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Image-guided irradiation setups for small animal studies
No full textStrahlung spielt in der modernen Medizin eine zentrale Rolle, insbesondere bei der Behandlung von Krebs durch Strahlentherapie. Fortschritte in diesem Bereich sind in hohem Maße von einem translationalen Forschungsprozess abhängig, bei dem Erkenntnisse aus präklinischen Studien – sowohl in vitro als auch in vivo – weiterentwickelt und verfeinert werden, bevor sie im klinischen Umfeld angewendet werden. In diesem Zusammenhang ist eine qualitativ hochwertige In-vivo-Forschung unerlässlich, um die Kluft zwischen den Erkenntnissen aus dem Labor und der klinischen Anwendung zu überbrücken. Ein wachsender Schwerpunkt in der Radioonkologie ist die Protonentherapie, die aufgrund ihrer günstigen Dosisverteilung deutliche Vorteile bietet. Da der größte Teil der Strahlungsenergie in einer bestimmten Tiefe (dem Bragg-Peak) deponiert wird, ermöglicht die Protonentherapie
eine wirksame Ausrichtung auf den Tumor, während das umliegende gesunde Gewebe im Vergleich zur herkömmlichen Photonentherapie besser geschont wird. Um diese Vorteile in die klinische Praxis zu übertragen, ist es von entscheidender Bedeutung, offene Forschungsfragen zur Protonenbehandlung in kontrollierten experimentellen Umgebungen zu verstehen und zu untersuchen. Eine Schlüsselkomponente dieses translationalen Weges ist die Verwendung von bildgesteuerten Bestrahlungseinrichtungen, die eine präzise und reproduzierbare Verabreichung von Strahlendosen in Mausmodellen ermöglichen, die klinischen Szenarien sehr ähnlich sind.
Das Ziel des ersten Teils dieser Arbeit war die Einrichtung eines bildgesteuerten Protonenbestrahlungsaufbaus der ersten Generation für hochpräzise präklinische Studien an Kleintieren. Dieser präklinische Versuchsaufbau für die Bestrahlung des Gehirns von Kleintieren unter Verwendung von Protonenradiographien wurde zur Planung, Repositionierung und Bestrahlung von Mäusen errichtet. Die Bildqualität der Protonenradiographien wurde im Hinblick auf die Auflösung, das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis und die minimale Dosisdeposition im Tier optimiert. Anschließend wurde die histologische Analyse durch Färbung auf Desoxyribonukleinsäure-Doppelstrangbrüche durchgeführt, die dann mit der verabreichten Dosis korreliert wurden. Der entwickelte Aufbau und Arbeitsablauf ermöglicht eine präzise Bestrahlung des Gehirns mit einer seitlichen Zielpositionierungsgenauigkeit von < 0.26 mm für In-vivo-Experimente bei einer minimalen Bildgebungsdosis von < 23 mGy pro Maus. Die maßgeschneiderte Software für die Bildregistrierung ermöglicht die schnelle und präzise Positionierung der Tiere am Strahl bei geringer Beobachtervariabilität. Die Färbung von Desoxyribonukleinsäureschäden bestätigte die erfolgreiche Positionierung und Bestrahlung des Hippocampus der Maus. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Protonenradiographie eine schnelle und effektive, hochpräzise seitliche Ausrichtung des Protonenstrahls und des Zielvolumens in Bestrahlungsexperimenten an Mäusen mit begrenzter Dosisbelastung ermöglicht. Dies wird in Zukunft die Bestrahlung größerer Tierkohorten sowie die fraktionierte Protonenbestrahlung ermöglichen.
