Offenes Baukastensystem zur effizienten Dimensionierung von Materialflusssystemen

Die optimale Gestaltung logistischer Systeme und Prozesse bekommt eine immer größere Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen. Für Einzelkomponenten von Materi-alflusssystemen sind neben exakten analytischen Verfahren auch Näherungslösungen und Ersatzmodelle in Form von Polynomen, neuronalen Netzen oder zeitdiskreten Verfahren vorhanden, mit denen eine gute Nachbildung des Verhaltens dieser Komponenten möglich ist. Ziel des Baukastensystems ist es, für diese Vielzahl von Methoden mit ihren spezifischen Ein- und Aus-gangsgrößen eine übergeordnete, einheitliche Kommunikations- und Datenschnittstelle zu definieren. In einem grafischen Editor kann ein Modell eines Materialflusssystems aus solchen Bausteinen gebildet und parametriert werden. Durch Verbindungen zwischen den Bausteinen werden Informationen ausge-tauscht. Die Berechnungen der Bausteine liefern Aussagen zu Auslastungen, Warteschlangen bzw. Warte-zeiten vor den Bausteinen sowie Flussgrößen zur Beschreibung der Abgangströme. The optimal arrangement of logistical systems and operations gets an increased importance for the economicalness and competitiveness of enterprises. For individual components of material flow systems there are also existing approximate solutions and substitute models besides exact analytical calculations in the form of polynomials, neural nets or time-discrete analysis which allows a good analytical description of the behaviour of these components. It is aim of the module system to define a superordinate and unified communication and data interface for all of these variety of methods with her specific input and output quantities. By using a graphic editor, the material flow system can be modelled of such components with specified functions and parameters. Connections between the components allows exchange of information. The calculations of the components provide statements concerning utilization, queue size or waiting time ahead of the components as well as parameters for the description of the departure process. Materialflusssysteme sind Träger innerbetrieblicher Transportprozesse und elementarer Bestandteil logistischer Systeme. Die optimale Gestaltung logistischer Systeme und Prozesse bekommt eine immer größere Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen. Die effiziente Dimensionierung von Materialflusssystemen ist für Planer, Hersteller und Betreiber solcher Anlagen von grundsätzlicher Bedeutung. Für viele bei der Planung materialflusstechnischer Anlagen auftretende Fragestellungen steht noch immer kein Berechnungsverfahren oder -werkzeug zur Verfügung, welches allen drei folgenden Anforderungen gleicherma-ßen gerecht wird: Die Handhabung soll einfach, unkompliziert und schnell sein. Die Berechnungsergebnisse sollen eine hohe Genauigkeit haben. Die Berechnung soll allgemein gültige Ergebnisse liefern. Dabei handelt es sich um Fragestellungen, die durchaus grundlegender Natur sind. Beispielsweise nach den (statistisch) zu erwartenden minimalen und maximalen Auftragsdurchlaufzeiten, nach dem Einfluss von Belas-tungsschwankungen auf die Anlagenleistung, nach vorzusehenden Puffern (Stauplätze) und Leistungsreserven (Auslastung). Für die oben genannten Aufgaben der Materialflussplanung stehen heute hauptsächlich drei Verfahren zur Verfügung (Abb. 1): Faustformeln (gekennzeichnet mit f) sind einfach aber ungenau. Das Systemverhalten von Materialfluss-komponenten beschreiben sie selten über den gesamten Bereich möglicher Betriebsbedingungen und Konfi-gurationen. Das Verhalten von gesamten Materialflusssystemen ist zu komplex, als dass es mit Faustformeln adäquat beschreibbar wäre. Bedienungstheoretische Ansätze erlauben die Beschreibung von Materialflusskomponenten (kleines b) sehr genau und sehr umfassend, soweit Standardmethoden und -modelle der Bedienungstheorie anwendbar sind. Ist diese Voraussetzung nicht gegeben, kann der Aufwand zur Modellbildung schnell erheblich werden. Die Beschreibung von Materialflusssystemen (großes B) als Bedienungsnetzwerke ist nur unter (zum Teil stark) vereinfachenden Annahmen möglich. Solche Vereinfachungen gehen zu Lasten von Genauigkeit und All-gemeingültigkeit der Aussagen. Die Methoden sind häufig sehr komplex, ihre Anwendung erfordert vertief-te Kenntnisse in der Statistik und Stochastik. Simulationsuntersuchungen liefern für Materialflusskomponenten (kleines s) und für Materialflusssysteme (großes S) gleichermaßen genaue Aussagen. Der für die Untersuchungen erforderliche Aufwand hängt dabei weit weniger von den Eigenschaften und der Größe des Systems ab, als es bei bedienungstheoretischen An-sätzen der Fall ist. Die Aussagen der Simulation sind nie universell. Sie betreffen immer nur ein System in einer bestimmten Konfiguration. Die Anwendung der Simulation erfordert Spezialsoftware und vertiefte Kenntnisse in der Modellierung und Programmierung. Verfahren, die genaue und allgemein gültige Aussagen über das Verhalten komplexer Materialflusssysteme liefern können, sind insbesondere in der Phase der Angebotserstellung bzw. in der Phase der Grobplanung von besonderer Wichtigkeit. Andererseits sind heute verfügbare Verfahren aber zu kompliziert und damit unwirt-schaftlich. Gerade in der Phase der Systemgrobplanung werden häufig Änderungen in der Struktur des Systems notwendig, welche z.B. beim Einsatz der Simulation zu erheblichem Änderungsaufwand am Modell führt. Oftmals können solche Änderungen nicht schnell genug ausgeführt werden. Damit bleiben in der Praxis oft erhebliche Planungsunsicherheiten bestehen. Der Grundgedanke des Baukastensystems besteht in der Modularisierung von Materialflusssystemen in einzelne Bausteine und Berechnungen zum Verhalten dieser Komponenten. Die betrachteten Module sind Materialfluss-komponenten, die eine bestimmte logistische Funktion in einer konstruktiv bzw. steuerungstechnisch bedingten, definierten Weise ausführen. Das Verhalten einer Komponente wird durch Belastungen (Durchsatz) und techni-sche Parameter (Geschwindigkeit, Schaltzeit o.ä.) beeinflusst und kann durch ein adäquates mathematisches Modell quantifiziert werden. Das offene Baukastensystem soll dabei vor allem einen konzeptionellen Rahmen für die Integration derartiger Modellbausteine bilden. Es umfasst neben der Bausteinmodularisierung die Problematik der Kommunikation zwischen den Bausteinen (Schnittstellen) sowie Möglichkeiten zur Visualisierung von Ergebnissen. Das daraus abgeleitete softwaretechnische Konzept berücksichtigt neben der einheitlichen Integration der zum Teil stark unterschiedlichen Berechnungsverfahren für einzelne Materialflusskomponenten auch einheitliche Definitionen zur Beschreibung von benötigten Eingangsparametern einschließlich der Randbedingungen (Defini-tionsbereich) und Plausibilitätskontrollen sowie zur Ergebnisbereitstellung. Äußerst wichtig war die Zielstellung, das System offen und erweiterbar zu gestalten: Prototypisch wurden zwar einzelne vorliegende Bausteine integ-riert, es ist aber jederzeit möglich, weitere Verfahren in Form eines Bausteines zu implementieren und in das Baukastensystem einzubringen. Die Ergebnisse der Berechnungen für ein einzelnes Element (Output) fließen zugleich als Input in das nachfol-gende Element ein: Genau wie im realen