Analyzing the Complexity and Reliability of Switch-Frequency-Reconfigurable Antennas Using Graph Models

This paper addresses the functional reliability and the complexity of reconfigurable antennas using graph models. The correlation between complexity and reliability for any given reconfigurable antenna is defined. Two methods are proposed to reduce failures and improve the reliability of reconfigurable antennas. The failures are caused by the reconfiguration technique or by the surrounding environment. These failure reduction methods proposed are tested and examples are given which verify these methods.

Fracture and resistance-curve behavior in hybrid natural fiber and polypropylene fiber reinforced composites

This article presents the results of a combined experimental and theoretical study of fracture and resistance-curve behavior of hybrid natural fiber- and synthetic polymer fiber-reinforced composites that are being developed for potential applications in affordable housing. Fracture and resistance-curve behavior are studied using single-edge notched bend specimens. The sisal fibers used were examined using atomic force microscopy for fiber bundle structures. The underlying crack/microstructure interactions and fracture mechanisms are elucidated via in situ optical microscopy and ex-situ environmental scanning microscopy techniques. The observed crack bridging mechanisms are modeled using small and large scale bridging concepts. The implications of the results are then discussed for the design of eco-friendly building materials that are reinforced with natural and polypropylene fibers.

Aportaciones al diseño de micromáquinas de inducción electrostáticas

[ES] La tendencia teconológica en el ámbito de la microelectrónica está dirigida al desarrollo de dispositivos, circuitos y sistemas de muy bajo consumo. En las tecnologías MEMS se hacen esfuerzos en el escalado de dispositivos ya conocidos en la macroescala. Para su fabricación de utilizan las técnicas de fabricación de circuitos integrados, esto hace posible obtener una producción maisva y de bajo coste. Este campo es deficitario en herramientas de desarrollo, diseño, simulación test y optimización de micromotores. Esta tesis es una contribución a su evolución. La originalidad de esta tesis doctoral reside en la metodologías utilizada para su desarrollo. En el trabajo de investigación realizado se han estudado los campos eléctricos y magnéticos y las densidades de esfuerzos que producen ambos campos en la microescala. Se estudian los principios físicos de los dispositivos en le microescala y se analizan las leyes de escala.

Design and development of new pressure sensors for aerodynamic applications

This artwork reports on two different projects that were carried out during the three years of Doctor of the Philosophy course. In the first years a project regarding Capacitive Pressure Sensors Array for Aerodynamic Applications was developed in the Applied Aerodynamic research team of the Second Faculty of Engineering, University of Bologna, Forlì, Italy, and in collaboration with the ARCES laboratories of the same university. Capacitive pressure sensors were designed and fabricated, investigating theoretically and experimentally the sensor’s mechanical and electrical behaviours by means of finite elements method simulations and by means of wind tunnel tests. During the design phase, the sensor figures of merit are considered and evaluated for specific aerodynamic applications. The aim of this work is the production of low cost MEMS-alternative devices suitable for a sensor network to be implemented in air data system. The last two year was dedicated to a project regarding Wireless Pressure Sensor Network for Nautical Applications. Aim of the developed sensor network is to sense the weak pressure field acting on the sail plan of a full batten sail by means of instrumented battens, providing a real time differential pressure map over the entire sail surface. The wireless sensor network and the sensing unit were designed, fabricated and tested in the faculty laboratories. A static non-linear coupled mechanical-electrostatic simulation, has been developed to predict the pressure versus capacitance static characteristic suitable for the transduction process and to tune the geometry of the transducer to reach the required resolution, sensitivity and time response in the appropriate full scale pressure input A time dependent viscoelastic error model has been inferred and developed by means of experimental data in order to model, predict and reduce the inaccuracy bound due to the viscolelastic phenomena affecting the Mylar® polyester film used for the sensor diaphragm. The development of the two above mentioned subjects are strictly related but presently separately in this artwork.

