New mechanisms for modelling the motion of the human ankle complex

The relevance of human joint models was shown in the literature. In particular, the great importance of models for the joint passive motion simulation (i.e. motion under virtually unloaded conditions) was outlined. They clarify the role played by the principal anatomical structures of the articulation, enhancing the comprehension of surgical treatments, and in particular the design of total ankle replacement and ligament reconstruction. Equivalent rigid link mechanisms proved to be an efficient tool for an accurate simulation of the joint passive motion. This thesis focuses on the ankle complex (i.e. the anatomical structure composed of the tibiotalar and the subtalar joints), which has a considerable role in human locomotion. The lack of interpreting models of this articulation and the poor results of total ankle replacement arthroplasty have strongly suggested devising new mathematical models capable of reproducing the restraining function of each structure of the joint and of replicating the relative motion of the bones which constitute the joint itself. In this contest, novel equivalent mechanisms are proposed for modelling the ankle passive motion. Their geometry is based on the joint’s anatomical structures. In particular, the role of the main ligaments of the articulation is investigated under passive conditions by means of nine 5-5 fully parallel mechanisms. Based on this investigation, a one-DOF spatial mechanism is developed for modelling the passive motion of the lower leg. The model considers many passive structures constituting the articulation, overcoming the limitations of previous models which took into account few anatomical elements of the ankle complex. All the models have been identified from experimental data by means of optimization procedure. Then, the simulated motions have been compared to the experimental one, in order to show the efficiency of the approach and thus to deduce the role of each anatomical structure in the ankle kinematic behavior.

Subject-specific musculoskeletal models of the lower limbs for the prediction of skeletal loads during motion

The determination of skeletal loading conditions in vivo and their relationship to the health of bone tissues, remain an open question. Computational modeling of the musculoskeletal system is the only practicable method providing a valuable approach to muscle and joint loading analyses, although crucial shortcomings limit the translation process of computational methods into the orthopedic and neurological practice. A growing attention focused on subject-specific modeling, particularly when pathological musculoskeletal conditions need to be studied. Nevertheless, subject-specific data cannot be always collected in the research and clinical practice, and there is a lack of efficient methods and frameworks for building models and incorporating them in simulations of motion. The overall aim of the present PhD thesis was to introduce improvements to the state-of-the-art musculoskeletal modeling for the prediction of physiological muscle and joint loads during motion. A threefold goal was articulated as follows: (i) develop state-of-the art subject-specific models and analyze skeletal load predictions; (ii) analyze the sensitivity of model predictions to relevant musculotendon model parameters and kinematic uncertainties; (iii) design an efficient software framework simplifying the effort-intensive phases of subject-specific modeling pre-processing. The first goal underlined the relevance of subject-specific musculoskeletal modeling to determine physiological skeletal loads during gait, corroborating the choice of full subject-specific modeling for the analyses of pathological conditions. The second goal characterized the sensitivity of skeletal load predictions to major musculotendon parameters and kinematic uncertainties, and robust probabilistic methods were applied for methodological and clinical purposes. The last goal created an efficient software framework for subject-specific modeling and simulation, which is practical, user friendly and effort effective. Future research development aims at the implementation of more accurate models describing lower-limb joint mechanics and musculotendon paths, and the assessment of an overall scenario of the crucial model parameters affecting the skeletal load predictions through probabilistic modeling.

From inverted pendulum to N-link chain: inertial sensors-based assessment of movement kinematics and dynamics for functional evaluation and rehabilitation

Despite several clinical tests that have been developed to qualitatively describe complex motor tasks by functional testing, these methods often depend on clinicians' interpretation, experience and training, which make the assessment results inconsistent, without the precision required to objectively assess the effect of the rehabilitative intervention. A more detailed characterization is required to fully capture the various aspects of motor control and performance during complex movements of lower and upper limbs. The need for cost-effective and clinically applicable instrumented tests would enable quantitative assessment of performance on a subject-specific basis, overcoming the limitations due to the lack of objectiveness related to individual judgment, and possibly disclosing subtle alterations that are not clearly visible to the observer. Postural motion measurements at additional locations, such as lower and upper limbs and trunk, may be necessary in order to obtain information about the inter-segmental coordination during different functional tests involved in clinical practice. With these considerations in mind, this Thesis aims: i) to suggest a novel quantitative assessment tool for the kinematics and dynamics evaluation of a multi-link kinematic chain during several functional motor tasks (i.e. squat, sit-to-stand, postural sway), using one single-axis accelerometer per segment, ii) to present a novel quantitative technique for the upper limb joint kinematics estimation, considering a 3-link kinematic chain during the Fugl-Meyer Motor Assessment and using one inertial measurement unit per segment. The suggested methods could have several positive feedbacks from clinical practice. The use of objective biomechanical measurements, provided by inertial sensor-based technique, may help clinicians to: i) objectively track changes in motor ability, ii) provide timely feedback about the effectiveness of administered rehabilitation interventions, iii) enable intervention strategies to be modified or changed if found to be ineffective, and iv) speed up the experimental sessions when several subjects are asked to perform different functional tests.