Materialflusssystem durch Aneinanderreihung einzelner fördertechni-scher Elemente der Materialfluss realisiert wird, kommt es im Baukasten durch Verknüpfung der Bausteine zur Übertragung der relevanten Informationen, mit denen der Fluss beschrieben werden kann. Durch die Weitergabe der Ergebnisse kann trotz Modularisierung in einzelne Bausteine das Verhalten eines gesamten Materialflusssys-tems bestimmt werden. Daher sind auch hier einheitliche Festlegungen zu Art und Umfang der Übergabeparame-ter zwischen den Bausteinen erforderlich. Unter einem Baustein soll ein Modell einer Materialflusskomponente verstanden werden, welches das Verhalten dieser Komponente beim Vorliegen bestimmter Belastungen beschreibt. Dieses Verhalten ist insbesondere gekennzeichnet durch Warteschlangen und Wartezeiten, die vor der Komponente entstehen, durch Auslastung (Besetztanteil) der Komponente selbst und durch die Verteilung des zeitlichen Abstand (Variabilität) des die Komponente verlassenden Stroms an Transporteinheiten. Maßgeblich bestimmt wird dieses Verhalten durch Intensität und Variabilität des ankommenden Stroms an Transporteinheiten, durch die Arbeitsweise (z.B. stetig / unstetig, stochastisch / deterministisch) und zeitliche Inanspruchnahme der Komponente sowie durch Steuerungsregeln, mit denen die Reihenfolge (Priorisierung / Vorfahrt) und/oder Dauer der Abarbeitung (z.B. Regalbediengerät mit Strategie „Minimierung des Leerfahrtan-teils“) verändert werden. Im Grunde genommen beinhaltet ein Baustein damit ein mathematisches Modell, das einen oder mehrere an-kommende Ströme von Transporteinheiten in einen oder mehrere abgehende Ströme transformiert (Abb. 2). Derartige Modelle gibt es beispielsweise in Form von Bedienmodellen ([Gnedenko1984], [Fischer1990 u.a.]), zeitdiskreten Modellen ([Arnold2005], [Furmans1992]), künstlichen neuronalen Netzen ([Schulze2000], [Markwardt2003]), Polynomen ([Schulze1998]). Die zu Grunde liegenden Verfahren (analytisch, simulativ, numerisch) unterscheiden sich zwar erheblich, genü-gen aber prinzipiell den genannten Anforderungen. Die Fixierung auf ein mathematisches Modell ist aber nicht hinreichend, vielmehr bedarf es für einen Baustein auch definierter Schnittstellen, mit denen der Informationsaustausch erfolgen kann (Abb. 3). Dazu zählen neben der einheitlichen Bereitstellung von Informationen über die ankommenden und abgehenden Materialströme auch die Berücksichtigung einer individuellen Parametrierung der Bausteine sowie die Möglichkeit zur Interaktion mit dem Bediener (Anordnung, Parametrierung und Visualisierung). Das offene Konzept erlaubt das eigenständige Entwickeln und Aufnehmen neuer Bausteine in den Baukasten. Dazu ergibt sich als weitere Anforderung die einfache Konfigurierbarkeit eines Bausteins hinsichtlich Identifika-tion, Aussehen und Leistungsbeschreibung. An einen Baustein innerhalb des Baukastensystems werden weiter-hin die folgenden Anforderungen gestellt: Jeder Baustein ist eine in sich abgeschlossene Einheit und kann nur über die Ein- und Ausgänge mit seiner Umgebung kommunizieren. Damit ist ausgeschlossen, dass ein Baustein den Zustand eines ande-ren Bausteins beeinflussen kann. Das führt zu den beiden Lokalitätsbedingungen: Es gibt keine �����bergeordnete Steuerung, die in Abhängigkeit vom aktuellen Systemzustand dispositive Entscheidungen (z.B. zur Routenplanung) trifft. Blockierungen in Folge von Warteschlangen haben keine Auswirkungen auf die Funktion an-derer Bausteine. Bausteine beinhalten in sich abgeschlossene Verfahren zur Dimensionierung einer Komponente (Klas-se) des Materialflusssystems (z.B. Einschleusung auf einen Sorter, Drehtisch als Verzweigungselement oder als Eckumsetzer). Dabei werden auf Grund von technischen Parametern, Steuerungsstrategien und Belastungsannahmen (Durchsatz, Zeitverteilungen) Ergebnisse ermittelt. Ergebnisse im Sinne dieses Bausteinkonzepts sind Auslastungen, Warteschlangen bzw. Wartezeiten vor dem Baustein sowie Flussgrößen zur Beschreibung des Abgangstroms. Als Beschreibung eignen sich sowohl einzelne Kennwerte (Mittelwert, Varianz, Quantile) als auch statische Verteilungsfunktionen. Die Lokalitätsbedingungen stellen Einschränkungen in der Anwendbarkeit des Baukastensystems dar: Systeme mit übergeordneten Steuerungsebenen wie Routenplanung oder Leerfahrzeugsteuerung, die Entscheidungen auf Grund der vorhandenen Transportaufträge und des aktuellen Systemzustands treffen (Fahrerlose Transportsys-teme, Elektrohängebahn), können mit dem Baukasten nicht bearbeitet werden. Diese auf Unstetigförderern basierenden Systeme unterscheiden sich aber auch in ihren Einsatzmerkmalen grundlegend von den hier betrach-teten Stetigförderersystemen. Das Problem der Blockierungen vorgelagerter Bereiche durch zu große Warteschlangen kann dagegen bereits mit dem Baukasten betrachtet und zumindest visualisiert werden. Dazu ist den Verbindungen zwischen den Bausteinen eine Kapazität zugeordnet, so dass durch Vergleich mit den berechneten Warteschlangenlängen eine generelle Einschätzung zur Blockierungsgefahr möglich wird: Ist die Streckenkapazität kleiner als die mittlere Warteschlange, muss von einer permanenten Blockierung ausgegangen werden. In diesem Fall kann der vorhergehende Baustein seine gerade in Bearbeitung befindli-che Transporteinheit nach dem Ende der „Bedienung“ nicht sofort abgeben und behindert damit auch seine weiteren ankommenden Transporteinheiten. Für die Transporteinheiten bedeutet das eine Verlustzeit, die auch nicht wieder aufgeholt werden kann, für das gesamte Transportsystem ist von einer Leistungsminde-rung (geringerer Durchsatz, größere Transport- / Durchlaufzeit) auszugehen. Da bei der Berechnung der Bausteine von einer Blockierfreiheit ausgegangen wird, sind die Berechnungser-gebnisse in aller Regel falsch. Ist die Streckenkapazität zwar größer als die mittlere Warteschlange, aber kleiner als beispielsweise das 90%-Quantil der Warteschlange, ist mit teilweisen Blockierungen (in dem Fall mit mehr als 10% Wahr-scheinlichkeit) zu rechnen. Dann tritt der o.g. Effekt nur zeitweise auf. Die Ergebnisse der Berechungen sind dann zumindest für einzelne Bausteine ungenau. In beiden Fällen wird das Problem erkannt und dem Anwender signalisiert. Es wird davon ausgegangen, dass die geplante Funktionalität und Leistungsfähigkeit des Materialflusssystems nur dann gewährleistet ist, wenn keine Blockierungen auftreten. Durch Änderung der Parameter des kritischen Bausteins, aber auch durch Änderung der Materialströme muss daher eine Anpassung vorgenommen werden. Erst bei Vorliegen der Blockierfreiheit ist die Voraussetzung der Lokalität der Berechnungen erfüllt. Die Berechnungsverfahren in den Bausteinen selbst können wegen der Modularisierung (Lokalität) sehr unter-schiedlicher Art sein. Dabei ist es prinzipiell möglich, die einzelnen Ergebnisse eines Bausteins mit verschiede-nen Verfahren zu ermitteln, insbesondere dann, wenn auf Grund eines eingeschränkten Definitionsbereichs der Eingangsparameter die Anwendung eines bestimmten Verfahrens nicht zulässig ist. Bausteine, die einen Materialfluss auf Grund äußerer, nicht aus dem Verhalten des Bausteins resultierende Einflüsse generieren (Quelle) oder verändern (Service-Station), sind durch eine Flussgröße  parametriert. Die Flussgröße ist eine statistische Verteilungsfunktion zur Beschreibung der Ankunfts- und Abgangsströme (Zwi-schenankunftszeiten). In der Praxis, insbesondere in der Planungsphase, ist aber eine solche Verteilungsfunktion meist nicht bekannt. Zudem erweist sich das Rechnen mit Verteilungsfunktionen als numerisch aufwändig. Untersuchungen in [Markwardt2003] haben gezeigt, dass eine Parametrisierung als Abstraktion über statistische Verteilungsfunktionen mit gleichen Erwartungswerten, Minima und Streuungen ausreichend genaue Ergebnisse liefert. Daher wird die Flussgröße beschrieben durch die Parameter Ankunftsrate (=Durchsatz), Mindestzeitabstand tmind und Variationskoeffizient c (als Maß für die Variabilität des Stroms). Zur Visualisierung der Ergebnisse kann die dreiparametrige Gammaverteilung zu Grunde gelegt werden, die eine gute Anpassung an reale Prozessverläufe bietet und durch die genannten Parameter eindeutig beschrieben ist: Weitere leistungsbestimmende Größen wie technische Parameter, Zeitbedarfe u.