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Steuerungskonzept für einen dedizierten Brust-CT-Scanner
Background and aims In the early diagnosis of breast cancer, mammography has been the established imaging technique for years. To improve both specificity and sensitivity of early diagnosis of breast cancer, the Institute of Medical Physics, in collaboration with the company CT Imaging GmbH, is developing a dedicated breast CT scanner. Due to the novel components being used for this approach, prior art concepts for controlling clinical CT scanners are not applicable. Instead a new controlling concept is needed, which fulfills the special requirements of breast CT imaging and distinguishes itself from state-of-the-art concepts. Methods To control the breast CT scanner, a hierarchical three layered control architecture, based on the layers used in process automation, was developed. It consists of the layers coordination, control and command layer. Because of real-time requirements, the control units of the control layer were realized with FPGA-based embedded systems (SOPC) including an instantiated NIOSII softcore processor. The performance of different kinds of real-time operating systems was tested on this type of processor with respect to their reaction times. In addition an evaluation was performed using further operating system properties, which are relevant regarding to the development of the breast CT scanner. As means of communication between the three layers, deterministic protocols, “CT_Control_CAN“ and “CT_Control_Ethernet“, were developed by the author. They are based on the second level of the OSI model of CAN and Ethernet technology. For dose-efficient operation of the breast CT scanner, the position tracking system, x ray tube and detector, as well as their dead times, must be synchronized exactly. Therefore a synchronization is presented which, in contrast to the state-of-the art, is integrated in the control units of the control layer and uses the RS485 interface standard. To evaluate the precision of the synchronization, measurements on a synchronization signal of the control units were performed, measuring signal propagation time and its’ Jitter. The high resolution and high frame rate of the dedicated breast CT scanner lead to high requirements on the systems data transmission rate. In order to transmit the image data from the detector via slipring to a reconstruction server, a specially designed communication protocol “CT_Data_Ethernet”, based on 10-GBit/s-Ethernet technology, is introduced. It can be realized by using standard components and is adapted to the data format of the breast CT scanners projection data. 10 Gbit/s Ethernet components have a theoretical data throughput of 10 Gbit/s, however numerous papers report lower data transfer rates. Safety-critical aspects are also considered. To avoid injury to humans as well as damage to the system, a safety concept is presented. It includes different levels of escalation for error messaging, an interlock circuit and a safe x-ray release and disabling mechanism. Results and Observations The performance measurements carried out on various real-time operating systems instantiated on the used NIOSII processor all show satisfactory results. Taking this fact into account and balancing further criteria, e.g. certification according relevant standards, FreeRTOS is recommended for use in the breast CT scanner. The integration of the synchronization function in the FPGA based control units is an improvement over the single synchronization units used in the state of the art. The results of the measurements on a synchronization signal sent over RS485 show a signal propagation time of about 85 ns and a jitter of 3 ns. The control unit’s synchronization signals thereby fulfill the system requirement of a jitter of less than 1 µs and a signal propagation time of less than 10 µs. For the transfer of the projection data a 10 GBit/s Ethernet transmission, based on standard components, was developed. Measurements performed by the author on such a 10 GBit/s Ethernet transmission, designed with standard components, showed data rates up to 9,9 GBit/s and that the required data transfer rate of the breast CT scanner can be achieved. Practical Conclusions A novel, hierarchical control concept for the dedicated breast CT scanner was developed. The presented control concept fulfills all relevant requirements and is particularly characterized by its high flexibility. As a result of the realization of the control units based on FPGAs and well-known, open interface technology, it is possible to respond quickly to changes in