Un criblage ciblant de nouveaux facteurs impliqués dans l’assemblage mitotique des chromosomes dans le nématode C. elegans

La division cellulaire est un processus fondamental des êtres vivants. À chaque division cellulaire, le matériel génétique d'une cellule mère est dupliqué et ségrégé pour produire deux cellules filles identiques; un processus nommé la mitose. Tout d'abord, la cellule doit condenser le matériel génétique pour être en mesure de séparer mécaniquement et également le matériel génétique. Une erreur dans le niveau de compaction ou dans la dynamique de la mitose occasionne une transmission inégale du matériel génétique. Il est suggéré dans la littérature que ces phénomènes pourraient causé la transformation des cellules cancéreuses. Par contre, le mécanisme moléculaire générant la coordination des changements de haut niveau de la condensation des chromosomes est encore incompris. Dans les dernières décennies, plusieurs approches expérimentales ont identifié quelques protéines conservées dans ce processus. Pour déterminer le rôle de ces facteurs dans la compaction des chromosomes, j'ai effectué un criblage par ARNi couplé à de l'imagerie à haute-résolution en temps réel chez l'embryon de C. elegans. Grâce à cette technique, j'ai découvert sept nouvelles protéines requises pour l'assemblage des chromosomes mitotiques, incluant la Ribonucléotide réductase (RNR) et Topoisomérase II (topo-II). Dans cette thèse, je décrirai le rôle structural de topo-II dans l'assemblage des chromosomes mitotiques et ces mécanismes moléculaires. Lors de la condensation des chromosomes, topo-II agit indépendamment comme un facteur d'assemblage local menant par la suite à la formation d'un axe de condensation tout au long du chromosome. Cette localisation est à l'opposé de la position des autres facteurs connus qui sont impliqués dans la condensation des chromosomes. Ceci représente un nouveau mécanisme pour l'assemblage des chromosomes chez C. elegans. De plus, j'ai découvert un rôle non-enzymatique à la protéine RNR lors de l'assemblage des chromosomes. Lors de ce processus, RNR est impliqué dans la stabilité des nucléosomes et alors, permet la compaction de haut niveau de la chromatine. Dans cette thèse, je rapporte également des résultats préliminaires concernant d'autres nouveaux facteurs découverts lors du criblage ARNi. Le plus important est que mon analyse révèle que la déplétion des nouvelles protéines montre des phénotypes distincts, indiquant la fonction de celles-ci lors de l'assemblage des chromosomes. Somme toute, je conclus que les chromosomes en métaphase sont assemblés par trois protéines ayant des activités différentes d'échafaudage: topoisomérase II, les complexes condensines et les protéines centromériques. En conclusion, ces études prouvent le mécanisme moléculaire de certaines protéines qui contribuent à la formation des chromosomes mitotiques.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Revisión sistemática : uso de imágenes por difusión en RMN, para predecir sobrevida en pacientes adultos con diagnostico de glioblastoma multiforme

El Glioblastoma multiforme (GBM), es el tumor cerebral más frecuente, con pronóstico grave y baja sensibilidad al tratamiento inicial. El propósito de este estudio fue evaluar si la Difusión en RM (IDRM), es un biomarcador temprano de respuesta tumoral, útil para tomar decisiones tempranas de tratamiento y para obtener información pronostica. Metodología La búsqueda se realizo en las bases de datos EMBASE, CENTRAL, MEDLINE; las bibliografías también fueron revisadas. Los artículos seleccionados fueron estudios observacionales (casos y controles, cohortes, corte transversal), no se encontró ningún ensayo clínico; todos los participante tenían diagnostico histopatológico de GBM, sometidos a resección quirúrgica y/o radio-quimioterapia y seguimiento de respuesta al tratamiento con IDRM por al menos 6 meses. Los datos extraídos de forma independiente fueron tipo de estudio, participantes, intervenciones, seguimiento, desenlaces (sobrevida, progresión/estabilización de la enfermedad, muerte) Resultados Quince estudios cumplieron los criterios de inclusión. Entre las técnicas empleadas de IDRM para evaluar respuesta radiológica al tratamiento, fueron histogramas del coeficiente aparente de difusion ADC (compararon valores inferiores a la media y el percentil 10 de ADC, con los valores superiores); encontrando en términos generales que un ADC bajo es un fuerte predictor de sobrevida y/o progresión del tumor. (Esto fue significativo en 5 estudios); mapas funcionales de difusion (FDM) (midieron el porcentaje de cambio de ADC basal vs pos tratamiento) que mostro ser un fuerte predictor de sobrevida en pacientes con progresión tumoral. DISCUSION Desafortunadamente la calidad de los estudios fue intermedia-baja lo que hace que la aplicabilidad de los estudios sea limitada.