Als Folgemaßnahme wurde ein Bestrahlungsaufbau mit Vor-Ort-Bildgebung in Form einer Kegelstrahl-Computertomographie geschaffen, um die Positionierungsgenauigkeit zu verbessern und gleichzeitig speziell auf Protonen- und Photonentherapien zugeschnitten zu sein. Das SAPPHIRE-Projekt (Small Animal Proton and PHoton Image-guided Radiation Experiments (dt. Experimente mit bildgesteuerter Protonen- und Photonenbestrahlung an Kleintieren)) stellt die Installation des SmART+ IB-Geräts vor, welches speziell für präklinische bildgesteuerte Protonen- und Photonentherapieexperimente am OncoRay konzipiert wurde. Monte Carlo-Simulationen wurden durchgeführt, um alle erforderlichen Komponenten des Aufbaus zu entwickeln und zu optimieren. Neben der Auswahl eines optimierten Kegelstrahl-Computertomographiebildgebungsprotokolls mit niedriger Dosis und ausreichender Bildqualität wurde eine umfassende dosimetrische Charakterisierung der Photonen- und Protonenstrahlen durchgeführt, die in die µRayStation-Software zur Bestrahlungsplanung implementiert wurde. Außerdem bildete die Erstellung verschiedener heuristischer Kalibrierkurven die Grundlage für die Dosisberechnungen der Protonenbestrahlung. Um eine präzise Protonenbestrahlung zu gewährleisten, wurde ein Qualitätssicherungsverfahren unter Verwendung eines speziell angefertigten Phantoms sowie spezieller dosimetrischer Methoden sowohl für die Photonen- als auch für die Protonenbestrahlung entwickelt. Ein Ende-zu-Ende-Test mit einem Mausphantom wurde durchgeführt, um alle Schritte während der Mausbehandlung zu überprüfen. Durch die Integration dieser Fähigkeiten schlägt SAPPHIRE eine Brücke zwischen präklinischen Untersuchungen
und potenziellen klinischen Anwendungen und bietet eine Plattform für die translationale radiobiologische Forschung und Fortschritte in der Krebstherapie.:1 Introduction 1
2 Background 5
2.1 Course of patient treatment in radiotherapy 5
2.2 Course of mouse treatment 6
2.2.1 Existing small animal irradiation devices 6
2.2.2 Imaging 8
2.2.3 Treatment planning 11
2.2.4 Quality assurance 12
2.2.5 Irradiation 15
2.3 Small animal image-guided photon irradiation at OncoRay 19
3 Establishment of first-generation image-guided proton irradiation setup for high-precision preclinical studies in small animals at OncoRay 21
3.1 Irradiation setup 21
3.2 Proton radiography image acquisition 22
3.3 Irradiation workflow 26
3.3.1 Planning 26
3.3.2 Positioning 29
3.3.3 Irradiation 30
3.4 Biological verification 31
3.5 Further workflow improvements 33
3.6 Discussion 35
4 Establishment of Small Animal Proton and PHoton Image-guided Radiation Experiments – SAPPHIRE 39
4.1 Beamline setup 40
4.1.1 Imaging and treatment device SmART+ IB 40
4.1.2 Optimization of beamline components 41
4.2 Imaging using cone beam computed tomography 43
4.2.1 Cupping effect 45
4.2.2 Imaging dose 45
4.2.3 Image stability over time 46
4.2.4 Influence of the animal box on imaging 46
4.3 Photon beam model 46
4.3.1 Physical beam characterization 46
4.3.2 Implementation in µRayStation as planning software 48
4.3.3 Experimental validation 51
4.4 Proton beam model 55
4.4.1 Physical beam characterization 55
4.4.2 Hounsfield lookup tables 57
4.4.3 Implementation in µRayStation as planning software 59
4.4.4 Experimental validation 59
4.5 Quality assurance 62
4.5.1 Dosimetry for photons 65
4.5.2 Dosimetry for protons 66
4.5.3 Positioning protocol and phantoms 70
4.6 End-to-End test for preclinical mouse irradiation 72
4.6.1 Photon irradiation 73
4.6.2 Proton irradiation 74
4.7 Discussion 77
5 Summary 83
6 Zusammenfassung 85Radiation plays a central role in modern medicine, particularly in the treatment of cancer through radiotherapy. Advancing this field relies heavily on a translational research process, where findings from preclinical studies – both in vitro and in vivo – are developed and refined before being applied in clinical settings. In this context, enabling high-quality in vivo research is essential for bridging the gap between laboratory insights and clinical application. A growing focus in radiation oncology is proton therapy, which offers distinct advantages due to its favorable dose distribution. By depositing most of the radiation energy at a specific depth (the Bragg peak), proton therapy enables effective tumor targeting while better sparing surrounding healthy tissue compared to conventional photon therapy. To translate these benefits into clinical practice, it is crucial to understand and investigate open research questions regarding proton treatment in controlled experimental environments. One key component of this translational pathway is the use of image-guided irradiation setups, which allow for precise and reproducible delivery of radiation doses in mouse
models, closely mimicking clinical scenarios.