requirements without modifying the whole control concept. Due to the integration of the synchronization functionality in the control units, the imaging components can be provided with high-precision synchronization signals. Thus technologically caused dead times can be minimized and thereby the dose efficiency of the entire scanner increased. Contrary to prior art control concepts, the presented control concept is well adapted and optimized for the components of the breast CT scanner. It can thus make an essential contribution to the success of the scanner in the diagnosis of breast cancer. Due to its high flexibility and modularity it is furthermore easily portable to other medical-technology systems.Hintergrund und Ziele Zur Brustkrebsfrüherkennung ist seit Jahren die Mammografie als Bildgebungsverfahren etabliert. Um die Spezifität und Sensitivität bei der Brustkrebsfrüherkennung zu steigern, entwickelt das Institut für medizinische Physik zusammen mit der Firma CT Imaging GmbH einen dedizierten Brust-CT-Scanner. Aufgrund der neuartigen verwendeten Komponenten können aus dem Stand der Technik bekannte Konzepte zur Steuerung von klinischen CT-Scannern nicht verwendet werden. Stattdessen wird ein neues Steuerungskonzept benötigt, das die speziellen Anforderungen der Brust-CT-Bildgebung erfüllt und sich vom Stand der Technik abhebt. Methoden Zur Steuerung des Brust-CT-Scanners wird ein an die Prozessautomatisierung angelehntes, hierarchisches Ebenenmodell vorgestellt, das aus den drei Ebenen Leit-, Steuer¬ungs- und Kontrollebene besteht. Da harte Echtzeitanforderungen für die Steuerungsebene bestehen, wurden als Steuerungseinheiten FPGA-basierte eingebettete Systeme (SOPCs) gewählt, auf denen ein NIOSII-Softcore-Prozessor instanziiert ist. Auf diesem Prozessortyp wurden verschiedene Echtzeitbetriebssysteme und deren Leistung anhand ihrer Reaktionszeiten getestet. Ferner erfolgte eine Bewertung mittels weiterer Betriebssystemeigenschaften, die für die Entwicklung des Brust-CT-Scanners relevant sind. Zur Kommunikation zwischen den drei Ebenen wurden eigene deterministische Protokolle „CT_Control_CAN“ und „CT_Control_Ethernet“ entwickelt, die auf der zweiten Schicht des OSI-Modells der Technologien CAN und Ethernet aufsetzen. Für den dosiseffizienten Betrieb des Brust-CT-Scanners müssen Positionserfassung, Röntgenröhre und Detektor, sowie deren Totzeiten exakt miteinander synchronisiert sein. Anders als im Stand der Technik wird hierfür eine Synchronisation vorgestellt, die in die Steuerungseinheiten der Steuerungsebene integriert ist und den Schnittstellenstandard RS485 nutzt. Um die Genauigkeit der Synchronisation zu bewerten, wurden Messungen zur Signallaufzeit und -fluktuation (Jitter) an einem Synchronisationssignal der Steuerungseinheiten durchgeführt. Aufgrund der hohen Auflösung und der hohen Bildrate des dedizierten Brust-CT-Scanners ergeben sich hohe Anforderungen an die Datenübertragung im System. Zur schnellen Übertragung der Bilddaten vom Detektor über einen Drehübertrager auf einen Rekonstruktionsserver wird das eigens hierfür entwickelte Kommunikationsprotokoll „CT_Data_Ethernet“ auf Basis der 10-GBit/s-Ethernet-Technologie vorgestellt, das mit Standard-Komponenten realisierbar ist und an das Datenformat der Projektionsdaten des Brust-CT-Scanners angepasst ist. 10 GBit/s-Ethernet-Komponenten weisen einen theoretischen Datendurchsatz von 10 GBit/s auf, jedoch zeigen zahlreiche Veröffentlichungen geringere Datenraten. Ebenfalls Betrachtung finden sicherheitskritische Aspekte. Um Verletzungen an Menschen sowie Schäden an Material ausschließen zu können, wird ein Sicherheitskonzept eingeführt, das über verschiedene Eskalationsstufen zur Meldung von Fehlern, einen Interlockkreis und ein sicheres Auslösen und Abschalten von Röntgenstrahlung verfügt. Ergebnisse und Beobachtungen Die Leistungsmessungen an verschiedenen Echtzeitbetriebssystemen, die auf dem eingesetzten NIOSII-Prozessor instanziiert waren, zeigen zufriedenstellende Ergebnisse. Für den Brust-CT-Scanner wird nach Abwägung weiterer Kriterien, wie z.B. die Zertifizierung nach einschlägigen Normen, FreeRTOS bzw. SafeRTOS empfohlen. Die Integration der Synchronisationsfunktion in die Steuerungseinheiten auf Basis eines FPGAs stellt eine Verbesserung zu den im Stand der Technik verwendeten einzelnen Synchronisationseinheiten dar. Die Ergebnisse der Messungen an einem Synchroni-sationssignal über RS485 zeigen eine Signallaufzeit von ca. 85 ns bei einem Jitter von 3 ns. Damit erfüllen die von den Steuerungseinheiten bereitgestellten Signale die Systemspezifikation eines Jitters kleiner als 1 µs und einer Signallaufzeit von