Exploring physical processes related to past climate proxies: lake sediments and stable water isotopes

Proxy data are essential for the investigation of climate variability on time scales larger than the historical meteorological observation period. The potential value of a proxy depends on our ability to understand and quantify the physical processes that relate the corresponding climate parameter and the signal in the proxy archive. These processes can be explored under present-day conditions. In this thesis, both statistical and physical models are applied for their analysis, focusing on two specific types of proxies, lake sediment data and stable water isotopes.rnIn the first part of this work, the basis is established for statistically calibrating new proxies from lake sediments in western Germany. A comprehensive meteorological and hydrological data set is compiled and statistically analyzed. In this way, meteorological times series are identified that can be applied for the calibration of various climate proxies. A particular focus is laid on the investigation of extreme weather events, which have rarely been the objective of paleoclimate reconstructions so far. Subsequently, a concrete example of a proxy calibration is presented. Maxima in the quartz grain concentration from a lake sediment core are compared to recent windstorms. The latter are identified from the meteorological data with the help of a newly developed windstorm index, combining local measurements and reanalysis data. The statistical significance of the correlation between extreme windstorms and signals in the sediment is verified with the help of a Monte Carlo method. This correlation is fundamental for employing lake sediment data as a new proxy to reconstruct windstorm records of the geological past.rnThe second part of this thesis deals with the analysis and simulation of stable water isotopes in atmospheric vapor on daily time scales. In this way, a better understanding of the physical processes determining these isotope ratios can be obtained, which is an important prerequisite for the interpretation of isotope data from ice cores and the reconstruction of past temperature. In particular, the focus here is on the deuterium excess and its relation to the environmental conditions during evaporation of water from the ocean. As a basis for the diagnostic analysis and for evaluating the simulations, isotope measurements from Rehovot (Israel) are used, provided by the Weizmann Institute of Science. First, a Lagrangian moisture source diagnostic is employed in order to establish quantitative linkages between the measurements and the evaporation conditions of the vapor (and thus to calibrate the isotope signal). A strong negative correlation between relative humidity in the source regions and measured deuterium excess is found. On the contrary, sea surface temperature in the evaporation regions does not correlate well with deuterium excess. Although requiring confirmation by isotope data from different regions and longer time scales, this weak correlation might be of major importance for the reconstruction of moisture source temperatures from ice core data. Second, the Lagrangian source diagnostic is combined with a Craig-Gordon fractionation parameterization for the identified evaporation events in order to simulate the isotope ratios at Rehovot. In this way, the Craig-Gordon model can be directly evaluated with atmospheric isotope data, and better constraints for uncertain model parameters can be obtained. A comparison of the simulated deuterium excess with the measurements reveals that a much better agreement can be achieved using a wind speed independent formulation of the non-equilibrium fractionation factor instead of the classical parameterization introduced by Merlivat and Jouzel, which is widely applied in isotope GCMs. Finally, the first steps of the implementation of water isotope physics in the limited-area COSMO model are described, and an approach is outlined that allows to compare simulated isotope ratios to measurements in an event-based manner by using a water tagging technique. The good agreement between model results from several case studies and measurements at Rehovot demonstrates the applicability of the approach. Because the model can be run with high, potentially cloud-resolving spatial resolution, and because it contains sophisticated parameterizations of many atmospheric processes, a complete implementation of isotope physics will allow detailed, process-oriented studies of the complex variability of stable isotopes in atmospheric waters in future research.rn

Evaluation der Langzeitcompliance lebertransplantierter Patienten mit der immunsuppressiven Therapie und eines Betreuungsmodells zur intersektoralen kooperativen pharmazeutischen Betreuung durch eine Krankenhausapotheke und öffentliche Apotheken