Vibration as a method for muscular stimulation

Human reactions to vibration have been extensively investigated in the past. Vibration, as well as whole-body vibration (WBV), has been commonly considered as an occupational hazard for its detrimental effects on human condition and comfort. Although long term exposure to vibrations may produce undesirable side-effects, a great part of the literature is dedicated to the positive effects of WBV when used as method for muscular stimulation and as an exercise intervention. Whole body vibration training (WBVT) aims to mechanically activate muscles by eliciting neuromuscular activity (muscle reflexes) via the use of vibrations delivered to the whole body. The most mentioned mechanism to explain the neuromuscular outcomes of vibration is the elicited neuromuscular activation. Local tendon vibrations induce activity of the muscle spindle Ia fibers, mediated by monosynaptic and polysynaptic pathways: a reflex muscle contraction known as the Tonic Vibration Reflex (TVR) arises in response to such vibratory stimulus. In WBVT mechanical vibrations, in a range from 10 to 80 Hz and peak to peak displacements from 1 to 10 mm, are usually transmitted to the patient body by the use of oscillating platforms. Vibrations are then transferred from the platform to a specific muscle group through the subject body. To customize WBV treatments, surface electromyography (SEMG) signals are often used to reveal the best stimulation frequency for each subject. Use of SEMG concise parameters, such as root mean square values of the recordings, is also a common practice; frequently a preliminary session can take place in order to discover the more appropriate stimulation frequency. Soft tissues act as wobbling masses vibrating in a damped manner in response to mechanical excitation; Muscle Tuning hypothesis suggest that neuromuscular system works to damp the soft tissue oscillation that occurs in response to vibrations; muscles alters their activity to dampen the vibrations, preventing any resonance phenomenon. Muscle response to vibration is however a complex phenomenon as it depends on different parameters, like muscle-tension, muscle or segment-stiffness, amplitude and frequency of the mechanical vibration. Additionally, while in the TVR study the applied vibratory stimulus and the muscle conditions are completely characterised (a known vibration source is applied directly to a stretched/shortened muscle or tendon), in WBV study only the stimulus applied to a distal part of the body is known. Moreover, mechanical response changes in relation to the posture. The transmissibility of vibratory stimulus along the body segment strongly depends on the position held by the subject. The aim of this work was the investigation on the effects that the use of vibrations, in particular the effects of whole body vibrations, may have on muscular activity. A new approach to discover the more appropriate stimulus frequency, by the use of accelerometers, was also explored. Different subjects, not affected by any known neurological or musculoskeletal disorders, were voluntarily involved in the study and gave their informed, written consent to participate. The device used to deliver vibration to the subjects was a vibrating platform. Vibrations impressed by the platform were exclusively vertical; platform displacement was sinusoidal with an intensity (peak-to-peak displacement) set to 1.2 mm and with a frequency ranging from 10 to 80 Hz. All the subjects familiarized with the device and the proper positioning. Two different posture were explored in this study: position 1 - hack squat; position 2 - subject standing on toes with heels raised. SEMG signals from the Rectus Femoris (RF), Vastus Lateralis (VL) and Vastus medialis (VM) were recorded. SEMG signals were amplified using a multi-channel, isolated biomedical signal amplifier The gain was set to 1000 V/V and a band pass filter (-3dB frequency 10 - 500 Hz) was applied; no notch filters were used to suppress line interference. Tiny and lightweight (less than 10 g) three-axial MEMS accelerometers (Freescale semiconductors) were used to measure accelerations of onto patient’s skin, at EMG electrodes level. Accelerations signals provided information related to individuals’ RF, Biceps Femoris (BF) and Gastrocnemius Lateralis (GL) muscle belly oscillation; they were pre-processed in order to exclude influence of gravity. As demonstrated by our results, vibrations generate peculiar, not negligible motion artifact on skin electrodes. Artifact amplitude is generally unpredictable; it appeared in all the quadriceps muscles analysed, but in different amounts. Artifact harmonics extend throughout the EMG spectrum, making classic high-pass filters ineffective; however, their contribution was easy to filter out from the raw EMG signal with a series of sharp notch filters centred at the vibration frequency and its superior harmonics (1.5 Hz wide). However, use of these simple filters prevents the revelation of EMG power potential variation in the mentioned filtered bands. Moreover our experience suggests that the possibility of reducing motion artefact, by using particular electrodes and by accurately preparing the subject’s skin, is not easily viable; even though some small improvements were obtained, it was not possible to substantially decrease the artifact. Anyway, getting rid of those artifacts lead to some true EMG signal loss. Nevertheless, our preliminary results suggest that the use of notch filters at vibration frequency and its harmonics is suitable for motion artifacts filtering. In RF SEMG recordings during vibratory stimulation only a little EMG power increment should be contained in the mentioned filtered bands due to synchronous electromyographic activity of the muscle. Moreover, it is better to remove the artifact that, in our experience, was found to be more than 40% of the total signal power. In summary, many variables have to be taken into account: in addition to amplitude, frequency and duration of vibration treatment, other fundamental variables were found to be subject anatomy, individual physiological condition and subject’s positioning on the platform. Studies on WBV treatments that include surface EMG analysis to asses muscular activity during vibratory stimulation should take into account the presence of motion artifacts. Appropriate filtering of artifacts, to reveal the actual effect on muscle contraction elicited by vibration stimulus, is mandatory. However as a result of our preliminary study, a simple multi-band notch filtering may help to reduce randomness of the results. Muscle tuning hypothesis seemed to be confirmed. Our results suggested that the effects of WBV are linked to the actual muscle motion (displacement). The greater was the muscle belly displacement the higher was found the muscle activity. The maximum muscle activity has been found in correspondence with the local mechanical resonance, suggesting a more effective stimulation at the specific system resonance frequency. Holding the hypothesis that muscle activation is proportional to muscle displacement, treatment optimization could be obtained by simply monitoring local acceleration (resonance). However, our study revealed some short term effects of vibratory stimulus; prolonged studies should be assembled in order to consider the long term effectiveness of these results. Since local stimulus depends on the kinematic chain involved, WBV muscle stimulation has to take into account the transmissibility of the stimulus along the body segment in order to ensure that vibratory stimulation effectively reaches the target muscle. Combination of local resonance and muscle response should also be further investigated to prevent hazards to individuals undergoing WBV treatments.