unter 10 µs. Zur Übertragung der Projektionsdaten wurde eine 10 GBit/s-Ethernet-Übertragung mit zugehörigem Protokoll entwickelt, die Standard-Ethernet-Komponenten verwendet. Eigene Messungen an einer solchen aus Standard-Komponenten aufgebauten 10 GBit/s Übertragungsstrecke ergaben Datenraten von bis zu 9,9 GBit/s und zeigten, dass die für den Brust-CT-Scanner geforderte Datenrate erreicht werden kann. Praktische Schlussfolgerungen Es wurde ein neuartiges, hierarchisches Steuerungskonzept für den dedizierten Brust-CT-Scanner entwickelt. Das vorgestellte Steuerungskonzept erfüllt alle wesentlichen Anforderungen und zeichnet sich besonders durch seine hohe Flexibilität aus. Durch die Realisierung der Steuerungseinheiten auf Basis von FPGAs und bekannten, offenen Schnittstellentechnologien kann auf Änderungen von Anforderungen schnell reagiert werden, ohne das gesamte Steuerungskonzept ändern zu müssen. Durch die in die Steuerungseinheiten integrierte Synchronisationsfunktion können hochgenaue Synchronisationssignale für die Bildgebungskomponenten bereitgestellt werden. Dadurch lassen sich technologisch bedingte Totzeiten minimieren und somit die Dosiseffizienz des gesamten Scanners steigern. Anders als Steuerungskonzepte für CT-Scanner, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist das vorgestellte Steuerungskonzept auf die Komponenten des Brust-CT-Scanners angepasst und optimiert. Es kann damit wesentlich zum Erfolg dieses Scanners in der Diagnose von Brustkrebs beitragen, ist aber durch seine hohe Flexibilität und Modularität auch auf andere Systeme der Medizintechnik übertragbar
Radiolabelled Molecules for Brain Imaging with PET and SPECT
Positron emission tomography (PET) and single-photon emission computed tomography (SPECT) are in vivo molecular imaging methods which are widely used in nuclear medicine for diagnosis and treatment follow-up of many major diseases. These methods use target-specific molecules as probes, which are labeled with radionuclides of short half-lives that are synthesized prior to the imaging studies. These probes are called radiopharmaceuticals. The use of PET and SPECT for brain imaging is of special significance since the brain controls all the body’s functions by processing information from the whole body and the outside world. It is the source of thoughts, intelligence, memory, speech, creativity, emotion, sensory functions, motion control, and other important body functions. Protected by the skull and the blood–brain barrier, the brain is somehow a privileged organ with regard to nutrient supply, immune response, and accessibility for diagnostic and therapeutic measures. Invasive procedures are rather limited for the latter purposes. Therefore, noninvasive imaging with PET and SPECT has gained high importance for a great variety of brain diseases, including neurodegenerative diseases, motor dysfunctions, stroke, epilepsy, psychiatric diseases, and brain tumors. This Special Issue focuses on radiolabeled molecules that are used for these purposes, with special emphasis on neurodegenerative diseases and brain tumors
Interrogating reactions of gold nanoclusters: insights into catalysis and the Brust-Schiffrin synthesis
2017 Spring.Includes bibliographical references.Over the past several decades, interest in the synthesis and behavior of atomically precise gold nanoclusters has gained substantial momentum. Herein, both catalytic behavior and synthetic mechanisms are explored using techniques more typically applied to organic chemistry. In the case of catalysis, Au25(SR)18 has emerged as a well-studied model system. In an effort to investigate their potential as intact, homogeneous, unsupported catalysts, we have discovered that Au25(SR)18 clusters are not stable in oxidizing conditions reported for catalytic styrene oxidation. Further investigation suggests that the active catalytic species is an Au(I) species resulting from oxidative decomposition of the starting gold cluster. Equally important to chemical behavior is an understanding of the reaction dynamics during the synthesis of atomically precise clusters. Because the Brust-Schiffrin method is the standard procedure by which gold nanoclusters are synthesized, the role of oxygen in it has been investigated for both organic and aqueous systems. In either case, it is clear obtaining the desired product depends on a radically mediated etching step. These results give new insight into how the Brust-Schiffrin method might be modified to further synthesis of uniquely interesting nanocluster systems
Fluorinated PET Tracers for Molecular Imaging of σ1 Receptors in the Central Nervous System.