The aim of the first part of this thesis was the establishment of a first-generation image-guided proton irradiation setup for high-precision preclinical studies in small animals. This preclinical experimental setup for small animal brain irradiation using proton radiographies was established to perform planning, repositioning, and irradiation of mice. The image quality of proton radiographies was optimized regarding the resolution, contrast-to-noise ratio, and minimal dose deposition in the animal. Subsequently, proof-of-concept histological analysis was conducted by staining for deoxyribonucleic acid double-strand breaks that were then correlated to the delivered dose. The developed setup and workflow allow precise brain irradiation with a lateral target positioning accuracy of < 0.26 mm for in vivo experiments at minimal imaging dose of < 23 mGy per mouse. The custom-made software for image registration enables the fast and precise animal positioning at the beam with low observer-variability. Deoxyribonucleic acid damage staining validated the successful positioning and irradiation of the mouse hippocampus. In conclusion, proton radiography enables fast and effective high-precision lateral alignment of proton beam and target volume in mouse irradiation experiments with limited dose exposure. In the future, this will enable irradiation of larger animal cohorts as well as fractionated proton irradiation.
As a follow up, a setup with on-site cone beam computed tomography imaging was established to improve positioning accuracy while being specifically tailored to proton and photon therapies. The SAPPHIRE (Small Animal Proton and PHoton Image-guided Radiation Experiments) project presents the installation of the small animal radiation therapy integrated beamline (SmART+ IB) designed for preclinical image-guided proton and photon therapy experiments at OncoRay. Monte Carlo simulations were performed to optimize and build all necessary setup components. Besides selecting an optimized low dose cone beam computed tomography imaging protocol with sufficient image quality, a comprehensive dosimetric characterization of the photon and proton beams was conducted, which was implemented in µRayStation software for treatment planning. Besides that, the creation of different Hounsfield lookup tables set the basis for dose calculations of proton irradiation. To ensure precise proton beam delivery, a quality assurance procedure was established using a custom-built phantom, along with dedicated dosimetric methods for both photon and proton irradiation. An end-to-end test using a mouse phantom was conducted to verify all steps during mouse treatment. By integrating these capabilities, SAPPHIRE bridges preclinical investigations and potential clinical applications, offering a platform for translational radiobiology research and cancer therapy advancements.:1 Introduction 1
2 Background 5
2.1 Course of patient treatment in radiotherapy 5
2.2 Course of mouse treatment 6
2.2.1 Existing small animal irradiation devices 6
2.2.2 Imaging 8
2.2.3 Treatment planning 11
2.2.4 Quality assurance 12
2.2.5 Irradiation 15
2.3 Small animal image-guided photon irradiation at OncoRay 19
3 Establishment of first-generation image-guided proton irradiation setup for high-precision preclinical studies in small animals at OncoRay 21
3.1 Irradiation setup 21
3.2 Proton radiography image acquisition 22
3.3 Irradiation workflow 26
3.3.1 Planning 26
3.3.2 Positioning 29
3.3.3 Irradiation 30
3.4 Biological verification 31
3.5 Further workflow improvements 33
3.6 Discussion 35
4 Establishment of Small Animal Proton and PHoton Image-guided Radiation Experiments – SAPPHIRE 39
4.1 Beamline setup 40
4.1.1 Imaging and treatment device SmART+ IB 40
4.1.2 Optimization of beamline components 41
4.2 Imaging using cone beam computed tomography 43
4.2.1 Cupping effect 45