Technical innovations for the diagnosis and the rehabilitation of motor and perceptive impairments of the child with Cerebral Palsy

The treatment of the Cerebral Palsy (CP) is considered as the “core problem” for the whole field of the pediatric rehabilitation. The reason why this pathology has such a primary role, can be ascribed to two main aspects. First of all CP is the form of disability most frequent in childhood (one new case per 500 birth alive, (1)), secondarily the functional recovery of the “spastic” child is, historically, the clinical field in which the majority of the therapeutic methods and techniques (physiotherapy, orthotic, pharmacologic, orthopedic-surgical, neurosurgical) were first applied and tested. The currently accepted definition of CP – Group of disorders of the development of movement and posture causing activity limitation (2) – is the result of a recent update by the World Health Organization to the language of the International Classification of Functioning Disability and Health, from the original proposal of Ingram – A persistent but not unchangeable disorder of posture and movement – dated 1955 (3). This definition considers CP as a permanent ailment, i.e. a “fixed” condition, that however can be modified both functionally and structurally by means of child spontaneous evolution and treatments carried out during childhood. The lesion that causes the palsy, happens in a structurally immature brain in the pre-, peri- or post-birth period (but only during the firsts months of life). The most frequent causes of CP are: prematurity, insufficient cerebral perfusion, arterial haemorrhage, venous infarction, hypoxia caused by various origin (for example from the ingestion of amniotic liquid), malnutrition, infection and maternal or fetal poisoning. In addition to these causes, traumas and malformations have to be included. The lesion, whether focused or spread over the nervous system, impairs the whole functioning of the Central Nervous System (CNS). As a consequence, they affect the construction of the adaptive functions (4), first of all posture control, locomotion and manipulation. The palsy itself does not vary over time, however it assumes an unavoidable “evolutionary” feature when during growth the child is requested to meet new and different needs through the construction of new and different functions. It is essential to consider that clinically CP is not only a direct expression of structural impairment, that is of etiology, pathogenesis and lesion timing, but it is mainly the manifestation of the path followed by the CNS to “re”-construct the adaptive functions “despite” the presence of the damage. “Palsy” is “the form of the function that is implemented by an individual whose CNS has been damaged in order to satisfy the demands coming from the environment” (4). Therefore it is only possible to establish general relations between lesion site, nature and size, and palsy and recovery processes. It is quite common to observe that children with very similar neuroimaging can have very different clinical manifestations of CP and, on the other hand, children with very similar motor behaviors can have completely different lesion histories. A very clear example of this is represented by hemiplegic forms, which show bilateral hemispheric lesions in a high percentage of cases. The first section of this thesis is aimed at guiding the interpretation of CP. First of all the issue of the detection of the palsy is treated from historical viewpoint. Consequently, an extended analysis of the current definition of CP, as internationally accepted, is provided. The definition is then outlined in terms of a space dimension and then of a time dimension, hence it is highlighted where this definition is unacceptably lacking. The last part of the first section further stresses the importance of shifting from the traditional concept of CP as a palsy of development (defect analysis) towards the notion of development of palsy, i.e., as the product of the relationship that the individual however tries to dynamically build with the surrounding environment (resource semeiotics) starting and growing from a different availability of resources, needs, dreams, rights and duties (4). In the scientific and clinic community no common classification system of CP has so far been universally accepted. Besides, no standard operative method or technique have been acknowledged to effectively assess the different disabilities and impairments exhibited by children with CP. CP is still “an artificial concept, comprising several causes and clinical syndromes that have been grouped together for a convenience of management” (5). The lack of standard and common protocols able to effectively diagnose the palsy, and as a consequence to establish specific treatments and prognosis, is mainly because of the difficulty to elevate this field to a level based on scientific evidence. A solution aimed at overcoming the current incomplete treatment of CP children is represented by the clinical systematic adoption of objective tools able to measure motor defects and movement impairments. A widespread application of reliable instruments and techniques able to objectively evaluate both the form of the palsy (diagnosis) and the efficacy of the treatments provided (prognosis), constitutes a valuable method able to validate care protocols, establish the efficacy of classification systems and assess the validity of definitions. Since the ‘80s, instruments specifically oriented to the analysis of the human movement have been advantageously designed and applied in the context of CP with the aim of measuring motor deficits and, especially, gait deviations. The gait analysis (GA) technique has been increasingly used over the years to assess, analyze, classify, and support the process of clinical decisions making, allowing for a complete investigation of gait with an increased temporal and spatial resolution. GA has provided a basis for improving the outcome of surgical and nonsurgical treatments and for introducing a new modus operandi in the identification of defects and functional adaptations to the musculoskeletal disorders. Historically, the first laboratories set up for gait analysis developed their own protocol (set of procedures for data collection and for data reduction) independently, according to performances of the technologies available at that time. In particular, the stereophotogrammetric systems mainly based on optoelectronic technology, soon became a gold-standard for motion analysis. They have