency (RF) coils were available at ultra-high field (UHF). An important overall objective within the working group was the development of UHF multi element coils. It quickly became apparent that the process to the MRI RF coil optimization through trial and error was laborious, protracted and error prone.
Therefore, the aspect of the computer-assisted electromagnetic field simulation (EM field simulation) of MRI RF coils should be realized. By using simulation software the distribution of the electromagnetic fields can be simulated, which serves as a basis for optimization of the RF coil architecture. The influence of different simulation parameters on some important performance criteria of MRI coils is of importance, such as a homogeneous field distribution, a high quality and a high signal-to-noise ratio (SNR). The integration of human body models as load is required for simulation at UHF MRI, since the shortening of the wavelength leads to inhomogeneous field distributions within the object. The body models enable the calculation of the specific absorption rate (SAR).
A basic understanding of field theory and numerical simulation is significant for a focused application of EM field simulation software. These principles will be presented at the beginning of the present work. The accuracy of the EM field simulation depends on various parameters, which are precisely examined and optimized in the progress of the work. Crucial are the resolution of the simulated area, the modeling of MRI RF coils and their surroundings as well as the resolution of the body models and related material parameters. Furthermore, an EM field simulation should be performed in a reasonable time frame. Thus, it was examined how this can be realized time-efficiently and what restrictions in accuracy of results have to be accepted. Furthermore a procedure is needed that validates the simulation experimentally. This leads into a complex procedure for the preparation and implementation of an EM simulation at UHF MRI. Based on the results of this work a workflow will be presented. It will be designated as adaptive 3D co-simulation process and describes the systematic development and evaluation of MRI RF coils using EM field simulation software and its use for extensive simulation studies. Following the developed workflow is used for performing a complex SAR study. The presented optimized workflow should contribute to the development of future standards for the application of EM field simulation at UHF MRI