4.2.2 Imaging dose 45
4.2.3 Image stability over time 46
4.2.4 Influence of the animal box on imaging 46
4.3 Photon beam model 46
4.3.1 Physical beam characterization 46
4.3.2 Implementation in µRayStation as planning software 48
4.3.3 Experimental validation 51
4.4 Proton beam model 55
4.4.1 Physical beam characterization 55
4.4.2 Hounsfield lookup tables 57
4.4.3 Implementation in µRayStation as planning software 59
4.4.4 Experimental validation 59
4.5 Quality assurance 62
4.5.1 Dosimetry for photons 65
4.5.2 Dosimetry for protons 66
4.5.3 Positioning protocol and phantoms 70
4.6 End-to-End test for preclinical mouse irradiation 72
4.6.1 Photon irradiation 73
4.6.2 Proton irradiation 74
4.7 Discussion 77
5 Summary 83
6 Zusammenfassung 8
Entwicklung und Validierung eines Tests zur Erfassung der körperlichen Leistungsfähigkeit bei Senioren
No full textDer präventive und therapeutische Nutzen von regelmäßiger Bewegung und körperlicher Aktivität, um Einschränkungen der körperlichen Leistungsfähigkeit bei Senioren zu verhindern, ist unbestritten. Vor allem der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit fällt hierbei eine Schlüsselrolle zu. Die Grundlage zielgerichteter Trainingsinterventionen ist dabei eine korrekte Diagnostik der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit. Die Bestimmung der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit erfolgt dabei in der Regel mittels maximaler oder submaximaler Belastungstests. Hauptparameter ist dabei häufig die direkte oder indirekte Bestimmung der maximalen Sauerstoffaufnahme. Neben kosten- und zeitaufwändigen Tests auf dem Radergometer oder Laufband kommen dabei Steptests oder Stufensteigtests zur Anwendung. Die bisherigen Untersuchungen von Steptests fokussierten sich dabei vor allem auf die Anwendung bei jüngeren Probandenkollektiven. Nur wenige Publikationen betrachteten die speziellen Anforderungen an einen Steptest für Senioren. Dies betrifft vor allem die Belastungssteuerung und die Durchführung der Steigbewegung. Prinzipiell erfolgte die Belastungssteuerung bei Steptests über die Parameter Steighöhe, Schrittfrequenz und Stufendauer. Als Problemfeld bei Senioren können hier zu hohe kardiorespiratorische Einstiegsbelastungen bei hohen Steighöhen sowie defizitäre koordinative Fähigkeiten bei variablen Schrittfrequenzen ausgemacht werden. Die Diagnose und Quantifizierung einer alltagsrelevanten körperlichen Leistungsfähigkeit mittels Steptest beinhaltet somit neben Aussagen über die allgemeine Kraft- und Ausdauerfähigkeit auch Aussagen über koordinative Fähigkeiten.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Entwicklung und Validierung eines geeigneten Steptests zur Quantifizierung der körperlichen Leistungsfähigkeit bei Senioren. Dazu wurden im ersten Schritt verschiedene Teilstudien durchgeführt, um die methodischen Aspekte bestehender Tests zu überprüfen und im Hinblick auf das spezielle Probandenkollektiv anzupassen. Wesentliche Ergebnisse aus den ersten Teilstudien lesen sich wie folgt:
Für die Durchführung eines Steptests, insbesondere bei Senioren, sollte die intuitive Schrittfolge „rechts-links-rechts-links“ ausgewählt werden. Bei abweichender Schrittfolge ist keine relevante Veränderung der kardiorespiratorischen Parameter zu erwarten. Bei Fehlern in der Schrittfolge ist kein Testabbruch notwendig. Die Belastungssteuerung eines Steptests für Senioren sollte über die Steigerung der Stufenhöhe erfolgen. Die Nutzung des linearen Zusammenhangs zwischen Herzfrequenz und Belastung zur Berechnung der maximalen Sauerstoffaufnahme ist unabhängig von der Belastungssteigerung möglich. Die Blutlaktatkonzentration stellt aufgrund der hohen Variabilität keinen geeigneten Ergebnisparameter dar.