been successfully applied especially for scientific purposes. Nowadays the optoelectronic systems have significantly improved their performances in term of spatial and temporal resolution, however many laboratories continue to use the protocols designed on the technology available in the ‘70s and now out-of-date. Furthermore, these protocols are not coherent both for the biomechanical models and for the adopted collection procedures. In spite of these differences, GA data are shared, exchanged and interpreted irrespectively to the adopted protocol without a full awareness to what extent these protocols are compatible and comparable with each other. Following the extraordinary advances in computer science and electronics, new systems for GA no longer based on optoelectronic technology, are now becoming available. They are the Inertial and Magnetic Measurement Systems (IMMSs), based on miniature MEMS (Microelectromechanical systems) inertial sensor technology. These systems are cost effective, wearable and fully portable motion analysis systems, these features gives IMMSs the potential to be used both outside specialized laboratories and to consecutive collect series of tens of gait cycles. The recognition and selection of the most representative gait cycle is then easier and more reliable especially in CP children, considering their relevant gait cycle variability. The second section of this thesis is focused on GA. In particular, it is firstly aimed at examining the differences among five most representative GA protocols in order to assess the state of the art with respect to the inter-protocol variability. The design of a new protocol is then proposed and presented with the aim of achieving gait analysis on CP children by means of IMMS. The protocol, named ‘Outwalk’, contains original and innovative solutions oriented at obtaining joint kinematic with calibration procedures extremely comfortable for the patients. The results of a first in-vivo validation of Outwalk on healthy subjects are then provided. In particular, this study was carried out by comparing Outwalk used in combination with an IMMS with respect to a reference protocol and an optoelectronic system. In order to set a more accurate and precise comparison of the systems and the protocols, ad hoc methods were designed and an original formulation of the statistical parameter coefficient of multiple correlation was developed and effectively applied. On the basis of the experimental design proposed for the validation on healthy subjects, a first assessment of Outwalk, together with an IMMS, was also carried out on CP children. The third section of this thesis is dedicated to the treatment of walking in CP children. Commonly prescribed treatments in addressing gait abnormalities in CP children include physical therapy, surgery (orthopedic and rhizotomy), and orthoses. The orthotic approach is conservative, being reversible, and widespread in many therapeutic regimes. Orthoses are used to improve the gait of children with CP, by preventing deformities, controlling joint position, and offering an effective lever for the ankle joint. Orthoses are prescribed for the additional aims of increasing walking speed, improving stability, preventing stumbling, and decreasing muscular fatigue. The ankle-foot orthosis (AFO), with a rigid ankle, are primarily designed to prevent equinus and other foot deformities with a positive effect also on more proximal joints. However, AFOs prevent the natural excursion of the tibio-tarsic joint during the second rocker, hence hampering the natural leaning progression of the whole body under the effect of the inertia (6). A new modular (submalleolar) astragalus-calcanear orthosis, named OMAC, has recently been proposed with the intention of substituting the prescription of AFOs in those CP children exhibiting a flat and valgus-pronated foot. The aim of this section is thus to present the mechanical and technical features of the OMAC by means of an accurate description of the device. In particular, the integral document of the deposited Italian patent, is provided. A preliminary validation of OMAC with respect to AFO is also reported as resulted from an experimental campaign on diplegic CP children, during a three month period, aimed at quantitatively assessing the benefit provided by the two orthoses on walking and at qualitatively evaluating the changes in the quality of life and motor abilities. As already stated, CP is universally considered as a persistent but not unchangeable disorder of posture and movement. Conversely to this definition, some clinicians (4) have recently pointed out that movement disorders may be primarily caused by the presence of perceptive disorders, where perception is not merely the acquisition of sensory information, but an active process aimed at guiding the execution of movements through the integration of sensory information properly representing the state of one’s body and of the environment. Children with perceptive impairments show an overall fear of moving and the onset of strongly unnatural walking schemes directly caused by the presence of perceptive system disorders. The fourth section of the thesis thus deals with accurately defining the perceptive impairment exhibited by diplegic CP children. A detailed description of the clinical signs revealing the presence of the perceptive impairment, and a classification scheme of the clinical aspects of perceptual disorders is provided. In the end, a functional reaching test is proposed as an instrumental test able to disclosure the perceptive impairment. References 1. Prevalence and characteristics of children with cerebral palsy in Europe. Dev Med Child Neurol. 2002 Set;44(9):633-640. 2. Bax M, Goldstein M, Rosenbaum P, Leviton A, Paneth N, Dan B, et al. Proposed definition and classification of cerebral palsy, April 2005. Dev Med Child Neurol. 2005 Ago;47(8):571-576. 3. Ingram TT. A study of cerebral palsy in the childhood population of Edinburgh. Arch. Dis. Child. 1955 Apr;30(150):85-98. 4. Ferrari A, Cioni G. The spastic forms of cerebral palsy : a guide to the assessment of adaptive functions. Milan: Springer; 2009. 5. Olney SJ, Wright MJ. Cerebral Palsy. Campbell S et al. Physical Therapy for Children. 2nd Ed. Philadelphia: Saunders. 2000;:533-570. 6. Desloovere K, Molenaers G, Van Gestel L, Huenaerts C, Van Campenhout A, Callewaert B, et al. How can push-off be preserved during use of an ankle foot orthosis in children with hemiplegia? A prospective controlled study. Gait Posture. 2006 Ott;24(2):142-151.