At first the role of σ1 receptors in various neurological, psychiatric and neurodegenerative disorders is discussed. In the second part, the principle of positron emission tomography (PET ) is described and the known fluorinated PET tracers for labeling of σ1 receptors are presented. The third part focuses on fluoroalkyl substituted spirocyclic PET tracers, which represent the most promising class of fluorinated PET tracers reported so far. The homologous fluoroalkyl derivatives 12-15 show high σ1 affinity (K i = 0.59-1.4 nM) and high selectivity over the σ2 subtype (408-1331-fold). The enantiomers of the fluoroethyl derivative fluspidine 13 were prepared and pharmacologically characterized. Whereas the (S)-configured enantiomer (S)-13 (K i = 2.3 nM) is 4-fold less active than the (R)-enantiomer (R)-13 (K i = 0.57 nM), (S)-13 is metabolically more stable. The interactions of (S)-13 and (R)-13 with the σ1 receptor were analyzed at the molecular level using the 3D homology model. In an automated radiosynthesis [18F](S)-13 and [18F](R)-13 were prepared by nucleophilic substitution of the tosylates (S)-17 and (R)-17 with K[18F]F in high radiochemical yield, high radiochemical purity and short reaction time. Application of both enantiomers [18F](S)-13 and [18F](R)-13 to mice and piglets led to fast uptake into the brain, but [18F](R)-13 did not show washout from the brain indicating a quasi-irreversible binding. Both radiotracers [18F](S)-13 and [18F](R)-13 were able to label regions in the mouse and piglet brain with high σ1 receptor density. The specific binding of the enantiomeric tracers [18F](S)-13 and [18F](R)-13 could be replaced by the selective σ1 ligand SA4503
Stigmatisierung von erwerbstätigen Patienten mit Brust-, Darm-, Prostata- und Lungenkrebs
Zusammenfassung
Hintergrund Die Stigmatisierung von Patienten mit Krebs kann weitreichende Folgen haben, sowohl für den einzelnen Betroffenen als auch für die Gesellschaft. Quantitative Untersuchungen zur Stigmatisierung von erwerbstätigen Patienten mit Krebs liegen bisher kaum vor. Ziel der vorliegenden Studie ist die Untersuchung der wahrgenommenen Stigmatisierung von Patienten mit Krebs in Abhängigkeit vom Erwerbsstatus sowie die Beeinflussung wahrgenommener Stigmatisierung durch soziodemografische, krankheits- und berufsbezogene Prädiktoren.
Methoden Im Rahmen einer bizentrischen Studie wurden 858 Patienten mit Brust-, Darm-, Lungen oder Prostatakrebs quantitativ befragt, von denen n=305 erwerbstätig waren und in die Auswertung eingingen (Altersdurchschnitt 55 Jahre, 43% weiblich, 47% Brustkrebs). Als Vergleichsgruppe wird aus unserem Datensatz ein gematchtes Sample nicht-Erwerbstätiger (n=213) herangezogen. Neben Fragen zu arbeits- und gesundheitsbezogenen Aspekten wurde Stigmatisierung mit dem SIS-D erfasst (Social Impact Scale). Die Daten werden uni- und multivariat ausgewertet.
Ergebnisse Erwerbstätige, v. a. Patienten mit Prostatakrebs und Brustkrebs, sind in nahezu allen Dimensionen weniger stigmatisiert (p<0,01) als nicht-Erwerbstätige, mit Effektstärken zwischen d=0,35–0,97. Den stärksten Einfluss auf die wahrgenommene Stigmatisierung hat das Merkmal geringe Unterstützung durch den Arbeitgeber, weitere Prädiktoren sind ein schlechter Gesundheitszustand, geringe psychische Arbeitsfähigkeit und Diagnose Brustkrebs (R2 des finalen Modells=0,35).