Nach Auswahl einer für Senioren geeigneten Methodik erfolgten die Validierung der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit und weitere Teilstudien zur Überprüfung von Einflussfaktoren sowie die Validierung alternativer Ergebnisparameter wie der Gleichgewichtsfähigkeit. Aus den Ergebnissen der einzelnen Teilstudien erfolgte abschließend die Beurteilung zur Durchführung eines Steptests zur Bestimmung der körperlichen Leistungsfähigkeit bei Senioren. Die wesentlichen Ergebnisse der abschließenden Teilstudien lauten wie folgt: Mehrstufige Steptests mit einer Belastungssteigerung über die Stufenhöhe eignen sich als reliable Testmethodik. Veränderungen der Herzfrequenz und der Sauerstoffaufnahme ab ±13 Schlägen bzw. ±6,5 ml min-1 kg-1 können als tatsächliche Veränderung angesehen werden. Mittels eines mehrstufigen Steptests lässt sich die maximale Sauerstoffaufnahme für ältere Probanden im Sinne eines einfachen Tests hinreichend genau bestimmen. Über die maximale Sauerstoffaufnahme als Bruttokriterium der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit hinaus zeigen sich zusätzlich gute Übereinstimmungen mit etablierten submaximalen Ergebniskriterien der kardiorespiratorischen Leistungsfähigkeit wie der PWC130. Die Ausprägung der Muskelkraft der unteren Extremitäten hat bei älteren Probanden keinen Einfluss auf die kardiorespiratorische Leistung im Steptest. Die Höhe der bewältigten Stepstufe kann jedoch als Prädiktor der Kraftfähigkeit im Hinblick einer Alltagstauglichkeit dienen. Eine höhere Muskelkraft als die für die Stepbewegung notwendige Muskelkraft hat keine Auswirkung auf die Gleichgewichtsfähigkeit. Unterschiedliche Ausprägungen der koordinativen Leistungsfähigkeit haben keinen wesentlichen Einfluss auf die kardio-respiratorische Leistungsfähigkeit, wenn die grundsätzliche Fähigkeit besteht, die Bewegungsanforderung des Steptests zu bewältigen.:Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis IV
Tabellenverzeichnis IX
Abkürzungsverzeichnis XII
1 Einleitung 1
2 Theoretische Grundlagen 4
2.1. Steptests 4
2.1.1 Physiologische Beanspruchung im Steptest 4
2.1.2 Steptestvarianten 7
2.1.3 Einflussfaktoren auf die physiologische Beanspruchung bei Steigbewegungen 12
2.2. Körperliche Leistungsfähigkeit 15
2.2.1 Leistungsfähigkeit im Alter 16
2.2.2 Messgrößen der körperlichen Leistungsfähigkeit 17
2.2.3 Maximale Sauerstoffaufnahme 24
2.2.4 Kardiorespiratorische Leistungsfähigkeit im Alter 26
2.2.5 Koordinative Leistungsfähigkeit in Steptests 30
2.2.6 Koordinative Leistungsfähigkeit im Alter 33
2.2.7 Kraftfähigkeiten im Alter 35
2.3. Objektivität, Reliabilität und Validität von Steptestverfahren 37
3 Teilstudien Überblick 46
3.1. Ableitung der Zielstellungen 46
3.2. Überblick 48
4 Allgemeine Methodik 51
4.1. Ein- und Ausschlusskriterien 51
4.2. Apparaturbesprechung 52
4.2.1 Anthropometrische Daten 52
4.2.2 Herzfrequenzmessung 52
4.2.3 Laktatanalyse 52
4.2.4 Spiroergometrie 53
4.2.5 Stepstufen 53
4.2.6 Metronom 54
4.2.7 Fahrradergometer 54
4.2.8 Laufband 54
4.2.9 RPE-Skala 55
4.3. Statistik 56
4.3.1 Deskriptive Statistik 56
4.3.2 Interferenzstatistik 56
5 Teilstudien 57
5.1. Teilstudie 1: Der Einfluss der Aufstiegstechnik auf die kardio-respiratorische Beanspruchung im mehrstufigen Steptest 57
5.1.1 Zielstellung 58
5.1.2 Spezielle Methodik 58
5.1.3 Ergebnisse Teilstudie 1A 62
5.1.4 Ergebnisse Teilstudie 1B 68
5.1.5 Diskussion Teilstudie 1A und 1B 73
5.2. Teilstudie 2: Der Einfluss der Belastungssteigerung auf die kardiorespiratorische Beanspruchung im mehrstufigen Steptest 76
5.2.1 Zielstellung 77
5.2.2 Spezielle Methodik 77
5.2.3 Ergebnisse Teilstudie 2A 80
5.2.4 Ergebnisse Teilstudie 2B 87
5.2.5 Diskussion Teilstudie 2A und 2B 92
5.3. Teilstudie 3: Reliabilität der physiologischen Parameter
beim Steptest 94
5.3.1 Zielstellung 94
5.3.2 Spezielle Methodik 95
5.3.3 Ergebnisse Teilstudie 3 98
5.3.4 Diskussion Teilstudie 3 102
5.4. Teilstudie 4: Validierung der körperlichen Leistungsfähigkeit im mehrstufigen Steptest bei jungen Erwachsenen und Senioren 105