Modeling, design and experimental characterization of Micro-Electro-Mechanical-Systems for gas chromatographic applications

Design parameters, process flows, electro-thermal-fluidic simulations and experimental characterizations of Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) suited for gas-chromatographic (GC) applications are presented and thoroughly described in this thesis, whose topic belongs to the research activities the Institute for Microelectronics and Microsystems (IMM)-Bologna is involved since several years, i.e. the development of micro-systems for chemical analysis, based on silicon micro-machining techniques and able to perform analysis of complex gaseous mixtures, especially in the field of environmental monitoring. In this regard, attention has been focused on the development of micro-fabricated devices to be employed in a portable mini-GC system for the analysis of aromatic Volatile Organic Compounds (VOC) like Benzene, Toluene, Ethyl-benzene and Xylene (BTEX), i.e. chemical compounds which can significantly affect environment and human health because of their demonstrated carcinogenicity (benzene) or toxicity (toluene, xylene) even at parts per billion (ppb) concentrations. The most significant results achieved through the laboratory functional characterization of the mini-GC system have been reported, together with in-field analysis results carried out in a station of the Bologna air monitoring network and compared with those provided by a commercial GC system. The development of more advanced prototypes of micro-fabricated devices specifically suited for FAST-GC have been also presented (silicon capillary columns, Ultra-Low-Power (ULP) Metal OXide (MOX) sensor, Thermal Conductivity Detector (TCD)), together with the technological processes for their fabrication. The experimentally demonstrated very high sensitivity of ULP-MOX sensors to VOCs, coupled with the extremely low power consumption, makes the developed ULP-MOX sensor the most performing metal oxide sensor reported up to now in literature, while preliminary test results proved that the developed silicon capillary columns are capable of performances comparable to those of the best fused silica capillary columns. Finally, the development and the validation of a coupled electro-thermal Finite Element Model suited for both steady-state and transient analysis of the micro-devices has been described, and subsequently implemented with a fluidic part to investigate devices behaviour in presence of a gas flowing with certain volumetric flow rates.