Mapping fibre orientation in complex-shaped biological systems with micrometre resolution by scanning X-ray microdiffraction

A fully automated procedure to extract and to image local fibre orientation in biological tissues from scanning X-ray diffraction is presented. The preferred chitin fibre orientation in the flow sensing system of crickets is determined with high spatial resolution by applying synchrotron radiation based X-ray microbeam diffraction in conjunction with advanced sample sectioning using a UV micro-laser. The data analysis is based on an automated detection of azimuthal diffraction maxima after 2D convolution filtering (smoothing) of the 2D diffraction patterns. Under the assumption of crystallographic fibre symmetry around the morphological fibre axis, the evaluation method allows mapping the three-dimensional orientation of the fibre axes in space. The resulting two-dimensional maps of the local fibre orientations - together with the complex shape of the flow sensing system - may be useful for a better understanding of the mechanical optimization of such tissues.

Neural competition for conscious representation across time: An fMRI study

Background The information processing capacity of the human mind is limited, as is evidenced by the attentional blink (AB) - a deficit in identifying the second of two temporally-close targets (T1 and T2) embedded in a rapid stream of distracters. Theories of the AB generally agree that it results from competition between stimuli for conscious representation. However, they disagree in the specific mechanisms, in particular about how attentional processing of T1 determines the AB to T2. Methodology/Principal Findings The present study used the high spatial resolution of functional magnetic resonance imaging (fMRI) to examine the neural mechanisms underlying the AB. Our research approach was to design T1 and T2 stimuli that activate distinguishable brain areas involved in visual categorization and representation. ROI and functional connectivity analyses were then used to examine how attentional processing of T1, as indexed by activity in the T1 representation area, affected T2 processing. Our main finding was that attentional processing of T1 at the level of the visual cortex predicted T2 detection rates Those individuals who activated the T1 encoding area more strongly in blink versus no-blink trials generally detected T2 on a lower percentage of trials. The coupling of activity between T1 and T2 representation areas did not vary as a function of conscious T2 perception. Conclusions/Significance These data are consistent with the notion that the AB is related to attentional demands of T1 for selection, and indicate that these demands are reflected at the level of visual cortex. They also highlight the importance of individual differences in attentional settings in explaining AB task performance.

Realistic mean field forward predictions for the integration of co-registered EEG/fMRI

Brain activity can be measured non-invasively with functional imaging techniques. Each pixel in such an image represents a neural mass of about 105 to 107 neurons. Mean field models (MFMs) approximate their activity by averaging out neural variability while retaining salient underlying features, like neurotransmitter kinetics. However, MFMs incorporating the regional variability, realistic geometry and connectivity of cortex have so far appeared intractable. This lack of biological realism has led to a focus on gross temporal features of the EEG. We address these impediments and showcase a "proof of principle" forward prediction of co-registered EEG/fMRI for a full-size human cortex in a realistic head model with anatomical connectivity, see figure 1. MFMs usually assume homogeneous neural masses, isotropic long-range connectivity and simplistic signal expression to allow rapid computation with partial differential equations. But these approximations are insufficient in particular for the high spatial resolution obtained with fMRI, since different cortical areas vary in their architectonic and dynamical properties, have complex connectivity, and can contribute non-trivially to the measured signal. Our code instead supports the local variation of model parameters and freely chosen connectivity for many thousand triangulation nodes spanning a cortical surface extracted from structural MRI. This allows the introduction of realistic anatomical and physiological parameters for cortical areas and their connectivity, including both intra- and inter-area connections. Proper cortical folding and conduction through a realistic head model is then added to obtain accurate signal expression for a comparison to experimental data. To showcase the synergy of these computational developments, we predict simultaneously EEG and fMRI BOLD responses by adding an established model for neurovascular coupling and convolving "Balloon-Windkessel" hemodynamics. We also incorporate regional connectivity extracted from the CoCoMac database [1]. Importantly, these extensions can be easily adapted according to future insights and data. Furthermore, while our own simulation is based on one specific MFM [2], the computational framework is general and can be applied to models favored by the user. Finally, we provide a brief outlook on improving the integration of multi-modal imaging data through iterative fits of a single underlying MFM in this realistic simulation framework.

