Plasmoscope: Automated spectroscopy of single nanoparticles

Plasmonen sind die kollektive resonante Anregung von Leitungselektronen. Vom Licht angeregternPlasmonen in subwellenlängen-grossen Nanopartikeln heissen Partikelplasmonen und sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Mikrosensoren wegen der starken Abhängigkeit der Resonanz an extern steuerbaren Parametern, wie die optischen Eigenschaften des umgebenden Mediums und die elektrische Ladung der Nanopartikel. Die extrem hohe Streue_zienz von Partikelplasmonen erlaubt eine einfache Beobachtung einzelner Nanopartikel in einem Mikroskop.rnDie Anforderung, schnell eine statistisch relevante Anzahl von Datenpunkten sammeln zu können,rnund die wachsende Bedeutung von plasmonischen (vor allem Gold-) Nanopartikeln für Anwendungenrnin der Medizin, hat nach der Entwicklung von automatisierten Mikroskopen gedrängt, die im bis dahin nur teilweise abgedeckten spektralen Fenster der biologischen Gewebe (biologisches Fenster) von 650 bis 900nm messen können. Ich stelle in dieser Arbeit das Plasmoscope vor, das genau unter Beobachtung der genannten Anforderungen entworfen wurde, in dem (1) ein einstellbarer Spalt in die Eingangsö_nung des Spektrometers, die mit der Bildebene des Mikroskops zusammenfällt, gesetzt wurde, und (2) einem Piezo Scantisch, der es ermöglicht, die Probe durch diesen schmalen Spalt abzurastern. Diese Verwirklichung vermeidet optische Elemente, die im nahen Infra-Rot absorbieren.rnMit dem Plasmoscope untersuche ich die plasmonische Sensitivität von Gold- und Silbernanostrnäbchen, d.h. die Plasmon-Resonanzverschiebung in Abhängigkeit mit der Änderung des umgebendenrnMediums. Die Sensitivität ist das Mass dafür, wie gut die Nanopartikeln Materialänderungenrnin ihrer Umgebung detektieren können, und damit ist es immens wichtig zu wissen, welche Parameterrndie Sensitivität beein_ussen. Ich zeige hier, dass Silbernanostäbchen eine höhere Sensitivität alsrnGoldnanostäbchen innerhalb des biologischen Fensters besitzen, und darüberhinaus, dass die Sensitivität mit der Dicke der Stäbchen wächst. Ich stelle eine theoretische Diskussion der Sensitivitätrnvor, indenti_ziere die Materialparameter, die die Sensitivität bein_ussen und leite die entsprechendenrnFormeln her. In einer weiteren Annäherung präsentiere ich experimentelle Daten, die die theoretische Erkenntnis unterstützen, dass für Sensitivitätsmessschemata, die auch die Linienbreite mitberücksichtigen, Goldnanostäbchen mit einem Aspektverhältnis von 3 bis 4 das optimalste Ergebnis liefern. Verlässliche Sensoren müssen eine robuste Wiederholbarkeit aufweisen, die ich mit Gold- und Silbernanostäbchen untersuche.rnDie Plasmonen-resonanzwellenlänge hängt von folgenden intrinsischen Materialparametern ab:rnElektrondichte, Hintergrundpolarisierbarkeit und Relaxationszeit. Basierend auf meinen experimentellen Ergebnissen zeige ich, dass Nanostäbchen aus Kupfer-Gold-Legierung im Vergleich zu ähnlich geformten Goldnanostäbchen eine rotverschobene Resonanz haben, und in welcher Weiserndie Linienbreite mit der stochimetrischen Zusammensetzung der legierten Nanopartikeln variiert.rnDie Abhängigkeit der Linienbreite von der Materialzusammensetzung wird auch anhand von silberbeschichteten und unbeschichteten Goldnanostäbchen untersucht.rnHalbleiternanopartikeln sind Kandidaten für e_ziente photovoltaische Einrichtungen. Die Energieumwandlung erfordert eine Ladungstrennung, die mit dem Plasmoscope experimentell vermessen wird, in dem ich die lichtinduzierte Wachstumsdynamik von Goldsphären auf Halbleiternanost äbchen in einer Goldionenlösung durch die Messung der gestreuten Intensität verfolge.rn