Ein wichtiger Baustein für den langfristigen Erfolg einer Lebertransplantation ist die Compliance mit der lebenslang einzunehmenden immunsuppressiven Therapie. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals mittels MEMS® die Compliance bei lebertransplantierten Patienten untersucht, deren Transplantation einige Jahre zurücklag. Rekrutiert wurden Patienten, die vor 2, 5, 7 oder 10 Jahren (Gruppe 2 y.p.t., 5 y.p.t., 7 y.p.t., 10 y.p.t.) in der Universitätsmedizin Mainz lebertransplantiert wurden. 39 Patienten nahmen an der prospektiven Anwendungsbeobachtung teil. Die Compliance wurde mittels MEMS® über eine Beobachtungszeit von 6 Monaten erfasst. Bei der MEMS®-Auswertung war zu vermuten, dass 10 Patienten diese nicht wie vorgesehen verwendet hatten. Folglich konnten die mittels MEMS® gemessenen Compliance-Parameter nur für 29 Patienten valide ermittelt werden. Die mittlere Dosing Compliance betrug 81 ± 21 %, wobei die Gruppe 2 y.p.t. mit 86 ± 14 % bessere Werte zu verzeichnen hatte als die Gruppe 5 y.p.t. (75 ± 27 %) und 7 y.p.t. (74 ± 28 %). Die Ergebnisse waren jedoch nicht signifikant unterschiedlich (p=0,335, Kruskal-Wallis-Test). Unter Einbeziehung aller mittels MEMS® gemessenen Compliance-Parameter wurden 19 von 29 Patienten (66 %) als compliant eingestuft. Bei der Analyse der Gesamtcompliance basierend auf den subjektiven Compliance-Messmethoden (Morisky-Fragebogen, MESI-Fragebogen, Selbsteinschätzung), der Arzneimittel-Blutspiegel und der Anzahl an Abstoßungsreaktionen, in der alle 39 Patienten einbezogen werden konnten, wurden 35 Patienten (90 %) als compliant eingestuft. rnIm zweiten Teil der Arbeit wurde die Etablierung und Bewertung eines intersektoralen Pharmazeutischen Betreuungskonzepts für lebertransplantierte Patienten untersucht. Erstmals wurden anhand eines entwickelten schnittstellenübergreifenden, integrierten Betreuungskonzepts niedergelassene Apotheker in die Pharmazeutische Betreuung lebertransplantierter Patienten eingebunden. 20 Patienten wurden rekrutiert und während ihres stationären Aufenthaltes nach Transplantation pharmazeutisch betreut. Die Betreuung umfasste eine intensive Patientenschulung mit drei bis vier Gesprächen durch einen Krankenhausapotheker. Während des stationären Aufenthaltes wurden arzneimittelbezogene Probleme erkannt, gelöst und dokumentiert. Bei Entlassung stellte der Krankenhausapotheker einen Medikationsplan für den Hausarzt sowie für den niedergelassenen Apotheker aus und führte mit den Patienten ein ausführliches Entlassungsgespräch. Darüber hinaus wurden den Patienten Arzneimitteleinnahmepläne und eine Patienteninformation über ihr immunsuppressives Arzneimittel übergeben. 15 Patienten konnten daraufhin ambulant von niedergelassenen Apothekern pharmazeutisch weiterbetreut werden. Das kooperierende pharmazeutische Personal wurde durch ein eigens für die Studie erstelltes Manual zur Pharmazeutischen Betreuung lebertransplantierter Patienten geschult und unterstützt. Die niedergelassenen Apotheker sollten die Patienten in ihrer Arzneimitteltherapie begleiten, indem Beratungsgespräche geführt und arzneimittelbezogene Probleme erkannt und gelöst wurden. Die Nutzeffekte der intensiven Pharmazeutischen Betreuung konnte anhand verschiedener Erhebungsinstrumente dargelegt werden. Im Ergebnis resultierte eine hohe Zufriedenheit der Patienten und Apotheker mit dem Betreuungskonzept, die mittels Selbstbeurteilungsfragebögen ermittelt wurde. Die Compliance der Patienten wurde anhand des Morisky- und MESI-Fragebogens, der Selbsteinschätzung der Patienten, Blutspiegelbestimmungen sowie der Einschätzung durch den niedergelassenen Apotheker bestimmt. 86 % der Patienten wurden als compliant eingeordnet. Die Kenntnisse der Patienten über ihre immunsuppressive Therapie, welche anhand von Interviews erfragt wurden, lagen auf einem sehr hohen Niveau. Abschließend kann festgestellt werden, dass die Pharmazeutische Betreuung lebertransplantierter Patienten in den niedergelassenen Apotheken durchführbar ist. Anhand der Dokumentationsprotokolle lässt sich allerdings nur sehr schwer beurteilen, in welchem Maße die Betreuung tatsächlich erfolgte. Das tatsächliche vorliegen einer mangelnden Betreuung oder aber eine lückenhafte Dokumentation der Betreuungsleistung war nicht zu differenzieren. Ein limitierender Faktor für die intensivierte Betreuung ist sicherlich der erhebliche Aufwand für nur einen Patienten mit einem seltenen Krankheitsbild. Das Erkennen und Lösen von 48 ABP durch den Krankenhausapotheker und 32 ABP durch die niedergelassenen Apotheker, d. h. insgesamt 4,5 ABP pro Patient zeigt, dass die Pharmazeutische Betreuung einen wichtigen Beitrag für eine qualitätsgesicherte Arzneimitteltherapie leistet. Die intersektorale Pharmazeutische Betreuung stellt eine wesentliche Hilfe und Unterstützung der Patienten im sicheren Umgang mit ihrer Arzneimitteltherapie dar.rn