Schlussfolgerung Die Erwerbstätigkeit von Patienten mit Krebs steht im Zusammenhang mit geringerer wahrgenommener Stigmatisierung. Berufsbezogene Stigmatisierung ist v. a. vom Arbeitsumfeld bzw. der unterstützenden Einstellung des Arbeitgebers abhängig.</jats:p
Trained sensitization and tolerance development in microglial cells: role of phosphoinositide 3-kinase γ
Neuere Untersuchungen des letzten Jahrzehnts zeigten, dass Immunzellen der angeborenen Immunabwehr in der Lage sind, Gedächtnis-ähnliche (adaptive) Reaktionen, d.h. trainierte Sensibilisierung bzw. Toleranz, auszuprägen, nachdem sie mit denselben oder verschiedenen Stressoren (PAMPs) mehrfach konfrontiert wurden. Diese Wirkungen werden durch epigenetische Modifikationen und resultierende metabolische Veränderungen verursacht, die mit der Induktion von Entzündungsreaktionen der Zellen einhergehen und dabei verschiedene zelluläre Prozesse der angeborenen Immunität beeinflussen. Das Ziel dieser Studie war es zu untersuchen, ob eine dosisabhängige Induktion von trainierten Sensibilisierung und Toleranz durch unterschiedliche pathogene Stressoren (LPS, β-Glucan) bei Mikrogliazellen nachzuweisen ist. Darüber hinaus stellten wir die Hypothese auf, dass PI3Kγ verschiedene metabolische Veränderungen reguliert, die für die Entwicklung adaptiver Antworten von Mikrogliazellen auf repetitive Stressorkontakte von entscheidender Bedeutung sind und dadurch Modifikationen adaptiver Immunantworten, wie Phagozytose-Muster beeinflussen
PI3Kγ signaling in microglia and its impact on inflammatory preconditioning in focal brain ischemia
The aim of the study was to investigate the effect of LPS-induced PreC on ischemic brain injury and characterize the mainly involved signaling pathways of microglia. Furthermore, we hypothesized that PI3Kγ regulates different microglial immune functions, critical for conveying the LPS-induced PreC effects upon ischemic brain injury. Experiments were performed in wild-type (WT), PI3Kγ knockout (PI3Kγ-/-) and PI3Kγ kinase-dead (PI3KγKD/KD) mice, which were either exposed to middle cerebral artery occlusion or not (Control). MCAO mice received a PreC stimulus (LPS i.p. injection; MCAO+PreC) or a control injection of saline (MCAO). Furthermore, microglia cells were isolated from mice brains after MCAO or MCAO+PreC and mass spectrometry analysis highlighted proteomic characteristics. Additionally, brain tissue was analyzed for microglial inflammatory responses via immunohistochemical workup. Our data revealed that LPS PreC attenuates the extent of ischemic brain injury and that neuroprotection is in consequence of the altered regulation of inflammatory microglial functions, uttered in a differential microglial proteome. Genotypic differences emerged upon LPS-induced protection, with wild-type mice, being protected the most (49%) in reducing infarct volume, PI3KγKD/KD-mice showing a moderate protection (35%) and PI3Kγ-/- mice exhibiting the lowest protection effect (21%). Furthermore, our study revealed a tight regulation of phagocytosis, migration and PMN expression upon LPS PreC by partly lipid kinase independent activities of PI3Kγ in microglial cells. Therefore, these results confirm and expand recent data on regulatory effects of PI3Kγ on microglial immune functions and induction of innate immune memory and underline the involvement of PI3Kγ in the disease model of ischemic brain injury
Charakterisierung von 16alpha-[18F]Fluorestradiol-3,17beta-disulfamat als potentieller Tracer für die Positronen-Emissions-Tomographie