5.4.1 Zielstellung 106
5.4.2 Spezielle Methodik 107
5.4.3 Ergebnisse Teilstudie 4A 111
5.4.4 Ergebnisse Teilstudie 4B+C+D 113
5.4.5 Diskussion Teilstudie 4 118
5.5. Teilstudie 5: Bestimmung der koordinativen Leistungsfähigkeit
mittels Parameter der Schrittbreite im mehrstufigen Steptest 121
5.5.1 Zielstellung 121
5.5.2 Spezielle Methodik 122
5.5.3 Ergebnisse Teilstudie 5 124
5.5.4 Diskussion Teilstudie 5 132
5.6. Teilstudie 6: Einfluss der Kraftfähigkeiten der unteren Extremitäten
auf die Leistungsfähigkeit im Steptest 136
5.6.1 Zielstellung 136
5.6.2 Spezielle Methodik Teilstudie 6 137
5.6.3 Ergebnisse Teilstudie 6 139
5.6.4 Diskussion Teilstudie 6 144
5.7. Teilstudie 7: Bestimmung des maximalen Laktat-steady-state im Steptest 148
5.7.1 Zielstellung 149
5.7.2 Spezielle Methodik Teilstudie 7 149
5.7.3 Ergebnisse Teilstudie 7 151
5.7.4 Diskussion Teilstudie 7 157
6 Abschließende Diskussion 160
7 Zusammenfassung 165
8 Literaturverzeichnis 172
Danksagung 20
Geschäftsbericht ... / Staatliche Betriebsgesellschaft für Umwelt und Landwirtschaft, Freistaat Sachsen
No full textStructure-Driven Electronic Properties and Topology in Low-Dimensional Materials
No full textLow-dimensional materials exhibit characteristics that can substantially differ from their bulk counterparts. A detailed understanding of the intricate relationship between atomic structure and material properties is essential to fully harness their potential. In this dissertation, I explore such structure-property relationships in two exemplary low-dimensional systems. The first is bilayer MoS2, where the introduction of an interlayer twist with a tunable twist angle θ induces the formation of moiré patterns. The second are zigzag graphene nano-ribbons (ZGNRs), where edge defects are introduced at the zigzag edge, which act as structural perturbations of the π-system. This work elucidates how these structural features govern the properties of the respective system.
In the first part of the thesis, the effects of twistronics in bilayer MoS2 are shown. It is a semiconductor with a θ-dependent indirect band gap. Analysis of the local electronic properties reveals the formation of a moiré potential and charge carrier localization. These effects lead to the emergence of superlattice bands with honeycomb and kagome symmetry in the top valence bands. The superlattice features are robust at small θ with the bands becoming increasingly flat. Fitted model Hamiltonians enable extrapolation to θ→0° and θ→60°, predicting the emergence of super-heavy holes.
The second part of the thesis focuses on edge engineering in cove- and gulf-edged ZGNRs. Four structural parameters label these systems unambiguously. Calculations using a tight-binding Hubbard model reveal spin-polarized states with antiferromagnetic ordering. Increasing the length of continuous zigzag edge segments in the ribbon stabilizes these states. All systems are semiconducting with band gaps between 0.5 and 1.5 eV, changing systematically with the structural parameters. The Z2 topological invariant follows simple empirical rules based on the structural parameters. These rules guide the construction of heterojunctions exhibiting localized topological junction states, which remain stable under structural perturbations.
Overall, the results demonstrate how variations in the structural degrees of freedom enable a controlled modulation of electronic, magnetic, and topological features in low-dimensional materials. This work thus provides strategies for rational materials design that might guide future efforts toward device integration and quantum information technologies
Sachsen im Europäischen Ausschuss der Regionen (AdR)
No full textDas Faltblatt informiert unter anderem darüber, was der Europäische Ausschuss der Regionen (AdR) macht und wann er gehört werden muss sowie über die Mitglieder und Fachkommissionen.