ä. werden als Parametertupel (k) der jeweiligen Klasse zugeordnet. So ist z.B. bei einer Einschleusung auf einen Sorter zu garantieren, dass der Strom auf der Hauptstrecke nicht angehalten wird. Das erfordert bei einer Einschleusung von der Nebenstrecke eine Lücke im Gutstrom auf der Hauptstrecke mit der Länge Mindestabstand und Fördergeschwindigkeit sind Parameter der ankommenden Förderstrecken, demnach ist lediglich die Größe ttr als Transferzeit ein leistungsbestimmender Parameter der Einschleusung. Förderstrecken stellen die Verbindungen zwischen den Bausteinen her und realisieren den eigentlichen Material-fluss durch das System. Die technische Realisierung kann dabei prinzipiell durch verschiedenartige Bauformen von Stetig- und Unstetigförderern erfolgen. Systeme, die aber vollständig auf der Basis von Unstetigförderern arbeiten wie fahrerlose Transportsysteme (FTS) oder Elektrohängebahn (EHB), werden im Rahmen des Baukas-tens nicht betrachtet, weil die Lokalitätsbedingungen nicht gelten und beispielsweise eine übergeordnete Sys-temsteuerung (Fahrzeugdisposition, Leerfahrtoptimierung) einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems hat. Förderstrecken im hier verwendeten Sinne sind Rollen-, Ketten-, Bandförderer oder ähnliches, deren maximaler Durchsatz im Wesentlichen durch zwei Parameter bestimmt wird: Fördergeschwindigkeit (vF) und Mindestab-stand zwischen den Transporteinheiten (smind). Der Mindestabstand ergibt sich aus der Länge der Transportein-heit in Transportrichtung (sx) und einem Sicherheitsabstand (s0), der für ein sicheres und gefahrloses Transportie-ren erforderlich ist. Die Mindestzeit tmind,S zwischen zwei Fördereinheiten auf einer Förderstrecke bestimmt sich demnach zu Ist das verbindende Förderelement nicht staufähig (nicht akkumulierend, z.B. Gurtbandförderer), so kann sich der Abstand zwischen den Fördergütern während des Förder- oder Transportvorgangs nicht verändern: Muss das Band angehalten werden, weil eine Abgabe an das nachfolgende Förderelement nicht möglich ist, bleiben alle Einheiten stehen. In diesem Fall ist es also nicht möglich, die Lücken im Transportstrom zu schließen, die bereits bei der Aufgabe auf das Förderelement entstehen. Für die Berechnung der Mindestzeit tmind,S bedeutet das, dass dann auch die Mindestzeit tmind,B des vorhergehenden Bausteins berücksichtigt werden muss. Die Mindestzeit des Streckenelements nach (6) bzw. (7) wird als einer der Parameter der Flussgröße zur Be-schreibung des am nachfolgenden Baustein ankommenden Stroms verwendet. Als Parameter der Förderstrecke werden neben der Fördergeschwindigkeit daher auch Angaben zum Transportgut (Abmessungen, Sicherheitsab-stand, Transportrichtung) benötigt. Es bot sich ferner an, eine Typisierung der Förderstrecken hinsichtlich ihrer technischen Realisierung (Rollenförderer, Kettenförderer, Bandförderer usw. mit zugeordneten Parametern) vorzunehmen, um den Aufwand für die Beschreibung der Förderstrecken gering zu halten. Weitere Parameter der Förderstrecken dienen der Aufnahme der Berechnungsergebnisse von vor- bzw. nachge-lagerten Bausteinen und beinhalten: die Länge der Warteschlange (einzelne Kenngrößen wie Mittelwert, 90%-, 95% bzw. 99%-Quantil oder - falls ermittelbar - als statistische Verteilung) die Wartezeit (ebenfalls Kenngrößen oder statistische Verteilung) die (Strecken-)Auslastung Variationskoeffizient für den Güterstrom Für die Darstellung des Materialflusses in einem System werden jeweils einzelne Materialfluss-Relationen betrachtet. Dabei wird angenommen, dass jede Relation an einer Quelle beginnt, an einer Senke endet, dabei mehrere Materialfluss-Komponenten (Bausteine) durchläuft und über den gesamten Verlauf in seiner Größe (Transportmenge) konstant bleibt. Einziger leistungsbestimmender Parameter einer Materialfluss-Relation ist die Transportmenge. Sie wird als zeitabhängige Größe angegeben und entspricht damit dem Durchsatz. Mindestabstand und Variationskoeffizient werden vom erzeugenden Baustein (Quelle) bestimmt, von den weiteren durchlaufenen Bausteinen verändert und über die Förderstrecken jeweils an den nachfolgenden Baustein übertragen. Die verbindenden Förderstrecken werden mit dem jeweiligen Durchsatz „belastet“. Bei Verbindungen, die von mehreren Relationen benutzt werden, summieren sich die Durchsätze, so dass sich unterschiedliche Strecken- und Bausteinbelastungen ergeben. Im Kontext des Baukastensystems werden Metadaten1 verwendet, um die in einem Baustein enthaltenen Infor-mationen über Anwendung, Verfahren und Restriktionen transparent zu machen. Ziel des Baukastensystems ist es je gerade, einfache und leicht handhabbare Berechnungsmodule für einen breiteren Anwenderkreis zur Verfü-gung zu stellen. Dazu sind Beschreibungen erforderlich, mit denen das Leistungsspektrum, mögliche Ergebnisse und Anwendungs- bzw. Einsatzkriterien dokumentiert werden. Aufgabe der Baustein-Bibliothek ist die Sammlung, Verwaltung und Bereitstellung von Informationen über die vorhandenen Bausteine. Damit soll dem Nutzer die Möglichkeit gegeben werden, für seine konkret benötigte Materialflusskomponente einen geeigneten Baustein zur Abbildung zu finden. Mit der Entwicklung weiterer Bausteine für ähnliche Funktionen, aber unterschiedliche Realisierungen (z. B. Regalbediengerät: einfach- oder doppeltiefe Lagerung, mit oder ohne Schnellläuferzone usw.) wächst die Notwendigkeit, die Einsatz- und Leis-tungsmerkmale des Bausteins in geeigneter Weise zu präsentieren. Die Baustein-Bibliothek enthält demnach eine formalisierte Beschreibung der vorhandenen und verfügbaren Bausteine. Die Informationen sind im Wesentlichen unter dem Aspekt einer einheitlichen Identifikation, Infor-mation, Visualisierung und Implementierung der unterschiedlichen Bausteine zusammengestellt worden. Einige der in der Baustein-Bibliothek enthaltenen Metadaten lassen sich durchaus mehreren Rubriken zuordnen. Identifikation und Information Ein Baustein wird durch eine eindeutige Ident-Nummer fixiert. Daneben geben Informationen zum Autor (Ent-wicklung und/oder Implementierung des Verfahrens) und eine Funktionsbeschreibung eine verbale Auskunft über den Baustein. Zusätzlich ist jeder Baustein einem bestimmten Typ zugeordnet entsprechend der Baustein-Klassifizierung (Bearbeiten, Verzweigen, Zusammenführen usw.), über den die Baustein-Auswahl eingegrenzt werden kann. Visualisierung Die Parameter für die Visualisierung beschreiben die Darstellung des Bausteins innerhalb des Baukastensystems (Form, Farbe, Lage der Ein- und Ausgänge des Bausteins, Icons). Implementierung Der Klassenname verweist auf die Implementierung des Bausteins. Zusätzlich benötigte Programm-Ressourcen (externe Bibliotheken wie *.dll , *.tcl o.