Boron determination in biological samples - Intercomparison of three analytical methods to assist development of a treatment protocol for neoplastic diseases of the liver with Boron Neutron Capture Therapy

Die Bor-Neuroneneinfang-Therapie (engl.: Boron Neutron Capture Therapy, BNCT) ist eine indirekte Strahlentherapie, welche durch die gezielte Freisetzung von dicht ionisierender Strahlung Tumorzellen zerstört. Die freigesetzten Ionen sind Spaltfragmente einer Kernreaktion, bei welcher das Isotop 10B ein niederenergetisches (thermisches) Neutron einfängt. Das 10B wird durch ein spezielles Borpräparat in den Tumorzellen angereichert, welches selbst nicht radioaktiv ist. rnAn der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurde die Forschung für die Anwendung eines klinischen Behandlungsprotokolls durch zwei Heilversuche bei Patienten mit kolorektalen Lebermetastasen an der Universität Pavia, Italien, angeregt, bei denen die Leber außerhalb des Körpers in einem Forschungsreaktor bestrahlt wurde. Als erster Schritt wurde in Kooperation verschiedener universitärer Institute eine klinische Studie zur Bestimmung klinisch relevanter Parameter wie der Borverteilung in verschiedenen Geweben und dem pharmakokinetischen Aufnahmeverhalten des Borpräparates initiiert.rnDie Borkonzentration in den Gewebeproben wurde hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilung in verschiedenen Zellarealen bestimmt, um mehr über das Aufnahmeverhalten der Zellen für das BPA im Hinblick auf ihre biologischen Charakteristika zu erfahren. Die Borbestimung wurde per Quantitative Neutron Capture Radiography, Prompt Gamma Activation Analysis und Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy parallel zur histologischen Analyse des Gewebes durchgeführt. Es war möglich zu zeigen, dass in Proben aus Tumorgewebe und aus tumorfreiem Gewebe mit unterschiedlichen morphologischen Eigenschaften eine sehr heterogene Borverteilung vorliegt. Die Ergebnisse der Blutproben werden für die Erstellung eines pharmakokinetischen Modells verwendet und sind in Übereinstimmung mit existierenden pharmakokinetische Modellen. Zusätzlich wurden die Methoden zur Borbestimmung über speziell hergestellte Referenzstandards untereinander verglichen. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse festgestellt, ferner wurde für alle biologischen Proben Standardanalyseprotokolle erstellt.rnDie bisher erhaltenen Ergebnisse der klinischen Studie sind vielversprechend, lassen aber noch keine endgültigen Schlussfolgerungen hinsichtlich der Wirksamkeit von BNCT für maligne Lebererkrankungen zu. rn

Diffusion maps in the Subriemannian motion group and perceptual grouping

Il presente lavoro è motivato dal problema della constituzione di unità percettive a livello della corteccia visiva primaria V1. Si studia dettagliatamente il modello geometrico di Citti-Sarti con particolare attenzione alla modellazione di fenomeni di associazione visiva. Viene studiato nel dettaglio un modello di connettività. Il contributo originale risiede nell'adattamento del metodo delle diffusion maps, recentemente introdotto da Coifman e Lafon, alla geometria subriemanniana della corteccia visiva. Vengono utilizzati strumenti di teoria del potenziale, teoria spettrale, analisi armonica in gruppi di Lie per l'approssimazione delle autofunzioni dell'operatore del calore sul gruppo dei moti rigidi del piano. Le autofunzioni sono utilizzate per l'estrazione di unità percettive nello stimolo visivo. Sono presentate prove sperimentali e originali delle capacità performanti del metodo.