Modeling ocean primary production: sensitivity to spectral resolution of attenuation and absorption of light

Modeling the vertical penetration of photosynthetically active radiation (PAR) through the ocean, and its utilization by phytoplankton, is fundamental to simulating marine primary production. The variation of attenuation and absorption of light with wavelength suggests that photosynthesis should be modeled at high spectral resolution, but this is computationally expensive. To model primary production in global 3d models, a balance between computer time and accuracy is necessary. We investigate the effects of varying the spectral resolution of the underwater light field and the photosynthetic efficiency of phytoplankton (α∗), on primary production using a 1d coupled ecosystem ocean turbulence model. The model is applied at three sites in the Atlantic Ocean (CIS (∼60°N), PAP (∼50°N) and ESTOC (∼30°N)) to include the effect of different meteorological forcing and parameter sets. We also investigate three different methods for modeling α∗ – as a fixed constant, varying with both wavelength and chlorophyll concentration [Bricaud, A., Morel, A., Babin, M., Allali, K., Claustre, H., 1998. Variations of light absorption by suspended particles with chlorophyll a concentration in oceanic (case 1) waters. Analysis and implications for bio-optical models. J. Geophys. Res. 103, 31033–31044], and using a non-spectral parameterization [Anderson, T.R., 1993. A spectrally averaged model of light penetration and photosynthesis. Limnol. Oceanogr. 38, 1403–1419]. After selecting the appropriate ecosystem parameters for each of the three sites we vary the spectral resolution of light and α∗ from 1 to 61 wavebands and study the results in conjunction with the three different α∗ estimation methods. The results show modeled estimates of ocean primary productivity are highly sensitive to the degree of spectral resolution and α∗. For accurate simulations of primary production and chlorophyll distribution we recommend a spectral resolution of at least six wavebands if α∗ is a function of wavelength and chlorophyll, and three wavebands if α∗ is a fixed value.

High-speed Keck spectroscopy of flares and oscillations in AE Aquarii

Using high-time-resolution (72 ms) spectroscopy of AE Aqr obtained with LRIS on Keck II we have determined the spectrum and spectral evolution of a small flare. Continuum and integrated line fluxes in the flare spectrum are measured, and the evolution of the flare is parametrized for future comparison with detailed models of the flares. We find that the velocities of the flaring components are consistent with those previously reported for AE Aqr by Welsh, Horne & Gomer and Horne. The characteristics of the 33-s oscillations are investigated: we derive the oscillation amplitude spectrum, and from that determine the spectrum of the heated regions on the rotating white dwarf. Blackbody fits to the major and minor pulse spectra and an analysis of the emission-line oscillation properties highlight the shortfalls in the simple hotspot model for the oscillations.

RESULTS FROM THE SLD BARREL CRID DETECTOR

We report on operational experience with an experimental performance of the SLD barrel Cherenkov Ring Imaging Detector from the 1992 and 1993 physics runs. The liquid (C6F14) and gas (C5F12) radiator recirculation systems have performed well, and the drift gas supply system has operated successfully with TMAE for three years. Cherenkov rings have been observed from both the liquid and gas radiators. The number and angular resolution of Cherenkov photons have been measured, and found to be close to design specifications.