Pharmazeutische Betreuung lebertransplantierter Patienten unter besonderer Berücksichtigung der Compliance mit der immunsuppressiven Therapie

Compliance mit der immunsuppressiven Therapie spielt eine entscheidende Rolle für den langfristigen Erfolg einer Organtransplantation. Strategien zur Förderung der Compliance von organtransplantierten Patienten sind daher von besonderem Interesse. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals in Deutschland ein Konzept zur Pharmazeutischen Betreuung von organtransplantierten Patienten entworfen und mit wissenschaftlichen Methoden auf Durchführbarkeit und Nutzen geprüft. Zu diesem Zweck wurde eine prospektive, randomisierte Studie mit Kontrollgruppendesign initiiert, in die insgesamt 50 Patienten eingeschlossen wurden. Hauptziel der Studie war die Untersuchung des Einflusses einer 12-monatigen Pharmazeutischen Betreuung von lebertransplantierten Patienten auf die Compliance mit der immunsuppressiven Therapie. Zur Messung der Compliance wurden MEMS® (Medication Event Monitoring Systems) herangezogen, die momentan als Goldstandard in der Compliance-Messung angesehen werden. Weitere direkte und indirekte M

Functional polymer coatings — My-Patterning and My-Analysis

In dieser Arbeit werden Strukturen beschrieben, die mit Polymeren auf Oberflächen erzeugt wurden. Die Anwendungen reichen von PMMA und PNIPAM Polymerbürsten, über die Restrukturierung von Polystyrol durch Lösemittel bis zu 3D-Strukturen, die aus PAH/ PSS Polyelektrolytmultischichten bestehen. Im ersten Teil werden Polymethylmethacrylat (PMMA) Bürsten in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophospat ([Bmim][PF6]) durch kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt. Kinetische Untersuchungen zeigten ein lineares und dichtes Bürstenwachstum mit einer Wachstumsrate von 4600 g/mol pro nm. Die durchschnittliche Pfropfdichte betrug 0.36 µmol/m2. Als Anwendung wurden Mikrotropfen bestehend aus der ionischen Flüssigkeit, Dimethylformamid und dem ATRP-Katalysator benutzt, um in einer definierten Geometrie Polymerbürsten auf Silizium aufzubringen. Auf diese Weise lässt sich eine bis zu 13 nm dicke Beschichtung erzeugen. Dieses Konzept ist durch die Verdampfung des Monomers Methylmethacrylat (MMA) limitiert. Aus einem 1 µl großen Tropfen aus ionischer Flüssigkeit und MMA (1:1) verdampft MMA innerhalb von 100 s. Daher wurde das Monomer sequentiell zugegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe einer neuen Methode: Tintendruck. Ein piezoelektrisch betriebenes „Drop-on-Demand“ Drucksystem wurde verwendet, um Polystyrol mit 0,4 nl Tropfen aus Toluol zu strukturieren. Die auf diese Art und Weise gebildeten Mikrokrater können Anwendung als Mikrolinsen finden. Die Brennweite der Mikrolinsen kann über die Anzahl an Tropfen, die für die Strukturierung verwendet werden, eingestellt werden. Theoretisch und experimentell wurde die Brennweite im Bereich von 4,5 mm bis 0,21 mm ermittelt. Der zweite Strukturierungsprozess nutzt die Polyelektrolyte Polyvinylamin-Hydrochlorid (PAH) und Polystyrolsulfonat (PSS), um 3D-Strukturen wie z.B. Linien, Schachbretter, Ringe, Stapel mit einer Schicht für Schicht Methode herzustellen. Die Schichtdicke für eine Doppelschicht (DS) liegt im Bereich von 0.6 bis 1.1 nm, wenn NaCl als Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,5 mol/l eingesetzt wird. Die Breite der Strukturen beträgt im Mittel 230 µm. Der Prozess wurde erweitert, um Nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) zu beschichten. Auf einem Array bestehend aus acht Cantilevern wurden je zwei Cantilever mit fünf Doppelschichten PAH/ PSS und je zwei Cantilever mit zehn Doppelschichten PAH/ PSS schnell und reproduzierbar beschichtet. Die Massenänderung für die individuellen Cantilever war 0,55 ng für fünf Doppelschichten und 1,08 ng für zehn Doppelschichten. Der daraus resultierende Sensor wurde einer Umgebung mit definierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Cantilever verbiegen sich durch die Ausdehnung der Beschichtung, da Wasser in das Polymer diffundiert. Eine maximale Verbiegung von 442 nm bei 80% Luftfeuchtigkeit wurde für die mit zehn Doppelschichten beschichteten Cantilever gefunden. Dies entspricht einer Wasseraufnahme von 35%. Zusätzlich konnte aus den Verbiegungsdaten geschlossen werden, dass die Elastizität der Polyelektrolytmultischichten zunimmt, wenn das Polymer gequollen ist. Das thermische Verhalten in Wasser wurde im nächsten Teil an nanomechanischen Cantilever Sensoren, die mit Poly(N-isopropylacrylamid)bürsten (PNIPAM) und plasmapolymerisiertem N,N-Diethylacrylamid beschichtet waren, untersucht. Die Verbiegung des Cantilevers zeigte zwei Bereiche: Bei Temperaturen kleiner der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) ist die Verbiegung durch die Dehydration der Polymerschicht dominiert und bei Temperaturen größer der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) reagiert der Cantilever Sensor überwiegend auf Relaxationsprozesse innerhalb der kollabierten Polymerschicht. Es wurde gefunden, dass das Minimum in der differentiellen Verbiegung mit der niedrigsten kritischen Temperatur von 32°C und 44°C der ausgewählten Polymeren übereinstimmt. Im letzten Teil der Arbeit wurden µ-Reflektivitäts- und µ-GISAXS Experimente eingeführt als neue Methoden, um mikrostrukturierte Proben wie NCS oder PEM Linien mit Röntgenstreuung zu untersuchen. Die Dicke von jedem individuell mit PMMA Bürsten beschichtetem NCS ist im Bereich von 32,9 bis 35,2 nm, was mit Hilfe von µ-Reflektivitätsmessungen bestimmt wurde. Dieses Ergebnis kann mit abbildender Ellipsometrie als komplementäre Methode mit einer maximalen Abweichung von 7% bestätigt werden. Als zweites Beispiel wurde eine gedruckte Polyelektrolytmultischicht aus PAH/PSS untersucht. Die Herstellungsprozedur wurde so modifiziert, dass Goldnanopartikel in die Schichtstruktur eingebracht wurden. Durch Auswertung eines µ-GISAXS Experiments konnte der Einbau der Partikel identifiziert werden. Durch eine Anpassung mit einem Unified Fit Modell wurde herausgefunden, dass die Partikel nicht agglomeriert sind und von einer Polymermatrix umgeben sind.