Compliance lebertransplantierter Patienten mit dem Immunsuppressivum Tacrolimus bei 2x täglicher im Vergleich zu 1x täglicher Einnahme

Compliance lebertransplantierter Patienten mit der immunsuppressiven Therapie ist unerlässlich für den lang-fristigen Erfolg der Lebertransplantation. Aus Non-Compliance mit der immunsuppressiven Therapie können Abstoßungsreaktionen, Organverlust oder sogar Tod resultieren. Hauptziel der vorliegenden Studie war die erstmalige Evaluation der Compliance bei Einnahme von Prograf® (zweimal tägliche Einnahme von Tacrolimus) im Vergleich zur Einnahme von Advagraf® (einmal tägliche Einnahme von Tacrolimus). Von Interesse war außerdem die Fragestellung, ob sich die Compliance bezüglich der immunsuppressiven Therapie mit dem Zeitabstand zur Transplantation verändert. rnDie Compliancemessung wurde offen mittels MEMS® (Aardex Ltd., Schweiz) durchgeführt, der Patient war also über die Compliancekontrolle informiert. Mittels MEMS® konnten Datum und Uhrzeit der Dosisentnahme dokumentiert und damit zuverlässig das gesamte Compliancemuster über im Durchschnitt 176 Tage mit der zweimal täglichen Einnahme und 188 Tage mit der einmal täglichen Einnahme pro Patient erfasst werden. 65 Patienten mit dem Basisimmunsuppressivum Prograf® wurden in die prospektive, nicht-interventionelle Studie eingeschlossen und nach Per Protokoll-Analyse konnten die Daten von 63 in Mainz lebertransplantierten Patienten ausgewertet werden (Prograf®: Gruppe 1: 15 Patienten (Pat.), Gruppe 2: 23 Pat., Gruppe 3: 22 Pat., Drop-outs: 3 Pat.; Advagraf®: Gruppe 1: 16 Pat., Gruppe 2: 23 Pat., Gruppe 3: 23 Pat., Drop-outs: 1 Pat.). Die Dosing Compliance (DC), definiert als Prozent der Tage, an denen der MEMS®-Behälter korrekt geöffnet und die Dosis höchstwahrscheinlich korrekt eingenommen wurde, war der primäre Zielparameter. Weitere Methoden der Compliancemessung, wie der Pill Count, mehrere Fragebögen (Selbsteinschätzung, Patientenwissen-, Morisky-, MESI-, HADS-, SF-36- und Patientenzufriedenheit-Fragebogen) sowie die Blutspiegelmessung wurden eingesetzt, um die Compliance der Patienten umfassend charakterisieren zu können. rnDer Median der DC mit der zweimal täglichen Einnahme betrug 97% bei Pat. > 6 m.p.t. < 2 y.p.t., 97% bei Pat. > 2 y.p.t. < 5 y.p.t. und 98% bei Pat. > 5 y.p.t. (p=0,931; Kruskal-Wallis-Test). Der Median der DC von Tacroli-mus bei einmal täglicher Einnahme (Advagraf®) betrug 99% bei Pat. > 6 m.p.t. < 2 y.p.t., 98% bei Pat. > 2 y.p.t. < 5 y.p.t. und 97% bei Pat. > 5 y.p.t. (p=0,158; Kruskal-Wallis-Test). Insgesamt zeigten die Patienten während des gesamten Beobachtungszeitraums von 12 Monaten eine gute Compliance für die Einnahme ihres Immun-suppressivums. Die Timing Compliance (TiC)-raten lagen auf einem niedrigeren Niveau als die Dosing- und Taking Compliance (TC)-raten. Die Complianceraten der drei Subgruppen unterschieden sich nicht signifikant. Die Patienten mit dem geringsten Abstand zur Transplantation zeigten bei beinahe allen Messmethoden die höchste Compliance im Gegensatz zur etwas geringeren Compliance der Patienten mit größerem Abstand zur Transplantation. Die während der Advagraf®-Phase mittels MEMS® gemessenen DC-, TC- und TiC-raten fielen höher aus als bei Einnahme von Prograf® (p(DC)=0,003; p(TC)=0,077; p(TiC)=0,003; Wilcoxon Vorzeichen-Rang-Test). Dieses Ergebnis untermauert die in anderen Indikationen gefundene Complianceverbesserung durch die einmal tägliche Arzneimittelgabe im Vergleich zur zweimal täglichen Gabe. Die Auswertung der Drug Holidays ergab für die Advagraf®-Phase hingegen niedrigere Complianceraten als für die Prograf®-Phase. Dieses Ergebnis ist auf die Definition des Drug Holidays (keine Arzneimitteleinnahme über 48 h) zurück zu führen. Die Chance Advagraf® einmal pro Tag zu vergessen ist doppelt so hoch, als Prograf® dreimal aufeinander fol-gend zu vergessen. Mit einer verhältnismäßigeren Definition von Drug Holidays (Einnahmepause von 72 Stun-den bei einmal täglicher Einnahme von Advagraf® entsprechend drei ausgelassenen Dosen von Prograf®) ist die Compliancerate 81%. Die Ergebnisse des Pill Counts waren sowohl bei Einnahme von Prograf® als auch von Advagraf® mit der jeweils gemessenen TC vergleichbar, was die Zuverlässigkeit der Messergebnisse bes-tätigt. rnDie zusätzlich eingesetzten Methoden verifizierten das Ergebnis der höheren Compliance mit der einmal tägli-chen Einnahme. Die während der Advagraf®-Phase beantworteten Fragebögen zeigten einen Trend zu besserer Compliance und Lebensqualität. Lediglich die Ergebnisse des MESI-Fragebogens und der Blutspiegelmessungen wichen sowohl während der Prograf®- als auch während der Advagraf®-Phase stark von den Ergebnis-sen der anderen Methoden ab. rnUnter Einbeziehung aller mittels MEMS® und Pill Count objektiv gemessenen Complianceparameter konnten während der Prograf®-Einnahme 54 von 60 Pat. (90%) und während der Advagraf®-Phase 59 von 62 Pat. (95%) als compliant eingestuft werden. Aufgrund subjektiver Compliancemessungen waren 49 von 58 Pat. (84%) während der Prograf®- und 54 von 59 Pat. (92%) während der Advagraf®-Phase als compliant einzustufen. Es wurde beobachtet, dass die zeitlich korrekte Einnahme der Morgendosis einfacher und bei Einmalgabe zu bevorzugen ist. Die wochentagsbezogene Auswertung ergab erwartungsgemäß, dass am Wochenende (Samstag und Sonntag) am häufigsten Dosen ausgelassen wurden. rnDie Umstellung von Prograf® auf Advagraf® stellte kein Problem dar. Beinahe alle Patienten waren dankbar und zufrieden mit der Reduzierung der Dosierungsfrequenz und der größeren Unabhängigkeit durch die entfallene abendliche Einnahme. Der positive Einfluss der geringeren Dosierungshäufigkeit auf die Langzeitcompliance der Patienten, ist ein hinreichender Grund die Entwicklung von Formulierungen zur einmal täglichen Ein-nahme für weitere Immunsuppressiva zu fordern. Insbesondere bei den häufig eingesetzten Kombinationstherapien von Immunsuppressiva würde der Effekt der Complianceverbesserung noch verstärkt werden, wenn alle eingesetzten Immunsuppressiva zur einmal täglichen Gabe geeignet wären.