ä.) können angegeben werden. Weiterhin sind Bezeichnungen und Erläuterungen der erforderlichen technischen Parameter für den Eingabedialog enthalten. Für die Förderstrecken wird ebenfalls eine formalisierte Beschreibung verwendet. Sie verweist jedoch nicht wie die Baustein-Bibliothek auf Software-Ressourcen, sondern enthält nur eine Reihe technischer Parameter, die für das Übertragungsverhalten der Förderstrecke eine Rolle spielen (Fördergeschwindigkeit, Arbeitsweise akkumu-lierend, Ausrichtung des Transportguts). Die Einträge lassen sich als Musterdatensätze (Template) für die Bau-stein-Verbindungen auffassen, um bestimmte, häufig vorkommende fördertechnische Lösungen diesen Verbin-dungen in einfacher Weise zuordnen zu können. Die Angaben sind aber im konkreten Anwendungsfall änderbar. Angaben zum Transportgut beschränken sich auf die Abmessungen der Transporteinheiten (Länge, Breite) und den erforderlichen Sicherheitsabstand (s0). Als Grundform wird von einer Standard-Euro-Palette (1200x800 mm) ausgegangen, es lassen sich aber auch Güter mit anderen Maßen hinzufügen. Die Angaben zum Transportgut werden in Verbindung mit den Parametern der Förderstrecken (Ausrichtung des Gutes längs oder quer) ausgewertet, so dass sich die jeweiligen Mindestabstände (Gleichung 6 bzw. 7) sowie der maximale Durchsatz Qmax als Grundlage für die Berechnung der Streckenauslastung bestimmen lassen. Das Gesamtkonzept des Baukastensystems ist in Abbildung 4 dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus drei Bereichen: Bausteinerstellung Bausteinverwaltung (Bibliotheken) Baukasten (Benutzeroberfläche) Dabei ist der Bereich der Bausteinerstellung nicht unmittelbarer Bestandteil der realisierten Lösung. Sie ist vielmehr die Quelle für die Bausteine, die über die jeweiligen Metadaten in einer Baustein-Bibliothek verwaltet und bereitgestellt werden. Die Verwaltung von Bausteinen und Förderstrecken ist die Umsetzung der Baustein-Bibliothek und (im erwei-terten Sinne) der Definitionen für die Förderstrecken. Der Modellbaukasten selbst stellt die Grafische Nutzeroberfläche dar (Abb. 11) und enthält den interaktiven, grafischen Modelleditor, die Auswahlelemente (Werkzeugkoffer bzw. -filter) für Bausteine und Förderstrecken, tabellarische Übersichten für alle Bausteine, Förderstrecken und Materialflussrelationen sowie Eingabedialoge für Bausteine, Förderstrecken und Materialflussrelationen. Die Entwicklung eines Modells mit dem Baukastensystem erfolgt prinzipiell in drei Schritten: Schritt eins umfasst die Anordnung und Definition der Bausteine. Der Modellbaukasten bietet die Möglich-keit, einen bestimmten Baustein direkt (z.B. Ausschleusung) oder unter Nutzung eines Bausteinfilters (z.B. alle Verzweigungselemente) auszuwählen und im grafischen Editor mittels Mausklick zu platzieren . An-schließend erfolgt im Dialog die notwendige Parametrierung des Bausteins. Dies beinhaltet sowohl die An-gaben zur Visualisierung (Drehung, Spiegelung) als auch die für die Dimensionierung erforderlichen techni-schen Parameter. Die für jeden Baustein benötigten Leistungsanforderungen (Durchsatz, lokale Transport-matrix) werden allerdings nicht direkt angegeben, sondern aus den Beziehungen zu den vor- und nachgela-gerten Bausteinen automatisch ermittelt (Übertragungsfunktion der Förderstrecken). Danach erfolgt in einem zweiten Schritt die Definition von Verbindung zwischen den Bausteinen (Förder-strecken): Das Erzeugen der Bausteinverbindungen ist ebenfalls ganz einfach zu realisieren. Nach Auswahl der zu Grunde liegenden Fördertechnik (z.B. Rollenförderer) wird durch Ziehen des Mauszeigers von einem nicht belegten Ausgang zu einem nicht belegten Eingang eines Bausteins die entsprechende Förderstrecke erzeugt. In einem abschließenden Dialog können die gewählten Voreinstellungen zum Transportgut, zum Förderertyp usw. bestätigt oder gegebenenfalls korrigiert werden. Außerdem kann die Kapazität der Förder-strecke definiert werden. Dabei geht es weniger um die Länge des Förderers als viel mehr um die Anzahl der vorgesehenen Puffer- oder Stauplätze im Zusammenhang mit den zu berechnenden Warteschlangenlän-gen. Abschließend wird im dritten Schritt der Materialfluss definiert: Ein Materialstrom ist jeweils eine Relation, die an einer Quelle beginnt, an einer Senke endet und dabei mehrere Bausteine durchläuft. Da die Förder-strecken zu diesem Zeitpunkt bereits definiert sein müssen, kann automatisch ein möglicher Weg zwischen Quelle und Senke gefunden werden. Ähnlich wie bei Routenplanungssystemen kann dabei durch zusätzliche Angabe von Zwischenpunkten (via) der automatisch vorgeschlagene Transportweg verändert und angepasst werden (Abb. 5). Nach Bestätigung des Transportweges und damit der unterwegs zu passierenden Bausteine erfolgt in einem Dialog die Parametrierung (Transportmenge pro Stunde) für diese Relation. Die Elemente des Transportweges (die benutzten Förderstrecken) werden mit dem entsprechenden Durchsatz „belastet“. Nach Abschluss der Modellierung kann die Berechnung ausgeführt werden. Im Ergebnis werden Kennzahlen bestimmt und im Baukasten in verschiedener Form visualisiert, um eine Bewertung der Ergebnisse vornehmen zu können. Eine Übersicht Fehlermeldungen listet die Problemelemente auf. Dabei wird die Schwere eines Problems farb-lich hervorgehoben: fataler Fehler (rot): entsteht z.B. bei Überlastung eines Bausteins – die geforderte Leistung für einen Bau-stein (und damit die des Gesamtsystems) kann nicht erbracht werden. lokaler Fehler (orange): entsteht z.B. bei permanenter Blockierung – die mittlere Warteschlange vor einem Baustein ist größer als dessen vorgesehene Kapazität. Warnung (hellgelb): bei teilweiser Blockierung – das 90%-Quantil der Warteschlange ist größer als die Ka-pazität der Förderstrecke, es ist daher zeitweise mit Blockierungen (und damit Behinderungen des vorherge-henden Bausteins) zu rechnen. Information (weiß): wird immer dann erzeugt, wenn Erwartungswerte für die Wartezeit oder Warteschlange mit einem G/G/1-Bedienmodell berechnet werden. Die Lösungen dieser Näherungsgleichungen sind im All-gemeinen nicht sehr genau, dienen aber als Abschätzung für die sonst fehlenden Kennwerte. Entsprechend der berechneten Auslastung werden die Bausteine im Modelleditor mit einer Farbabstufung von Grün nach Rot markiert, Bausteine und Förderstrecken leuchten rot bei Überlastung. Die dargestellten Ergebnisse im Modelleditor zu Bausteinen und Förderstrecken sind umschaltbar durch den Nutzer (Abb. 6). Je nach den in den Bausteinen hinterlegten Berechnungen sind jedoch nicht immer alle Kenn-größen verfügbar. Die Implementierung des Baukastensystems wurde mit Java (Release 1.5) vorgenommen. Für das Kernsystem wird dabei das in Abbildung 7 dargestellte Klassen-Konzept umgesetzt. Ausgehend von einer allgemeinen Klasse (Object3D) für Visualisierung von und Interaktionen mit grafischen Objekten wurden für Bausteine (AbstractNode) und Förderstrecken (Connection) die jeweiligen Klassen abgelei-tet. Für