Evaluation of water and sucrose diffusion coefficients in potato tissue during osmotic concentration

The water and sucrose effective diffusion coefficients behavior were studied in potato tubers immersed in aqueous sucrose solution, 50% (w/,A), at 27 degreesC. Water and sucrose concentration profiles were measured as function of the position for 3, 6 and 12 h of immersion. These were adjusted to a mathematical model for three components that take into account the bulk flow in a shrinking tissue and the concentration dependence of the diffusion coefficients.The binary effective coefficients were an order of magnitude lower than those for pure solutions of sucrose. These coefficients show an unusual concentration dependence. Analysis of these coefficients as functions of the concentration and position demonstrates that, cellular tissue promotes high resistance to diffusion in the tuber and also the elastic contraction of material influences the species diffusion. (C) 2003 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

MCAO for Extremely Large Telescopes: the cases of LBT and E-ELT

Several MCAO systems are under study to improve the angular resolution of the current and of the future generation large ground-based telescopes (diameters in the 8-40 m range). The subject of this PhD Thesis is embedded in this context. Two MCAO systems, in dierent realization phases, are addressed in this Thesis: NIRVANA, the 'double' MCAO system designed for one of the interferometric instruments of LBT, is in the integration and testing phase; MAORY, the future E-ELT MCAO module, is under preliminary study. These two systems takle the sky coverage problem in two dierent ways. The layer oriented approach of NIRVANA, coupled with multi-pyramids wavefront sensors, takes advantage of the optical co-addition of the signal coming from up to 12 NGS in a annular 2' to 6' technical FoV and up to 8 in the central 2' FoV. Summing the light coming from many natural sources permits to increase the limiting magnitude of the single NGS and to improve considerably the sky coverage. One of the two Wavefront Sensors for the mid- high altitude atmosphere analysis has been integrated and tested as a stand- alone unit in the laboratory at INAF-Osservatorio Astronomico di Bologna and afterwards delivered to the MPIA laboratories in Heidelberg, where was integrated and aligned to the post-focal optical relay of one LINC-NIRVANA arm. A number of tests were performed in order to characterize and optimize the system functionalities and performance. A report about this work is presented in Chapter 2. In the MAORY case, to ensure correction uniformity and sky coverage, the LGS-based approach is the current baseline. However, since the Sodium layer is approximately 10 km thick, the articial reference source looks elongated, especially when observed from the edge of a large aperture. On a 30-40 m class telescope, for instance, the maximum elongation varies between few arcsec and 10 arcsec, depending on the actual telescope diameter, on the Sodium layer properties and on the laser launcher position. The centroiding error in a Shack-Hartmann WFS increases proportionally to the elongation (in a photon noise dominated regime), strongly limiting the performance. To compensate for this effect a straightforward solution is to increase the laser power, i.e. to increase the number of detected photons per subaperture. The scope of Chapter 3 is twofold: an analysis of the performance of three dierent algorithms (Weighted Center of Gravity, Correlation and Quad-cell) for the instantaneous LGS image position measurement in presence of elongated spots and the determination of the required number of photons to achieve a certain average wavefront error over the telescope aperture. An alternative optical solution to the spot elongation problem is proposed in Section 3.4. Starting from the considerations presented in Chapter 3, a first order analysis of the LGS WFS for MAORY (number of subapertures, number of detected photons per subaperture, RON, focal plane sampling, subaperture FoV) is the subject of Chapter 4. An LGS WFS laboratory prototype was designed to reproduce the relevant aspects of an LGS SH WFS for the E-ELT and to evaluate the performance of different centroid algorithms in presence of elongated spots as investigated numerically and analytically in Chapter 3. This prototype permits to simulate realistic Sodium proles. A full testing plan for the prototype is set in Chapter 4.