Radiative neutron capture cross section on 238U at the n_TOF CERN facility: a high precision measurement

The aim of this work is to provide a precise and accurate measurement of the 238U(n,gamma) reaction cross-section. This reaction is of fundamental importance for the design calculations of nuclear reactors, governing the behaviour of the reactor core. In particular, fast neutron reactors, which are experiencing a growing interest for their ability to burn radioactive waste, operate in the high energy region of the neutron spectrum. In this energy region inconsistencies between the existing measurements are present up to 15%, and the most recent evaluations disagree each other. In addition, the assessment of nuclear data uncertainty performed for innovative reactor systems shows that the uncertainty in the radiative capture cross-section of 238U should be further reduced to 1-3% in the energy region from 20 eV to 25 keV. To this purpose, addressed by the Nuclear Energy Agency as a priority nuclear data need, complementary experiments, one at the GELINA and two at the n_TOF facility, were scheduled within the ANDES project within the 7th Framework Project of the European Commission. The results of one of the 238U(n,gamma) measurement performed at the n_TOF CERN facility are presented in this work, carried out with a detection system constituted of two liquid scintillators. The very accurate cross section from this work is compared with the results obtained from the other measurement performed at the n_TOF facility, which exploit a different and complementary detection technique. The excellent agreement between the two data-sets points out that they can contribute to the reduction of the cross section uncertainty down to the required 1-3%.

Efficient parallel proximity queries and an application to highly complex motion planning problems with many narrow passages

In vielen Bereichen der industriellen Fertigung, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, wer- den digitale Versuchsmodelle (sog. digital mock-ups) eingesetzt, um die Entwicklung komplexer Maschinen m ̈oglichst gut durch Computersysteme unterstu ̈tzen zu k ̈onnen. Hierbei spielen Be- wegungsplanungsalgorithmen eine wichtige Rolle, um zu gew ̈ahrleisten, dass diese digitalen Pro- totypen auch kollisionsfrei zusammengesetzt werden k ̈onnen. In den letzten Jahrzehnten haben sich hier sampling-basierte Verfahren besonders bew ̈ahrt. Diese erzeugen eine große Anzahl von zuf ̈alligen Lagen fu ̈r das ein-/auszubauende Objekt und verwenden einen Kollisionserken- nungsmechanismus, um die einzelnen Lagen auf Gu ̈ltigkeit zu u ̈berpru ̈fen. Daher spielt die Kollisionserkennung eine wesentliche Rolle beim Design effizienter Bewegungsplanungsalgorith- men. Eine Schwierigkeit fu ̈r diese Klasse von Planern stellen sogenannte “narrow passages” dar, schmale Passagen also, die immer dort auftreten, wo die Bewegungsfreiheit der zu planenden Objekte stark eingeschr ̈ankt ist. An solchen Stellen kann es schwierig sein, eine ausreichende Anzahl von kollisionsfreien Samples zu finden. Es ist dann m ̈oglicherweise n ̈otig, ausgeklu ̈geltere Techniken einzusetzen, um eine gute Performance der Algorithmen zu erreichen.rnDie vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile: Im ersten Teil untersuchen wir parallele Kollisionserkennungsalgorithmen. Da wir auf eine Anwendung bei sampling-basierten Bewe- gungsplanern abzielen, w ̈ahlen wir hier eine Problemstellung, bei der wir stets die selben zwei Objekte, aber in einer großen Anzahl von unterschiedlichen Lagen auf Kollision testen. Wir im- plementieren und vergleichen verschiedene Verfahren, die auf Hu ̈llk ̈operhierarchien (BVHs) und hierarchische Grids als Beschleunigungsstrukturen zuru ̈ckgreifen. Alle beschriebenen Verfahren wurden auf mehreren CPU-Kernen parallelisiert. Daru ̈ber hinaus vergleichen wir verschiedene CUDA Kernels zur Durchfu ̈hrung BVH-basierter Kollisionstests auf der GPU. Neben einer un- terschiedlichen Verteilung der Arbeit auf die parallelen GPU Threads untersuchen wir hier die Auswirkung verschiedener Speicherzugriffsmuster auf die Performance der resultierenden Algo- rithmen. Weiter stellen wir eine Reihe von approximativen Kollisionstests vor, die auf den beschriebenen Verfahren basieren. Wenn eine geringere Genauigkeit der Tests tolerierbar ist, kann so eine weitere Verbesserung der Performance erzielt werden.rnIm zweiten Teil der Arbeit beschreiben wir einen von uns entworfenen parallelen, sampling- basierten Bewegungsplaner zur Behandlung hochkomplexer Probleme mit mehreren “narrow passages”. Das Verfahren arbeitet in zwei Phasen. Die grundlegende Idee ist hierbei, in der er- sten Planungsphase konzeptionell kleinere Fehler zuzulassen, um die Planungseffizienz zu erh ̈ohen und den resultierenden Pfad dann in einer zweiten Phase zu reparieren. Der hierzu in Phase I eingesetzte Planer basiert auf sogenannten Expansive Space Trees. Zus ̈atzlich haben wir den Planer mit einer Freidru ̈ckoperation ausgestattet, die es erlaubt, kleinere Kollisionen aufzul ̈osen und so die Effizienz in Bereichen mit eingeschr ̈ankter Bewegungsfreiheit zu erh ̈ohen. Optional erlaubt unsere Implementierung den Einsatz von approximativen Kollisionstests. Dies setzt die Genauigkeit der ersten Planungsphase weiter herab, fu ̈hrt aber auch zu einer weiteren Perfor- mancesteigerung. Die aus Phase I resultierenden Bewegungspfade sind dann unter Umst ̈anden nicht komplett kollisionsfrei. Um diese Pfade zu reparieren, haben wir einen neuartigen Pla- nungsalgorithmus entworfen, der lokal beschr ̈ankt auf eine kleine Umgebung um den bestehenden Pfad einen neuen, kollisionsfreien Bewegungspfad plant.rnWir haben den beschriebenen Algorithmus mit einer Klasse von neuen, schwierigen Metall- Puzzlen getestet, die zum Teil mehrere “narrow passages” aufweisen. Unseres Wissens nach ist eine Sammlung vergleichbar komplexer Benchmarks nicht ̈offentlich zug ̈anglich und wir fan- den auch keine Beschreibung von vergleichbar komplexen Benchmarks in der Motion-Planning Literatur.