die Förderstecken ergibt sich dabei eine weitgehend einheitliche Beschreibungsform, die lediglich durch die Parametrierung (Vorlagen in der Förderstrecken-Bibliothek als XML-Datei) auf den konkreten Einsatz im Modell des Materialflusssystems angepasst werden muss. Anders verhält es sich mit den Bausteinen: Durch die mögliche Vielfalt von Bausteinen und den ihnen zu Grunde liegenden Berechnungsverfahren muss es auch eine Vielzahl von Klassen geben. Um jedoch für jeden belie-bigen Baustein den Zugriff (Bereitstellung von Eingangsdaten, Berechnung und Bereitstellung der Ergebnisse) in einer identischen Weise zu gewährleisten, muss es dafür eine nach außen einheitliche Schnittstelle geben. Die Java zu Grunde liegende objektorientierte Programmierung bietet mit dem Konzept der „abstrakten Klasse“ eine Möglichkeit, dies in einfacher Weise zu realisieren. Dazu wird mit AbstractNode quasi eine Vorlage entwi-ckelt, von der alle implementierten Baustein-Klassen abgeleitet sind. AbstractNode selbst enthält alle Methoden, mit denen Baustein-Daten übernommen oder übergeben, die jeweiligen Visualisierungen vorgenommen, die baustein-internen Verbindungen (lokale Transportmatrix) verwaltet und Ein- und Ausgänge mit den zugehörigen Förderstrecken verbunden werden. Die für den Aufruf der eigentlichen Berechnungen in den Bausteinen ver-wendeten Methoden sind deklariert, aber nicht implementiert (sogenannte abstrakte Methoden). Ein Baustein wird von AbstractNode abgeleitet und erbt damit die implementierten Methoden, lediglich die abstrakten Methoden, die die Spezifik des Bausteins ausmachen, sind noch zu implementieren. Um neue Bausteine zu erzeugen, wird Unterstützung in Form eines Bildschirmdialogs angeboten (Abb. 8). Danach sind die entsprechenden Angaben zu den Metadaten, zur Struktur und zur Visualisierung des Bausteins, die Eingangsparameter (Name und Erläuterung) sowie die berechenbaren Ergebnisse (z.B. Auslastung, Quantile der Warteschlangenlänge, aber keine Aussage zu Wartezeiten usw.) anzugeben. Nach Bestätigung der Daten und diversen Syntax- bzw. Semantik-Kontrollen wird der Baustein in der Bibliothek registriert, ein Sourcecode für den neuen Baustein generiert und kompiliert. Der Baustein selbst ist damit formal korrekt und kann sofort verwendet werden, liefert aber noch keine verwertbaren Ergebnisse, weil natürlich die Implementierung des Berechnungsverfahrens selbst noch aussteht. Das muss in einem zweiten Schritt im Rah-men der üblichen Software-Entwicklung nachgeholt werden. Dazu sind die Berechnungsverfahren zu implemen-tieren und die Bausteinschnittstellen zu bedienen. Der generierte Java-Code enthält in den Kommentaren eine Reihe von Hinweisen für den Programmierer, so dass sich problemlos die Schnittstellen des Bausteins program-mieren lassen (Abb. 9). In einem Beispiel werden ein Hochregallager (3 Regalbediengeräte) und zwei Kommissionierplätze durch ein Transportsystem verbunden. Mit der Einlastung von Kommissionieraufträgen werden im Simulationsmodell die entsprechenden Transportaufträge generiert und abgearbeitet (Abb. 10). Dabei können Systemzustände (z.B. Warteschlangen) protokolliert und statistisch ausgewertet werden. Ein entsprechendes Modell für den Baukasten ist in Abbildung 11 dargestellt. Der Vorteil des Baukastensystems liegt selbst bei diesem recht einfachen Beispiel im Zeitvorteil: Für Erstellung und Test des Simulationsmodells und anschließende Simulationsläufe und Auswertungen wird ein Zeitaufwand von ca. 4-5 Stunden benötigt, das Baukastenmodell braucht für Erstellung und korrekte Parametrierung weniger als 0,5 Stunden, die Rechenzeit selbst ist vernachlässigbar gering. Sollte im Ergebnis der Untersuchungen eine Änderung des Materialflusssystems notwendig werden, so führt das im Simulationsmodell teilweise zu erheblichen Änderungen (Abläufe, Steuerungsstrategien, Auswertungen) mit entsprechendem Zeitaufwand. Im Baukasten können dagegen in einfacher Weise zusätzliche Bausteine eingefügt oder vorhandene ersetzt werden durch Bausteine mit geänderter Funktion oder Steuerung. Strukturelle Änderungen am Materialflusssys-tem sind also mit deutlich geringerem Aufwand realisierbar. In [Markwardt2003] werden für mehrere Strukturen von Materialflusskomponenten Fehlerbetrachtungen über die Genauigkeit der mittels neuronaler Netze untersuchten Systeme gegenüber den Simulationsergebnissen vorge-nommen. Danach ergibt sich beispielsweise für das 90%-Quantil der Warteschlange eine Abweichung, die mit 90% Sicherheit kleiner als 0,3 Warteplätze ist. Bei den Variationskoeffizienten des Abgangsstroms betragen die absoluten Abweichungen mit 90% Sicherheit nicht mehr als 0,02 bis 0,05 (in Abhängigkeit vom betrachteten Baustein). Daraus wird die Schlussfolgerung abgeleitet, dass die durch Verknüpfung neuronaler Netze gewonne-nen Aussagen sehr gut mit statistischen Ergebnissen diskreter Simulation übereinstimmen und eine Planungssi-cherheit ermöglichen, die für einen Grobentwurf von Materialflusssystemen weit über die heute gebräuchlichen statischen Berechnungsverfahren hinausgehen. Im konkreten Beispiel wurde die Zahl der Pufferplätze vor den Kommissionierern (Work1 bzw. Work2) zu-nächst auf 3 begrenzt. Die Berechnung im Baukasten ergab dabei in beiden Fällen Fehlermeldungen mit dem Hinweis auf Blockierungen (Abb. 12, links). Diese bestätigten sich auch im Simulationsmodell (Abb. 12, rechts). Nach Vergr��ßerung der Pufferstrecken auf 7 Plätze ist die Blockierungsgefahr auf ein vertretbares Minimum reduziert, und die mit dem Baukasten berechneten Kenngrößen können durch die Simulation prinzipiell bestätigt werden. it dem offenen Baukastensystem ist eine schnelle, einfache, sichere und damit wirtschaftlichere Dimensionie-rung von Materialflusssystemen möglich. Für den Anwender sind sofort statistisch abgesicherte und ausreichend genaue Ergebnisse ohne aufwändige Berechnungen verfügbar, womit sich die Planungsqualität erhöht. Besonde-re Anforderungen an Hard- und Software sind dabei nicht erforderlich. Für die Dimensionierung der einzelnen Bausteine stehen Informationen aus der Bedienungstheorie, Simulati-onswissen und numerische Verfahren direkt und anwendungsbereit zur Verfügung. Es erlaubt eine deutlich vereinfachte Berechnung von statistischen Kenngrößen wie Quantile (statistische Obergrenzen) der Pufferbelegung, Auslastung von Einzelelementen und mittlere Auftragsdurchlaufzeit bei gleichzeitig erhöhter Genauigkeit. Ferner ist das Baukastensystem offen für eine Erweiterung um neue Bausteine, die neue oder spezielle fördertechnische Elemente abbilden oder zusätzliche Informationen liefern können. Da auch komplexe Materialflusssysteme immer wieder aus einer begrenzten Anzahl unterschiedlicher Kompo-nenten bestehen, können durch die Verknüpfung der Einzelbausteine auch Gesamtsysteme abgebildet werden. Die Verknüpfung der Bausteine über eine einheitliche Schnittstelle erlaubt Aussagen über das Verhalten der Gesamtanlage. Bei Einsatz des Baukastensystems sind in einer solchen Verknüpfung jederzeit Parameterände-rungen möglich, deren Folgen sofort sichtbar werden. Die Zeit bis zum Vorliegen gesicherter, ausreichend genauer Ergebnisse wird dadurch drastisch verkürzt. Damit erwächst Variantenuntersuchungen bereits in frühen Planungsphasen neues Potential und kann zum entscheidenden Wettbewerbsvorteil werden.