Untersuchung von NEA-Photokathoden mittels zeitlich hochauflösender Vermessung von Intensitäts- und Spinpolarisationsverteilungen

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von Photokathoden mit negativer Elektronenaffinität (NEA) mittels zeitlich hochauflösender Vermessung der emittierten Ladungs- und Spinpolarisationsverteilungen nach Anregung mit einem ultrakurzen Laserpuls. Untersucht wurden uniaxial deformierte GaAsP-Photokathoden mit dünnen emittierenden Schichten (≤150nm), sowie undeformierte GaAs-Photokathoden mit unterschiedlichen Schichtdicken. Die Untersuchungen wurden an einer 100keV-Elektronenquelle durchgeführt, wie sie am Mainzer Mikrotron (MAMI) zur Erzeugung eines Spinpolarisierten Elektronenstrahls verwendet wird. Mit der Apparatur konnte eine Zeitauflösung von 2,5ps erreicht werden. Es zeigte sich, dass die tatsächliche Antwortzeit der Photokathoden die erreichte Zeitauflösung noch unterschreitet. Eine Depolarisation in den kurzen, wegen der Zeitauflösung auf 2,5ps begrenzten, Elektronenpulsen konnte aber nachgewiesen werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Polarisationsverlust der emittierten Elektronen bei dünnen Schichten im Wesentlichen auf eine energiekorrelierte Depolarisation beim Durchqueren der Bandbiegungszone zurückzuführen ist. Als weiteres Resultat wird, für die GaAsP-Photokathoden mit einer Schichtdicke von 150nm, eine Obergrenze für die mittlere Emissionszeit von ≤1,25ps angegeben. Daraus ergibt sich nach dem hier verwendeten Diffusionsmodell eine Untergrenze für die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit an der Bandbiegungszone von S≥1,2·10^7 cm/s.

Background minimization issues for next generation hard X-ray focusing telescopes

The hard X-ray band (10 - 100 keV) has been only observed so far by collimated and coded aperture mask instruments, with a sensitivity and an angular resolution lower than two orders of magnitude as respects the current X-ray focusing telescopes operating below 10 - 15 keV. The technological advance in X-ray mirrors and detection systems is now able to extend the X-ray focusing technique to the hard X-ray domain, filling the gap in terms of observational performances and providing a totally new deep view on some of the most energetic phenomena of the Universe. In order to reach a sensitivity of 1 muCrab in the 10 - 40 keV energy range, a great care in the background minimization is required, a common issue for all the hard X-ray focusing telescopes. In the present PhD thesis, a comprehensive analysis of the space radiation environment, the payload design and the resulting prompt X-ray background level is presented, with the aim of driving the feasibility study of the shielding system and assessing the scientific requirements of the future hard X-ray missions. A Geant4 based multi-mission background simulator, BoGEMMS, is developed to be applied to any high energy mission for which the shielding and instruments performances are required. It allows to interactively create a virtual model of the telescope and expose it to the space radiation environment, tracking the particles along their path and filtering the simulated background counts as a real observation in space. Its flexibility is exploited to evaluate the background spectra of the Simbol-X and NHXM mission, as well as the soft proton scattering by the X-ray optics and the selection of the best shielding configuration. Altough the Simbol-X and NHXM missions are the case studies of the background analysis, the obtained results can be generalized to any future hard X-ray telescope. For this reason, a simplified, ideal payload model is also used to select the major sources of background in LEO. All the results are original contributions to the assessment studies of the cited missions, as part of the background groups activities.

Untersuchung zur Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation mittels CT und MRT