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

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

Development and characterization of micromachined devices for separation techniques

Nowadays microfluidic is becoming an important technology in many chemical and biological processes and analysis applications. The potential to replace large-scale conventional laboratory instrumentation with miniaturized and self-contained systems, (called lab-on-a-chip (LOC) or point-of-care-testing (POCT)), offers a variety of advantages such as low reagent consumption, faster analysis speeds, and the capability of operating in a massively parallel scale in order to achieve high-throughput. Micro-electro-mechanical-systems (MEMS) technologies enable both the fabrication of miniaturized system and the possibility of developing compact and portable systems. The work described in this dissertation is towards the development of micromachined separation devices for both high-speed gas chromatography (HSGC) and gravitational field-flow fractionation (GrFFF) using MEMS technologies. Concerning the HSGC, a complete platform of three MEMS-based GC core components (injector, separation column and detector) is designed, fabricated and characterized. The microinjector consists of a set of pneumatically driven microvalves, based on a polymeric actuating membrane. Experimental results demonstrate that the microinjector is able to guarantee low dead volumes, fast actuation time, a wide operating temperature range and high chemical inertness. The microcolumn consists of an all-silicon microcolumn having a nearly circular cross-section channel. The extensive characterization has produced separation performances very close to the theoretical ideal expectations. A thermal conductivity detector (TCD) is chosen as most proper detector to be miniaturized since the volume reduction of the detector chamber results in increased mass and reduced dead volumes. The microTDC shows a good sensitivity and a very wide dynamic range. Finally a feasibility study for miniaturizing a channel suited for GrFFF is performed. The proposed GrFFF microchannel is at early stage of development, but represents a first step for the realization of a highly portable and potentially low-cost POCT device for biomedical applications.