Algorithms For Automatic And Robust Registration Of 3D Head Scans

wo methods for registering laser-scans of human heads and transforming them to a new semantically consistent topology defined by a user-provided template mesh are described. Both algorithms are stated within the Iterative Closest Point framework. The first method is based on finding landmark correspondences by iteratively registering the vicinity of a landmark with a re-weighted error function. Thin-plate spline interpolation is then used to deform the template mesh and finally the scan is resampled in the topology of the deformed template. The second algorithm employs a morphable shape model, which can be computed from a database of laser-scans using the first algorithm. It directly optimizes pose and shape of the morphable model. The use of the algorithm with PCA mixture models, where the shape is split up into regions each described by an individual subspace, is addressed. Mixture models require either blending or regularization strategies, both of which are described in detail. For both algorithms, strategies for filling in missing geometry for incomplete laser-scans are described. While an interpolation-based approach can be used to fill in small or smooth regions, the model-driven algorithm is capable of fitting a plausible complete head mesh to arbitrarily small geometry, which is known as "shape completion". The importance of regularization in the case of extreme shape completion is shown.

Path Constitution Analysis: A Methodology for Understanding Path Dependence and Path Creation

Although an increasing number of studies of technological, institutional and organizational change refer to the concepts of path dependence and path creation, few attempts have been made to consider these concepts explicitly in their methodological accounts. This paper addresses this gap and contributes to the literature by developing a comprehensive methodology that originates from the concepts of path dependence and path creation – path constitution analysis (PCA) – and allows for the integration of multi-actor constellations on multiple levels of analysis within a process perspective. Based upon a longitudinal case study in the field of semiconductors, we illustrate PCA ‘in action’ as a template for other researchers and critically examine its adequacy. We conclude with implications for further path-oriented inquiries.

Identification and detection of Actinobacillus pleuropneumoniae by PCR based on the gene apxIVA

The apxIVA gene, a recently discovered RTX determinant of Actinobacillus pleuropneumoniae, was shown to be species-specific. DNA hybridization experiments using probes for various regions of apxIVA revealed that the 3'-terminus of this gene was present in all 14 serotypes of A. pleuropneumoniae but absent from phylogenetically related species. A primer pair spanning this region specifically amplified a 422bp fragment in PCR experiments with DNA from the reference strains of the 14 serotypes and 194 field strains isolated from various geographic locations worldwide. DNA sequence analysis of PCR products derived from all serotypes were identical except in serotypes 3, 8, and 10, which showed minor differences. The PCR did not amplify any product when DNA from 17 different bacterial species closely related to A. pleuropneumoniae was used as template. In addition, the PCR was negative with DNA of several Actinobacillus sp. which were initially characterized as A. pleuropneumoniae using routine phenotypic and serological analyses but which were subsequently shown by 16S rRNA sequence analysis to belong to yet undefined Actinobacillus species. The sensitivity of the PCR was determined to be 10pg of A. pleuropneumoniae DNA. A set of nested primers amplified a 377bp fragment specifically with A. pleuropneumoniae DNA. DNA titration experiments using the flanking and nested primer pairs showed an improved level of sensitivity to approximately 10fg of genomic DNA. The nested PCR was used to monitor the spread of A. pleuropneumoniae in pigs experimentally infected with a virulent serotype 1 strain and housed in a controlled environment facility. A. pleuropneumoniae DNA could be detected by nested PCR in nasal swab samples of infected pigs receiving either a high dose (5x10(5)) or a low dose (1x10(4)) challenge and in unchallenged cohorts that were contact-infected by the inoculated animals. Furthermore, PCR confirmed the presence of A. pleuropneumoniae in 16/17 homogenates from necrotic lung lesions, while the bacterium was successfully recovered from 13 of these lesions by culture.

Valuing the Health States Associated with Chlamydia trachomatis Infections and Their Sequelae: A Systematic Review of Economic Evaluations and Primary Studies

OBJECTIVES Economic evaluations of interventions to prevent and control sexually transmitted infections such as Chlamydia trachomatis are increasingly required to present their outcomes in terms of quality-adjusted life-years using preference-based measurements of relevant health states. The objectives of this study were to critically evaluate how published cost-effectiveness studies have conceptualized and valued health states associated with chlamydia and to examine the primary evidence available to inform health state utility values (HSUVs). METHODS A systematic review was conducted, with searches of six electronic databases up to December 2012. Data on study characteristics, methods, and main results were extracted by using a standard template. RESULTS Nineteen economic evaluations of relevant interventions were included. Individual studies considered different health states and assigned different values and durations. Eleven studies cited the same source for HSUVs. Only five primary studies valued relevant health states. The methods and viewpoints adopted varied, and different values for health states were generated. CONCLUSIONS Limitations in the information available about HSUVs associated with chlamydia and its complications have implications for the robustness of economic evaluations in this area. None of the primary studies could be used without reservation to inform cost-effectiveness analyses in the United Kingdom. Future debate should consider appropriate methods for valuing health states for infectious diseases, because recommended approaches may not be suitable. Unless we adequately tackle the challenges associated with measuring and valuing health-related quality of life for patients with chlamydia and other infectious diseases, evaluating the cost-effectiveness of interventions in this area will remain problematic.