Die zuverlässige Berechnung von quantitativen Parametern der Lungenventilation ist für ein Verständnis des Verhaltens der Lunge und insbesondere für die Diagnostik von Lungenerkrankungen von großer Bedeutung. Nur durch quantitative Parameter sind verlässliche und reproduzierbare diagnostische Aussagen über den Gesundheitszustand der Lunge möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue quantitative Verfahren zur Erfassung der Lungenventilation basierend auf der dynamischen Computer- (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Frage untersucht, ob das Aufblähen der Lunge in gesunden Schweinelungen und Lungen mit Akutem Lungenversagen (ARDS) durch einzelne, diskrete Zeitkonstanten beschrieben werden kann, oder ob kontinuierliche Verteilungen von Zeitkonstanten die Realität besser beschreiben. Hierzu wurden Serien dynamischer CT-Aufnahmen während definierter Beatmungsmanöver (Drucksprünge) aufgenommen und anschließend aus den Messdaten mittels inverser Laplace-Transformation die zugehörigen Verteilungen der Zeitkonstanten berechnet. Um die Qualität der Ergebnisse zu analysieren, wurde der Algorithmus im Rahmen von Simulationsrechnungen systematisch untersucht und anschließend in-vivo an gesunden und ARDS-Schweinelungen eingesetzt. Während in den gesunden Lungen mono- und biexponentielle Verteilungen bestimmt wurden, waren in den ARDS-Lungen Verteilungen um zwei dominante Zeitkonstanten notwendig, um die gemessenen Daten auf der Basis des verwendeten Modells verlässlich zu beschreiben. Es wurden sowohl diskrete als auch kontinuierliche Verteilungen gefunden. Die CT liefert Informationen über das solide Lungengewebe, während die MRT von hyperpolarisiertem 3He in der Lage ist, direkt das eingeatmete Gas abzubilden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde zeitlich hochaufgelöst das Einströmen eines 3He-Bolus in die Lunge erfasst. Über eine Entfaltungsanalyse wurde anschließend das Einströmverhalten unter Idealbedingungen (unendlich kurzer 3He-Bolus), also die Gewebeantwortfunktion, berechnet und so eine Messtechnik-unabhängige Erfassung des Einströmens von 3He in die Lunge ermöglicht. Zentrale Fragestellung war hier, wie schnell das Gas in die Lunge einströmt. Im Rahmen von Simulationsrechnungen wurde das Verhalten eines Entfaltungsalgorithmus (basierend auf B-Spline Repräsentationen) systematisch analysiert. Zusätzlich wurde ein iteratives Entfaltungsverfahren eingesetzt. Aus zeitlich hochaufgelösten Messungen (7ms) an einer gesunden und einer ARDS-Schweinelunge konnte erstmals nachgewiesen werden, dass das Einströmen in-vivo in weniger als 0,1s geschieht. Die Ergebnisse zeigen Zeitkonstanten im Bereich von 4ms–50ms, wobei zwischen der gesunden Lungen und der ARDS-Lunge deutliche Unterschiede beobachtet wurden. Zusammenfassend ermöglichen daher die in dieser Arbeit vorgestellten Algorithmen eine objektivere Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation. Dies ist für die eindeutige Beschreibung ventilatorischer Vorgänge in der Lunge und somit für die Lungendiagnostik unerlässlich. Damit stehen quantitative Methoden für die Lungenfunktionsdiagnostik zur Verfügung, deren diagnostische Relevanz im Rahmen wissenschaftlicher und klinischer Studien untersucht werden kann.

Evaporation of sessile microdrops studied with microcantilevers

The aim of this work is to investigate the evaporation dynamics of water microdrops deposited on atomic force microscope cantilevers, which were employed as sensitive stress, mass and temperature sensors with high time resolution. The technique has some advantages with respect to video-microscope imaging and ultra-precision weighting with electronic microbalances or quartz crystal microbalances, since it allows to measure more drop parameters simultaneously for smaller drop sizes. On hydrophobic surfaces a single measurement with a silicon cantilever provides data for the drop mass, contact angle and radius until very close to complete evaporation. On hydrophilic surfaces, it is as well possible to measure drop mass and inclination of the cantilever. The technique further allows to detect differences between water microdrops evaporating from clean hydrophilic and hydrophobic surfaces. On hydrophilic surfaces the cantilever inclination is negative at the end of the evaporation process. Negative inclination mostly occurs when drops are pinned. This effect can not be detected with any of the other well-established methods. The evidence arises that on the hydrophilic surface a thin water film forms, while this is not the case for the hydrophobic surface. Metal coated cantilevers can be used as thermometers, and allow to precisely measure the temperature of an evaporating microdrop. This can be relevant for further applications of cantilevers as calorimetric sensors for chemical reactions taking place in drops on their surface. The applicability of Young’s equation was verified for microdrops. It was shown that Young’s equation can not be applied to microscopic drops due to their fast evaporation. A study on evaporation of microdrops in saturated vapor atmosphere was performed to estimate evaporation times and compare them with a theory developed, which relates the initial drop volume with the overall evaporation time.