Development and in vitro testing of liposomal gadolinium-formulations for neutron capture therapy of glioblastoma multiforme

For the improvement of current neutron capture therapy, several liposomal formulations of neutron capture agent gadolinium were developed and tested in a glioma cell model. Formulations were analyzed regarding physicochemical and biological parameters, such as size, zeta potential, uptake into cancer cells and performance under neutron irradiation. The neutron and photon dose derived from intracellular as well as extracellular Gd was calculated via Monte Carlo simulations and set in correlation with the reduction of cell survival after irradiation. To investigate the suitability of Gd as a radiosensitizer for photon radiation, cells were also irradiated with synchrotron radiation in addition to clinically used photons generated by linear accelerator.rnIrradiation with neutrons led to significantly lower survival for Gd-liposome-treated F98 and LN229 cells, compared to irradiated control cells and cells treated with non-liposomal Gd-DTPA. Correlation between Gd-content and -dose and respective cell survival displayed proportional relationship for most of the applied formulations. Photon irradiation experiments showed the proof-of-principle for the radiosensitizer approach, although the photon spectra currently used have to be optimized for higher efficiency of the radiosensitizer. In conclusion, the newly developed Gd-liposomes show great potential for the improvement of radiation treatment options for highly malignant glioblastoma.rn

Analytische Ableitungen der Energie für den "Equation-of-Motion-Coupled-Cluster"-Ansatz zur Berechnung von Ionisationspotentialen