In den westlichen Industrieländern ist Brustkrebs die häufigste krebsbedingte Todesursache bei Frauen. Bei der Diagnose von Brustkrebs ist für bestimmte Fragestellungen die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) eine wichtige Ergänzung zur Mammographie und Sonographie. Die derzeit eingesetzten PET-Tracer 2-[18F]Fluor-2-desoxy-D-Glucose (FDG) und 16a-[18F]Fluor-17b-estra--diol (FES) können Mammakarzinome bzw. deren Metastasen nicht mit 100%iger Sicherheit nachweisen. Aus diesem Grund wurde eine [18F]-markierte Verbin-dung entwickelt, die möglicherweise die diagnostische Sicherheit bei Brustkrebs erhöhen kann: [18F]16a-Fluorestradiol-3,17b-disulfamat ([18F]FESDS). [18F]FESDS sollt dabei an Estronsulfatase binden, die in Mammakarzinomen signifikant höher exprimiert wird. Es wurde geprüft, ob [18F]FESDS für die Positronen-Emissions-Tomographie eignet ist. Die Ergebnisse zeigten, dass die Estronsulfatase nicht das alleinige Target von [18F]FESDS darstellt. Auch die Carboanhydrase hat eine sehr hohe Affinität zu dem potentiellen Tracer. Durch selektive Hemmung der Carboanhydrase mit Azetazolamid konnte jedoch in vitro die Estronsulfatase dargestellt werden. In vivo ist es nicht gelungen, mit [18F]FESDS die Estronsulfatase bei vorliegender Carboanhydrase-Hemmung besser darzustellen. Die Daten deuten darauf hin, dass eine Darstellung der Estronsulfatase mit der PET weder mit dem Radiotracer [18F]FESDS allein noch bei Koinjektion von [18F]FESDS mit Azetazolamid (zur CA-Hemmung) möglich ist
Studies of the expression and characterization of various transport systems at RBE4 cells, an in vitro model of the blood-brain barrier
The purpose of this study was the investigation of several transport systems expressed at the BBB. The identification and functional characterization of such transport systems is essential to provide a basis for strategies to regulate drug disposition into the brain. Immortalized rat brain endothelial cells (RBE4 cells) have been used in this study as an in vitro model of the BBB. The present study has shown that the RBE4 cells are a suitable model of the BBB for transporter studies. These cells do express the amino acid transport systems L and y+, which are known to be present at the BBB. The uptake of L-tryptophan, a neutral amino acid transported by system L, exhibited a half saturation constant (Kt) of 31 µM and a maximal velocity rate (Vmax) of about 1 nmol/mg/min in RBE4 cells. The kinetic constants of the L-arginine uptake, representing system y+ transport activity, into RBE4 cells were determined with a Kt value of about 55 µM and a Vmax of 0.56 nmol/mg/min. Furthermore the expression of two sodium dependent transporters, the 5-HT transporter (SERT) and the organic cation/carnitine transporter OCTN2, was shown at the RBE4 cells. Uptake studies with radiolabeled 5-HT exhibited a saturable, sodium dependent transport at RBE4 cells with a Kt value of about 0.40 µM and a Vmax of about 52 fmol/mg/min. L-carnitine and TEA (tetraethylammonium) are known to be transported by the OCTN2 transporter. The uptake of L-carnitine into RBE4 cells was shown to be sodium dependent and saturable with a Kt value of 54 µM and a maximal velocity of about 3.6 pmol/mg/min. In contrast, the organic cation TEA follows a sodium independent uptake mechanism at RBE4 cells. Also a sodium independent choline uptake into the cells was discovered but the molecular identity remained unknown. This saturable choline transport exhibited a Kt value of about 22 µM and a maximal velocity of about 52 pmol/mg/min
Komponentenbasierte Entwicklung von flexiblen und robusten Workflow-Anwendungen
Der Einsatz von Workflow-Management-Systemen (WfMS) wird
besonders für große Unternehmen immer wichtiger, um ihre
Geschäftsprozesse effizienter zu gestalten und vorhandene
Softwaresysteme in den Geschäftsablauf zu integrieren. Gleichzeitig wächst die Bedeutung von komponentenbasierter Softwareentwicklung. Dieser Trend, der schon seit mehreren Jahren auf den Arbeitsstationen zu beobachten ist, weitet sich inzwischen immer mehr in Richtung der Serversysteme aus. Neben diesen Komponenten drängen vermehrt Frameworks für betriebswirtschaftliche Anwendungen auf den Markt. Diese Entwicklung der sogenannten Componentware legt eine Kooperation von Workflow und Komponentenarchitekturen nahe.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den möglichen Verbindungen von Workflow-Management-Systemen und Komponentenarchitekturen. Es werden die Komponentenmodelle Microsoft COM, JavaBeans, OMG CORBA und das Framework IBM San Francisco untersucht. Außerdem werden Konzepte entwickelt, um Komponenten in einem Workflow einsetzen zu können
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