Imaging spin-filter efficiency of W(001) and Ir(001) single crystals

Während der letzten Jahre wurde für Spinfilter-Detektoren ein wesentlicher Schritt in Richtung stark erhöhter Effizienz vollzogen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für spinaufgelöste Messungen mit Hilfe von modernen Elektronensp ektrometern und Impulsmikroskopen. In dieser Doktorarbeit wurden bisherige Arbeiten der parallel abbildenden Technik weiterentwickelt, die darauf beruht, dass ein elektronenoptisches Bild unter Ausnutzung der k-parallel Erhaltung in der Niedrigenergie-Elektronenbeugung auch nach einer Reflektion an einer kristallinen Oberfläche erhalten bleibt. Frühere Messungen basierend auf der spekularen Reflexion an einerrnW(001) Oberfläche [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011] wurden auf einenrnviel größeren Parameterbereich erweitert und mit Ir(001) wurde ein neues System untersucht, welches eine sehr viel längere Lebensdauer der gereinigten Kristalloberfläche im UHV aufweist. Die Streuenergie- und Einfallswinkel-“Landschaft” der Spinempfindlichkeit S und der Reflektivität I/I0 von gestreuten Elektronen wurde im Bereich von 13.7 - 36.7 eV Streuenergie und 30◦ - 60◦ Streuwinkel gemessen. Die dazu neu aufgebaute Messanordnung umfasst eine spinpolarisierte GaAs Elektronenquellernund einen drehbaren Elektronendetektor (Delayline Detektor) zur ortsauflösenden Detektion der gestreuten Elektronen. Die Ergebnisse zeigen mehrere Regionen mit hoher Asymmetrie und großem Gütefaktor (figure of merit FoM), definiert als S2 · I/I0. Diese Regionen eröffnen einen Weg für eine deutliche Verbesserung der Vielkanal-Spinfiltertechnik für die Elektronenspektroskopie und Impulsmikroskopie. Im praktischen Einsatz erwies sich die Ir(001)-Einkristalloberfläche in Bezug auf längere Lebensdauer im UHV (ca. 1 Messtag), verbunden mit hoher FOM als sehr vielversprechend. Der Ir(001)-Detektor wurde in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator bei einem zeitaufgelösten Experiment im Femtosekunden-Bereich am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY eingesetzt. Als gute Arbeitspunkte erwiesen sich 45◦ Streuwinkel und 39 eV Streuenergie, mit einer nutzbaren Energiebreite von 5 eV, sowie 10 eV Streuenergie mit einem schmaleren Profil von < 1 eV aber etwa 10× größerer Gütefunktion. Die Spinasymmetrie erreicht Werte bis 70 %, was den Einfluss von apparativen Asymmetrien deutlich reduziert. Die resultierende Messungen und Energie-Winkel-Landschaft zeigt recht gute Übereinstimmung mit der Theorie (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al.,rn2012])

PS-GANS: A Patient-Specific, Gravity Assisted Navigation System for Acetabular Cup Placement

In this paper we propose a new system that allows reliable acetabular cup placement when the THA is operated in lateral approach. Conceptually it combines the accuracy of computer-generated patient-specific morphology information with an easy-to-use mechanical guide, which effectively uses natural gravity as the angular reference. The former is achieved by using a statistical shape model-based 2D-3D reconstruction technique that can generate a scaled, patient-specific 3D shape model of the pelvis from a single conventional anteroposterior (AP) pelvic X-ray radiograph. The reconstructed 3D shape model facilitates a reliable and accurate co-registration of the mechanical guide with the patient’s anatomy in the operating theater. We validated the accuracy of our system by conducting experiments on placing seven cups to four pelvises with different morphologies. Taking the measurements from an image-free navigation system as the ground truth, our system showed an average accuracy of 2.1 ±0.7 o for inclination and an average accuracy of 1.2 ±1.4 o for anteversion.

A navigation system for percutaneous needle interventions based on PET/CT images: design, workflow and error analysis of soft tissue and bone punctures

Percutaneous needle intervention based on PET/CT images is effective, but exposes the patient to unnecessary radiation due to the increased number of CT scans required. Computer assisted intervention can reduce the number of scans, but requires handling, matching and visualization of two different datasets. While one dataset is used for target definition according to metabolism, the other is used for instrument guidance according to anatomical structures. No navigation systems capable of handling such data and performing PET/CT image-based procedures while following clinically approved protocols for oncologic percutaneous interventions are available. The need for such systems is emphasized in scenarios where the target can be located in different types of tissue such as bone and soft tissue. These two tissues require different clinical protocols for puncturing and may therefore give rise to different problems during the navigated intervention. Studies comparing the performance of navigated needle interventions targeting lesions located in these two types of tissue are not often found in the literature. Hence, this paper presents an optical navigation system for percutaneous needle interventions based on PET/CT images. The system provides viewers for guiding the physician to the target with real-time visualization of PET/CT datasets, and is able to handle targets located in both bone and soft tissue. The navigation system and the required clinical workflow were designed taking into consideration clinical protocols and requirements, and the system is thus operable by a single person, even during transition to the sterile phase. Both the system and the workflow were evaluated in an initial set of experiments simulating 41 lesions (23 located in bone tissue and 18 in soft tissue) in swine cadavers. We also measured and decomposed the overall system error into distinct error sources, which allowed for the identification of particularities involved in the process as well as highlighting the differences between bone and soft tissue punctures. An overall average error of 4.23 mm and 3.07 mm for bone and soft tissue punctures, respectively, demonstrated the feasibility of using this system for such interventions. The proposed system workflow was shown to be effective in separating the preparation from the sterile phase, as well as in keeping the system manageable by a single operator. Among the distinct sources of error, the user error based on the system accuracy (defined as the distance from the planned target to the actual needle tip) appeared to be the most significant. Bone punctures showed higher user error, whereas soft tissue punctures showed higher tissue deformation error.

Precise pose recovery of distal locking holes from single calibrated fluoroscopic image via a novel variable decomposition approach

This paper presents a novel variable decomposition approach for pose recovery of the distal locking holes using single calibrated fluoroscopic image. The problem is formulated as a model-based optimal fitting process, where the control variables are decomposed into two sets: (a) the angle between the nail axis and its projection on the imaging plane, and (b) the translation and rotation of the geometrical model of the distal locking hole around the nail axis. By using an iterative algorithm to find the optimal values of the latter set of variables for any given value of the former variable, we reduce the multiple-dimensional model-based optimal fitting problem to a one-dimensional search along a finite interval. We report the results of our in vitro experiments, which demonstrate that the accuracy of our approach is adequate for successful distal locking of intramedullary nails.