Fast frontend electronics for high rate particle detectors

Future experiments in nuclear and particle physics are moving towards the high luminosity regime in order to access rare processes. In this framework, particle detectors require high rate capability together with excellent timing resolution for precise event reconstruction. In order to achieve this, the development of dedicated FrontEnd Electronics (FEE) for detectors has become increasingly challenging and expensive. Thus, a current trend in R&D is towards flexible FEE that can be easily adapted to a great variety of detectors, without impairing the required high performance. This thesis reports on a novel FEE for two different detector types: imaging Cherenkov counters and plastic scintillator arrays. The former requires high sensitivity and precision for detection of single photon signals, while the latter is characterized by slower and larger signals typical of scintillation processes. The FEE design was developed using high-bandwidth preamplifiers and fast discriminators which provide Time-over-Threshold (ToT). The use of discriminators allowed for low power consumption, minimal dead-times and self-triggering capabilities, all fundamental aspects for high rate applications. The output signals of the FEE are readout by a high precision TDC system based on FPGA. The performed full characterization of the analogue signals under realistic conditions proved that the ToT information can be used in a novel way for charge measurements or walk corrections, thus improving the obtainable timing resolution. Detailed laboratory investigations proved the feasibility of the ToT method. The full readout chain was investigated in test experiments at the Mainz Microtron: high counting rates per channel of several MHz were achieved, and a timing resolution of better than 100 ps after walk correction based on ToT was obtained. Ongoing applications to fast Time-of-Flight counters and future developments of FEE have been also recently investigated.