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

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

Vergleichende, prospektive Untersuchung der Arzneimittelcompliance, Funktionskapazität und Lebensqualität bei Patienten mit Rheuma, die mit Methotrexat peroral oder subkutan behandelt werden

Um einen positiven Einfluss auf den Krankheitsverlauf bei Patienten mit Rheumatoider Arthritis zu nehmen, ist die Compliance mit dem Basistherapeutikum Methotrexat unerlässlich. Therapietreue mit Methotrexat kann die Krankheitsprogression verhindern und irreversiblen Knochenerosionen vorbeugen. Methotrexat wird sowohl in subkutaner als auch in peroraler Applikationsform verordnet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Compliance mit der Anwendung von Methotrexat Fertigspritzen und Tabletten mit einer elektronischen Messmethode (MEMS™) bestimmt. Hauptziel der Studie war die Bestimmung der Taking Compliance mit Methotrexat. Untersucht wurde hinsichtlich eines Unterschieds zwischen der Applikationsform und der Erkrankungsdauer. Daneben wurde die Dosing Compliance mit peroralem Methotrexat erfasst, sowie Einschätzungen der Patienten bezüglich der Compliance, Funktionskapazität, Lebensqualität und Zufriedenheit erhoben. Die Compliancestudie erfolgte in Kooperation mit dem Netzwerk ADAPTHERA. 74 Studienpatienten wurden 3 Gruppen zugeteilt: Gruppe 1 Methotrexat p.o.; Gruppe 2 Methotrexat s.c. und Erkrankungsdauer <24 Monate; Gruppe 3 Methotrexat s.c. und Erkrankungsdauer >24 Monate. Die Beobachtungsdauer betrug bei peroraler Applikationsform 9 Monate und bei subkutaner 6 Monate. Im Median wurde eine Taking und Dosing Compliance von 100% gemessen. Anhand der subjektiven Einschätzung der Patienten zur Funktionskapazität konnten geringe Einschränkungen für die Patienten im Alltag verzeichnet werden. 25% des Studienkollektivs litt unter einem reduzierten Wohlbefinden. Die Studie konnte zeigen, dass Patienten von einer frühzeitigen Therapie und einer hohen Compliancerate profitieren.

Studio di validità concorrente tra sistema indossabile basato su IMU e stereofotogrammetria usata come gold standard

L’analisi della postura e del movimento umano costituiscono un settore biomedico in forte espansione e di grande interesse dal punto di vista clinico. La valutazione delle caratteristiche della postura e del movimento, nonché delle loro variazioni rispetto ad una situazione di normalità, possono essere di enorme utilità in campo clinico per la diagnosi di particolari patologie, così come per la pianificazione ed il controllo di specifici trattamenti riabilitativi. In particolare è utile una valutazione quantitativa della postura e del movimento che può essere effettuata solo utilizzando metodologie e tecnologie ‘ad hoc’. Negli ultimi anni la diffusione di sensori MEMS e lo sviluppo di algoritmi di sensor fusion hanno portato questi dispositivi ad entrare nel mondo della Motion Capture. Queste piattaforme multi-sensore, comunemente chiamate IMU (Inertial Measurement Unit), possono rappresentare l’elemento base di una rete sensoriale per il monitoraggio del movimento umano.

Sviluppo di un ambiente software di test e analisi delle prestazioni di INS di livello navigation e tactical grade

In questa tesi abbiamo provato a definire fino a che punto le misure di sensori siano affidabili, creando un simulatore che sia in grado di analizzare, qualitativamente e quantitativamente, le prestazioni di sensori inerziali facenti parte di sistemi di navigazione inerziale. Non ci siamo soffermati troppo sulle dinamiche dovute agli errori deterministici, che sono eliminabili facilmente mediante prove sperimentali e test, ma abbiamo puntato ad uno studio approfondito riguardante gli errori dovuti a processi stocastici casuali. Il simulatore, programmato sulla piattaforma MATLAB/Simulink, prende i dati grezzi contenuti all’interno dei datasheets dei sensori e li simula, riportando risultati numerici e grafici degli errori risultanti dall’utilizzo di quei specifici sensori; in particolare, esso mette in luce l’andamento degli errori di posizione, velocità ed assetto ad ogni istante di tempo della simulazione. L’analisi effettuata all’interno dell’elaborato ha successivamente condotto all’identificazione dei giroscopi laser come i sensori che soffrono meno di questi disturbi non-sistematici, portandoli ad un livello sopraelevato rispetto ai MEMS ed ai FOG.