In der vorliegenden Arbeit wird die Theorie der analytischen zweiten Ableitungen für die EOMIP-CCSD-Methode formuliert sowie die durchgeführte Implementierung im Quantenchemieprogramm CFOUR beschrieben. Diese Ableitungen sind von Bedeutung bei der Bestimmung statischer Polarisierbarkeiten und harmonischer Schwingungsfrequenzen und in dieser Arbeit wird die Genauigkeit des EOMIP-CCSD-Ansatzes bei der Berechnung dieser Eigenschaften für verschiedene radikalische Systeme untersucht. Des Weiteren können mit Hilfe der ersten und zweiten Ableitungen vibronische Kopplungsparameter berechnet werden, welche zur Simulation von Molekülspektren in Kombination mit dem Köppel-Domcke-Cederbaum (KDC)-Modell - in der Arbeit am Beispiel des Formyloxyl (HCO2)-Radikals demonstriert - benötigt werden.rnrnDer konzeptionell einfache EOMIP-CC-Ansatz wurde gewählt, da hier die Wellenfunktion eines Radikalsystems ausgehend von einem stabilen geschlossenschaligen Zustand durch die Entfernung eines Elektrons gebildet wird und somit die Problematik der Symmetriebrechung umgangen werden kann. Im Rahmen der Implementierung wurden neue Programmteile zur Lösung der erforderlichen Gleichungen für die gestörten EOMIP-CC-Amplituden und die gestörten Lagrange-Multiplikatoren zeta zum Quantenchemieprogramm CFOUR hinzugefügt. Die unter Verwendung des Programms bestimmten Eigenschaften werden hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit im Vergleich zu etablierten Methoden wie z.B. CCSD(T) untersucht. Bei der Berechnung von Polarisierbarkeiten und harmonischen Schwingungsfrequenzen liefert die EOMIP-CCSD-Theorie meist gute Resultate, welche nur wenig von den CCSD(T)-Ergebnissen abweichen. Einzig bei der Betrachtung von Radikalen, für die die entsprechenden Anionen nicht stabil sind (z.B. NH2⁻ und CH3⁻), liefert der EOMIP-CCSD-Ansatz aufgrund methodischer Nachteile keine aussagekräftige Beschreibung. rnrnDie Ableitungen der EOMIP-CCSD-Energie lassen sich auch zur Simulation vibronischer Kopplungen innerhalb des KDC-Modells einsetzen.rnZur Kopplung verschiedener radikalischer Zustände in einem solchen Modellpotential spielen vor allem die Ableitungen von Übergangsmatrixelementen eine wichtige Rolle. Diese sogenannten Kopplungskonstanten können in der EOMIP-CC-Theorie besonders leicht definiert und berechnet werden. Bei der Betrachtung des Photoelektronenspektrums von HCO2⁻ werden zwei Alternativen untersucht: Die vertikale Bestimmung an der Gleichgewichtsgeometrie des HCO2⁻-Anions und die Ermittlung adiabatischer Kraftkonstanten an den Gleichgewichtsgeometrien des Radikals. Lediglich das adiabatische Modell liefert bei Beschränkung auf harmonische Kraftkonstanten eine qualitativ sinnvolle Beschreibung des Spektrums. Erweitert man beide Modelle um kubische und quartische Kraftkonstanten, so nähern sich diese einander an und ermöglichen eine vollständige Zuordnung des gemessenen Spektrums innerhalb der ersten 1500 cm⁻¹. Die adiabatische Darstellung erreicht dabei nahezu quantitative Genauigkeit.

Surface-acoustic-wave counterflow micropumps for on-chip liquid motion control in two-dimensional microchannel arrays

Fully controlled liquid injection and flow in hydrophobic polydimethylsiloxane (PDMS) two-dimensional microchannel arrays based on on-chip integrated, low-voltage-driven micropumps are demonstrated. Our architecture exploits the surface-acoustic-wave (SAW) induced counterflow mechanism and the effect of nebulization anisotropies at crossing areas owing to lateral propagating SAWs. We show that by selectively exciting single or multiple SAWs, fluids can be drawn from their reservoirs and moved towards selected positions of a microchannel grid. Splitting of the main liquid flow is also demonstrated by exploiting multiple SAW beams. As a demonstrator, we show simultaneous filling of two orthogonal microchannels. The present results show that SAW micropumps are good candidates for truly integrated on-chip fluidic networks allowing liquid control in arbitrarily shaped two-dimensional microchannel arrays.

Loss of pace capture on the ablation line: a new marker for complete radiofrequency lesions to achieve pulmonary vein isolation

Catheter ablation procedures for atrial fibrillation (AF) often involve circumferential antral isolation of pulmonary veins (PV). Inability to reliably identify conduction gaps on the ablation line necessitates placing additional lesions within the intended lesion set.

Combining 3D tracking and surgical instrumentation to determine the stiffness of spinal motion segments: a validation study

The spine is a complex structure that provides motion in three directions: flexion and extension, lateral bending and axial rotation. So far, the investigation of the mechanical and kinematic behavior of the basic unit of the spine, a motion segment, is predominantly a domain of in vitro experiments on spinal loading simulators. Most existing approaches to measure spinal stiffness intraoperatively in an in vivo environment use a distractor. However, these concepts usually assume a planar loading and motion. The objective of our study was to develop and validate an apparatus, that allows to perform intraoperative in vivo measurements to determine both the applied force and the resulting motion in three dimensional space. The proposed setup combines force measurement with an instrumented distractor and motion tracking with an optoelectronic system. As the orientation of the applied force and the three dimensional motion is known, not only force-displacement, but also moment-angle relations could be determined. The validation was performed using three cadaveric lumbar ovine spines. The lateral bending stiffness of two motion segments per specimen was determined with the proposed concept and compared with the stiffness acquired on a spinal loading simulator which was considered to be gold standard. The mean values of the stiffness computed with the proposed concept were within a range of ±15% compared to data obtained with the spinal loading simulator under applied loads of less than 5 Nm.