Redaktionsschluss: 28.11.202
August Reißmanns Hauptmann-Lektüre: Über einen entlegenen Beitrag zur frühen Hauptmann-Rezeption
No full textDer Musikschriftsteller August Reißmann (1825–1903) profilierte sich in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts als sprachgewandter und engagierter Vertreter einer konservativ ausgerichteten, anti-neudeutschen Musikbetrachtung. U.a. trat er als Vertreter einer historisch ausgerichteten Formenlehre auf und setzte sich für die Verbreitung der Schriften Moritz Hauptmanns ein. So stellt etwa seine Studie Das deutsche Lied in seiner historischen Entwicklung (Reißmann 1861) nicht nur einen wichtigen Beitrag zur historischen Liedforschung, sondern auch ein interessantes Dokument der Hauptmann-Rezeption dar. Propagiert wird darin, mit Bezug auf Hauptmanns dialektische Deutung der Dur-Moll-Tonalität, die Auffassung, erst das »moderne Tonsystem« habe der Musik zur »Formvollendung« verholfen. Anders als die kirchentonale Moduslehre erlaube es einen »natürlich freien« »Formationsprozess«, der die Integration von »einheitlich geschlossenen« Teilabschnitten in übergeordnete Formkonzeptionen ermögliche. Nach Reißmanns Darstellung hat sich dieses Potenzial zunächst im Volkslied entwickelt und von dort aus Eingang in die Kunstmusik gefunden, eine These, die er mithilfe zahlreicher musikalischer Analysen stützt. Seinem noch heute lesenswerten Buch geht eine kurze Zusammenfassung wichtiger Elemente aus Hauptmanns Tonalitätslehre voran. Der Beitrag stellt Reißmanns Liedgeschichte als Dokument der Rezeption von Hauptmanns zentralem Werk Die Natur der Harmonik und Metrik (1853) dar. An Originalzitaten wird Reißmanns Intention einer popularisierenden Vermittlung komplexer Theoriebildung verdeutlicht; vorgestellt werden auch ausgewählte Beispiele seiner um Anschaulichkeit bemühten musikalischen Analysen.The music writer August Reißmann (1825-1903) made a name for himself in the second half of the 19th century as an eloquent and committed representative of a conservative, anti-New German approach to music. Among other things, he advocated a historically orientated theory of form and campaigned for the dissemination of Moritz Hauptmann's writings. His study Das deutsche Lied in seiner historischen Entwicklung (Reißmann 1861), for example, is not only an important contribution to historical song research, but also an interesting document of Hauptmann's reception. With reference to Hauptmann's dialectical interpretation of major-minor tonality, it propagates the view that it was only the »modern tonal system« that helped music achieve »perfection of form«. In contrast to the church tonal mode theory, it allows a »naturally free« »formation process« that enables the integration of »uniformly closed« sections into superordinate formal concepts. According to Reißmann, this potential first developed in folk song and from there found its way into art music, a thesis that he supports with the help of numerous musical analyses. His book, which is still worth reading today, is preceded by a brief summary of important elements from Hauptmann's theory of tonality. The article presents Reißmann's Liedgeschichte as a document of the reception of Hauptmann's central work Die Natur der Harmonik und Metrik (1853). Original quotations are used to illustrate Reißmann's intention of popularising complex theories; selected examples of his vivid musical analyses are also presented.Le musicologue August Reißmann (1825–1903) s’est profilé dans la deuxième moitié du XIXe siècle comme un représentant engagé envers une approche conservatrice et anti-néoallemande de la musique. Il se présente entre autres comme le représentant d’une théorie des formes historiquement informée et s’engage pour la diffusion des écrits de Moritz Hauptmann. Ainsi, son étude Das deutsche Lied in seiner historischen Entwicklung (Reißmann 1861) constitue non seulement une contribution importante à la recherche historique sur le Lied, mais aussi un document intéressant sur la réception de Hauptmann. Il y propage, en se référant à l’interprétation dialectique de la tonalité majeure-mineure de Hauptmann, l’idée que seul le «système tonal moderne » a aidé la musique à atteindre la « perfection formelle ». Contrairement à la théorie des modes d’église, il permet un « processus de formation » « naturellement libre », qui rend possible l’intégration de sections partielles « uniformément fermées » dans des conceptions formelles supérieures. Selon la présentation de Reißmann, ce potentiel s’est d’abord développé dans le Lied populaire, puis a trouvé sa place dans la musique savante, une thèse qu’il étaye à l’aide de nombreuses analyses musicales. Son livre, qui mérite encore d’être lu aujourd’hui, est précédé d’un bref résumé des éléments importants de la théorie de la tonalité de Hauptmann. L’article présente l’histoire du lied de Reißmann comme un document sur la réception de l’oeuvre centrale de Hauptmann, Die Natur der Harmonik und der Metrik (Hauptmann 1853). Des citations originales illustrent l’intention de Reißmann de vulgariser une formation théorique complexe, de même que des exemples choisis de ses analyses musicales, qui s’efforcent d’être claires, sont également présentés
Response of 2D Materials to Ion and Electron Irradiation in the Presence of Substrates or Adatoms
No full textUsing analytical potential and first principles molecular dynamics simulations, additional mechanisms for defect production in 2D materials under ion and electron beam irradiation were evaluated. This work comprises multiscale simulations to address the issue of optimizing various experimental parameters for modification and characterization of 2D materials by beams of energetic particles.