Indocyanine Green Loaded Biocompatible Nanoparticles: Stabilisation of Indocyanine Green (ICG) Using Biocompatible Silica-Poly (&epsilon-Caprolactone) Grafted Nanocomposites

Indocyanine green (ICG) is a chemically labile compound which needs to be stabilized in aqueous media to be used in biomedical applications. In the present study, poly(ε-caprolactone) (PCL), a semi-crystalline polyester, was used to encapsulate and stabilize ICG in a hydrophobic environment. A hydrophobic and biocompatible nanocomposite was obtained by the process of encapsulating inorganic silica. ICG was embedded in the hydrophobic polymer coating by starting from a well-defined silica (Si) core of either 80 nm or 120 nm diameter, which served as a template for a ‘grafting from’ approach using ε-caprolactone. The obtained nanocomposite Si grafted PCL/ICG was based on silica nanoparticles grafted with PCL, in which ICG was adsorbed. The nanoparticles were characterized by IR spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA) and scanning electron microscopy (SEM). The change in the surface charge and the colloidal stability of the nanoparticles was followed by zeta potential measurements. This approach of synthesizing nanocomposite-based ICG demonstrates a new route to stabilize ICG. We synthesized biocompatible nanoparticles containing a high ICG concentration and exhibiting excellent stability to aqueous decomposition.

A multiplex PCR for the simultaneous detection and genotyping of the Echinococcus granulosus complex.

Echinococcus granulosus is characterized by high intra-specific variability (genotypes G1-G10) and according to the new molecular phylogeny of the genus Echinococcus, the E. granulosus complex has been divided into E. granulosus sensu stricto (G1-G3), E. equinus (G4), E. ortleppi (G5), and E. canadensis (G6-G10). The molecular characterization of E. granulosus isolates is fundamental to understand the spatio-temporal epidemiology of this complex in many endemic areas with the simultaneous occurrence of different Echinococcus species and genotypes. To simplify the genotyping of the E. granulosus complex we developed a single-tube multiplex PCR (mPCR) allowing three levels of discrimination: (i) Echinococcus genus, (ii) E. granulosus complex in common, and (iii) the specific genotype within the E. granulosus complex. The methodology was established with known DNA samples of the different strains/genotypes, confirmed on 42 already genotyped samples (Spain: 22 and Bulgaria: 20) and then successfully applied on 153 unknown samples (Tunisia: 114, Algeria: 26 and Argentina: 13). The sensitivity threshold of the mPCR was found to be 5 ng Echinoccoccus DNA in a mixture of up to 1 µg of foreign DNA and the specificity was 100% when template DNA from closely related members of the genus Taenia was used. Additionally to DNA samples, the mPCR can be carried out directly on boiled hydatid fluid or on alkaline-lysed frozen or fixed protoscoleces, thus avoiding classical DNA extractions. However, when using Echinococcus eggs obtained from fecal samples of infected dogs, the sensitivity of the mPCR was low (<40%). Thus, except for copro analysis, the mPCR described here has a high potential for a worldwide application in large-scale molecular epidemiological studies on the Echinococcus genus.

RNA-dependent genome processing during nuclear differentiation: the model systems of stichotrichous ciliates

We introduce ciliated protozoa, and more specifically the stichotrichous ciliates Oxytricha and Stylonychia, as biological model systems for the analysis of programmed DNA-reorganization processes during nuclear differentiation. These include DNA excision, DNA elimination, reordering of gene segments and specific gene amplification. We show that small nuclear RNAs specify DNA sequences to be excised or retained, but also discuss the need for a RNA template molecule derived from the parental nucleus for these processes. This RNA template guides reordering of gene segments to become functional genes and determines gene copy number in the differentiated nucleus. Since the template is derived from the parental macronucleus, gene reordering and DNA amplification are inherited in a non-Mendelian epigenetic manner.

Pelvic lymph node dissection in the context of radical cystectomy: a thorough insight into the connection between patient, surgeon, pathologist and treating institution

Pelvic lymph node dissection (PLND) in patients with bladder cancer varies widely in extent, technique employed, and pathological workup of specimens. The present paper provides an overview of the existing evidence regarding the effectiveness of PLND and elucidates the interactions between patient, surgeon, pathologist, and treating institution as well as their cumulative impact on the final postoperative lymph node (LN) staging. Bladder cancer patients undergoing radical cystectomy with extended PLND appear to have better oncologic outcomes compared to patients undergoing radical cystectomy and limited PLND. Attempts have been made to define and assess the quality of PLND according to the number of lymph nodes identified. However, lymph node counts depend on multiple factors such as patient characteristics, surgical template, pathological workup, and institutional policies; hence, meticulous PLND within a defined and uniformly applied extended template appears to be a better assurance of quality than absolute lymph node counts. Nevertheless, the prognosis of the patients can be partially predicted with findings from the histopathological evaluation of the PLND specimen, such as the number of positive lymph nodes, extracapsular extension, and size of the largest LN metastases. Therefore, particular prognostic parameters should be addressed within the pathological report to guide the urologist in terms of patient counseling.

Detailed analysis of sequence changes occurring during vlsE antigenic variation in the mouse model of Borrelia burgdorferi infection.

Lyme disease Borrelia can infect humans and animals for months to years, despite the presence of an active host immune response. The vls antigenic variation system, which expresses the surface-exposed lipoprotein VlsE, plays a major role in B. burgdorferi immune evasion. Gene conversion between vls silent cassettes and the vlsE expression site occurs at high frequency during mammalian infection, resulting in sequence variation in the VlsE product. In this study, we examined vlsE sequence variation in B. burgdorferi B31 during mouse infection by analyzing 1,399 clones isolated from bladder, heart, joint, ear, and skin tissues of mice infected for 4 to 365 days. The median number of codon changes increased progressively in C3H/HeN mice from 4 to 28 days post infection, and no clones retained the parental vlsE sequence at 28 days. In contrast, the decrease in the number of clones with the parental vlsE sequence and the increase in the number of sequence changes occurred more gradually in severe combined immunodeficiency (SCID) mice. Clones containing a stop codon were isolated, indicating that continuous expression of full-length VlsE is not required for survival in vivo; also, these clones continued to undergo vlsE recombination. Analysis of clones with apparent single recombination events indicated that recombinations into vlsE are nonselective with regard to the silent cassette utilized, as well as the length and location of the recombination event. Sequence changes as small as one base pair were common. Fifteen percent of recovered vlsE variants contained "template-independent" sequence changes, which clustered in the variable regions of vlsE. We hypothesize that the increased frequency and complexity of vlsE sequence changes observed in clones recovered from immunocompetent mice (as compared with SCID mice) is due to rapid clearance of relatively invariant clones by variable region-specific anti-VlsE antibody responses.