Single- and multi-layer epitaxial graphene on a SiC substrate were investigated under He and Ne ion irradiation. Using an ion beam, defects created in the 2D material (graphene) can facilitate the synthesis of other 2D materials (such as hBN or MoS2) on top, resulting in 2D van der Waals heterostructures. Therefore, simulations were carried out to optimize the irradiation parameters (such as ion energy) for epitaxial graphene on SiC. The number of carbon atoms displaced by the ions from different graphene layers on the substrate was calculated. For He ions, the substrate had an insignificant role in increasing defect production. However, for Ne ions, the presence of the substrate led to an increase in defects in zero-layer graphene (ZLG). As more graphene layers were added, the influence of the substrate diminished, resulting in a reduction of defects in the ZLG. Next, simulations for ion irradiation of MoS2 on both a dielectric (SiO2) and a metal (Au) substrate were performed. MoS2 is a particularly interesting 2D material due to its technological relevance. Therefore, the influence of substrate type (SiO2 and Au), ion type (He, Ar) and ion energy (10 eV-40 keV) in defect production in MoS2 monolayer was investigated. It was found that the Au substrate significantly enhances defect production in the 2D monolayer
compared to the SiO2 substrate. Similar trends were observed in additional simulations performed for graphene on SiO2 and Au substrates. It should be noted that only vacancy defects were considered in this thesis. Finally, to enable accurate characterization of 2D materials in a transmission electron
microscope (TEM), the influence of various damage mechanisms on measurements was studied. The effect of adatoms on 2D MoS2 and hBN sheets was investigated in relation to the reduction of the displacement threshold energy of sulfur (S), boron (B) and nitrogen (N) atoms under electron beam irradiation. It was found that the presence of carbon (C) and hydrogen (H) adatoms lowers the displacement threshold energy for S, B, and N atoms. Notably, the displacement cross section calculated for S displacement related to C adatoms in MoS2 shows good agreement between theory and experiment. Additionally, at low electron beam energies, the role of electronic excitation was evaluated. In particular, the combined
effect of C adatoms and electronic excitation further decreases the displacement threshold energy required to displace S atoms from the MoS2 sheet under the electron beam
Heavy Metal Stabilization of DNA Origami Nanostructures
No full textDNA origami is a powerful tool to fold 3-dimensional DNA structures with nanometer precision. Its usage, however, is limited as high ionic strength, temperatures below ∼60 °C, and pH values between 5 and 10 are required to ensure the structural integrity of DNA origami nanostructures. Here, we demonstrate a simple and effective method to stabilize DNA origami nanostructures against harsh buffer conditions using [PdCl4]2–. It provided the stabilization of different DNA origami nanostructures against mechanical compression, temperatures up to 100 °C, double-distilled water, and pH values between 4 and 12. Additionally, DNA origami superstructures and bound cargos are stabilized with yields of up to 98%. To demonstrate the general applicability of our approach, we employed our protocol with a Pd metallization procedure at elevated temperatures. In the future, we think that our method opens up new possibilities for applications of DNA origami nanostructures beyond their usual reaction conditions
Composition and Analysis as Communication: Outline for a Compositional Theory based on “Musical Information”
No full textThe concept of “information” in association with music recently re-emerged in music psychology and cognition in the form of statistical learning and as the basis for models of music perception. The first time music and information were associated in a systematic manner was in the 1950s and 60s when, particularly in North American music theory, researchers applied concepts from information theory to analysis and composition. Among the work of the 1950s was Edgar Coons’ and David Kraehenbuehl’s Information as a Measure of Structure in Music (1958). The authors suggested that information could be developed into a useful compositional tool that would aid decisionmaking in terms of form, but would not hamper the composer’s personal style or freedom of choice with regards to musical materials. In this article, the fundamental concepts behind the development of a musical information theory are outlined, giving some simple examples of its possibilities and proposing directions for future development. The outline embraces the necessity for a contemporary musical theory to combine formal, scientific methods and an awareness of contexts and relationships inspired by the New Musicology and the study of music as a cultural activity. As a theory of communication, information theory is presented as a far more subjective and pliable concept than is implied in Claude E. Shannon’s Mathematical Theory of Communication (1948), the work upon which many of the musical information theories in the 1950s were based. A flexible view of information theory and the concept of information must be maintained to enable them to take part in contemporary musicological discourse