Identification of the Causative Bacteria in Musculoskeletal Infections Using 16s rDNA - Denaturing Gradient Gel Electrophoresis Analysis

Musculoskeletal infections are infections of the bone and surrounding tissues. They are currently diagnosed based on culture analysis, which is the gold standard for pathogen identification. However, these clinical laboratory methods are frequently inadequate for the identification of the causative agents, because a large percentage (25-50%) of confirmed musculoskeletal infections are false negatives in which no pathogen is identified in culture. My data supports these results. The goal of this project was to use PCR amplification of a portion of the 16S rRNA gene to test an alternative approach for the identification of these pathogens and to assess the diversity of the bacteria involved. The advantages of this alternative method are that it should increase sample sensitivity and the speed of detection. In addition, bacteria that are non-culturable or in low abundance can be detected using this molecular technique. However, a complication of this approach is that the majority of musculoskeletal infections are polymicrobial, which prohibits direct identification from the infected tissue by DNA sequencing of the initial 16S rDNA amplification products. One way to solve this problem is to use denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) to separate the PCR products before DNA sequencing. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) separates DNA molecules based on their melting point, which is determined by their DNA sequence. This analytical technique allows a mixture of PCR products of the same length that electrophoreses through agarose gels as one band, to be separated into different bands and then used for DNA sequence analysis. In this way, the DGGE allows for the identification of individual bacterial species in polymicrobial-infected tissue, which is critical for improving clinical outcomes. By combining the 16S rDNA amplification and the DGGE techniques together, an alternative approach for identification has been used. The 16S rRNA gene PCR-DGGE method includes several critical steps: DNA extraction from tissue biopsies, amplification of the bacterial DNA, PCR product separation by DGGE, amplification of the gel-extracted DNA, and DNA sequencing and analysis. Each step of the method was optimized to increase its sensitivity and for rapid detection of the bacteria present in human tissue samples. The limit of detection for the DNA extraction from tissue was at least 20 Staphylococcus aureus cells and the limit of detection for PCR was at least 0.05 pg of template DNA. The conditions for DGGE electrophoreses were optimized by using a double gradient of acrylamide (6 – 10%) and denaturant (30-70%), which increased the separation between distinct PCR products. The use of GelRed (Biotium) improved the DNA visualization in the DGGE gel. To recover the DNA from the DGGE gels the gel slices were excised, shredded in a bead beater, and the DNA was allowed to diffuse into sterile water overnight. The use of primers containing specific linkers allowed the entire amplified PCR product to be sequenced and then analyzed. The optimized 16S rRNA gene PCR-DGGE method was used to analyze 50 tissue biopsy samples chosen randomly from our collection. The results were compared to those of the Memorial Hermann Hospital Clinical Microbiology Laboratory for the same samples. The molecular method was congruent for 10 of the 17 (59%) culture negative tissue samples. In 7 of the 17 (41%) culture negative the molecular method identified a bacterium. The molecular method was congruent with the culture identification for 7 of the 33 (21%) positive cultured tissue samples. However, in 8 of the 33 (24%) the molecular method identified more organisms. In 13 of the 15 (87%) polymicrobial cultured tissue samples the molecular method identified at least one organism that was also identified by culture techniques. Overall, the DGGE analysis of 16S rDNA is an effective method to identify bacteria not identified by culture analysis.

Evolutionary conservation of residues in vertebrate DNA polymerase N conferring low fidelity and bypass activity.

POLN is a nuclear A-family DNA polymerase encoded in vertebrate genomes. POLN has unusual fidelity and DNA lesion bypass properties, including strong strand displacement activity, low fidelity favoring incorporation of T for template G and accurate translesion synthesis past a 5S-thymine glycol (5S-Tg). We searched for conserved features of the polymerase domain that distinguish it from prokaryotic pol I-type DNA polymerases. A Lys residue (679 in human POLN) of particular interest was identified in the conserved 'O-helix' of motif 4 in the fingers sub-domain. The corresponding residue is one of the most important for controlling fidelity of prokaryotic pol I and is a nonpolar Ala or Thr in those enzymes. Kinetic measurements show that K679A or K679T POLN mutant DNA polymerases have full activity on nondamaged templates, but poorly incorporate T opposite template G and do not bypass 5S-Tg efficiently. We also found that a conserved Tyr residue in the same motif not only affects sensitivity to dideoxynucleotides, but also greatly influences enzyme activity, fidelity and bypass. Protein sequence alignment reveals that POLN has three specific insertions in the DNA polymerase domain. The results demonstrate that residues have been strictly retained during evolution that confer unique bypass and fidelity properties on POLN.

Detailed analysis of sequence changes occurring during vlsE antigenic variation in the mouse model of Borrelia burgdorferi infection.

Lyme disease Borrelia can infect humans and animals for months to years, despite the presence of an active host immune response. The vls antigenic variation system, which expresses the surface-exposed lipoprotein VlsE, plays a major role in B. burgdorferi immune evasion. Gene conversion between vls silent cassettes and the vlsE expression site occurs at high frequency during mammalian infection, resulting in sequence variation in the VlsE product. In this study, we examined vlsE sequence variation in B. burgdorferi B31 during mouse infection by analyzing 1,399 clones isolated from bladder, heart, joint, ear, and skin tissues of mice infected for 4 to 365 days. The median number of codon changes increased progressively in C3H/HeN mice from 4 to 28 days post infection, and no clones retained the parental vlsE sequence at 28 days. In contrast, the decrease in the number of clones with the parental vlsE sequence and the increase in the number of sequence changes occurred more gradually in severe combined immunodeficiency (SCID) mice. Clones containing a stop codon were isolated, indicating that continuous expression of full-length VlsE is not required for survival in vivo; also, these clones continued to undergo vlsE recombination. Analysis of clones with apparent single recombination events indicated that recombinations into vlsE are nonselective with regard to the silent cassette utilized, as well as the length and location of the recombination event. Sequence changes as small as one base pair were common. Fifteen percent of recovered vlsE variants contained "template-independent" sequence changes, which clustered in the variable regions of vlsE. We hypothesize that the increased frequency and complexity of vlsE sequence changes observed in clones recovered from immunocompetent mice (as compared with SCID mice) is due to rapid clearance of relatively invariant clones by variable region-specific anti-VlsE antibody responses.

Improved cerebellar tissue classification on magnetic resonance images of brain.

PURPOSE: To develop and implement a method for improved cerebellar tissue classification on the MRI of brain by automatically isolating the cerebellum prior to segmentation. MATERIALS AND METHODS: Dual fast spin echo (FSE) and fluid attenuation inversion recovery (FLAIR) images were acquired on 18 normal volunteers on a 3 T Philips scanner. The cerebellum was isolated from the rest of the brain using a symmetric inverse consistent nonlinear registration of individual brain with the parcellated template. The cerebellum was then separated by masking the anatomical image with individual FLAIR images. Tissues in both the cerebellum and rest of the brain were separately classified using hidden Markov random field (HMRF), a parametric method, and then combined to obtain tissue classification of the whole brain. The proposed method for tissue classification on real MR brain images was evaluated subjectively by two experts. The segmentation results on Brainweb images with varying noise and intensity nonuniformity levels were quantitatively compared with the ground truth by computing the Dice similarity indices. RESULTS: The proposed method significantly improved the cerebellar tissue classification on all normal volunteers included in this study without compromising the classification in remaining part of the brain. The average similarity indices for gray matter (GM) and white matter (WM) in the cerebellum are 89.81 (+/-2.34) and 93.04 (+/-2.41), demonstrating excellent performance of the proposed methodology. CONCLUSION: The proposed method significantly improved tissue classification in the cerebellum. The GM was overestimated when segmentation was performed on the whole brain as a single object.

Taxonomy development and knowledge representation of nurses' personal cognitive artifacts.

Nurses prepare knowledge representations, or summaries of patient clinical data, each shift. These knowledge representations serve multiple purposes, including support of working memory, workload organization and prioritization, critical thinking, and reflection. This summary is integral to internal knowledge representations, working memory, and decision-making. Study of this nurse knowledge representation resulted in development of a taxonomy of knowledge representations necessary to nursing practice.This paper describes the methods used to elicit the knowledge representations and structures necessary for the work of clinical nurses, described the development of a taxonomy of this knowledge representation, and discusses translation of this methodology to the cognitive artifacts of other disciplines. Understanding the development and purpose of practitioner's knowledge representations provides important direction to informaticists seeking to create information technology alternatives. The outcome of this paper is to suggest a process template for transition of cognitive artifacts to an information system.