7,710 research outputs found

    Breaking Virtual Barriers : Investigating Virtual Reality for Enhanced Educational Engagement

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    Virtual reality (VR) is an innovative technology that has regained popularity in recent years. In the field of education, VR has been introduced as a tool to enhance learning experiences. This thesis presents an exploration of how VR is used from the context of educators and learners. The research employed a mixed-methods approach, including surveying and interviewing educators, and conducting empirical studies to examine engagement, usability, and user behaviour within VR. The results revealed educators are interested in using VR for a wide range of scenarios, including thought exercises, virtual field trips, and simulations. However, they face several barriers to incorporating VR into their practice, such as cost, lack of training, and technical challenges. A subsequent study found that virtual reality can no longer be assumed to be more engaging than desktop equivalents. This empirical study showed that engagement levels were similar in both VR and non-VR environments, suggesting that the novelty effect of VR may be less pronounced than previously assumed. A study against a VR mind mapping artifact, VERITAS, demonstrated that complex interactions are possible on low-cost VR devices, making VR accessible to educators and students. The analysis of user behaviour within this VR artifact showed that quantifiable strategies emerge, contributing to the understanding of how to design for collaborative VR experiences. This thesis provides insights into how the end-users in the education space perceive and use VR. The findings suggest that while educators are interested in using VR, they face barriers to adoption. The research highlights the need to design VR experiences, with understanding of existing pedagogy, that are engaging with careful thought applied to complex interactions, particularly for collaborative experiences. This research contributes to the understanding of the potential of VR in education and provides recommendations for educators and designers to enhance learning experiences using VR

    Running to Your Own Beat:An Embodied Approach to Auditory Display Design

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    Personal fitness trackers represent a multi-billion-dollar industry, predicated on devices for assisting users in achieving their health goals. However, most current products only offer activity tracking and measurement of performance metrics, which do not ultimately address the need for technique related assistive feedback in a cost-effective way. Addressing this gap in the design space for assistive run training interfaces is also crucial in combating the negative effects of Forward Head Position, a condition resulting from mobile device use, with a rapid growth of incidence in the population. As such, Auditory Displays (AD) offer an innovative set of tools for creating such a device for runners. ADs present the opportunity to design interfaces which allow natural unencumbered motion, detached from the mobile or smartwatch screen, thus making them ideal for providing real-time assistive feedback for correcting head posture during running. However, issues with AD design have centred around overall usability and user-experience, therefore, in this thesis an ecological and embodied approach to AD design is presented as a vehicle for designing an assistive auditory interface for runners, which integrates seamlessly into their everyday environments

    Air Quality Research Using Remote Sensing

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    Air pollution is a worldwide environmental hazard that poses serious consequences not only for human health and the climate but also for agriculture, ecosystems, and cultural heritage, among other factors. According to the WHO, there are 8 million premature deaths every year as a result of exposure to ambient air pollution. In addition, more than 90% of the world’s population live in areas where the air quality is poor, exceeding the recommended limits. On the other hand, air pollution and the climate co-influence one another through complex physicochemical interactions in the atmosphere that alter the Earth’s energy balance and have implications for climate change and the air quality. It is important to measure specific atmospheric parameters and pollutant compound concentrations, monitor their variations, and analyze different scenarios with the aim of assessing the air pollution levels and developing early warning and forecast systems as a means of improving the air quality and safeguarding public health. Such measures can also form part of efforts to achieve a reduction in the number of air pollution casualties and mitigate climate change phenomena. This book contains contributions focusing on remote sensing techniques for evaluating air quality, including the use of in situ data, modeling approaches, and the synthesis of different instrumentations and techniques. The papers published in this book highlight the importance and relevance of air quality studies and the potential of remote sensing, particularly that conducted from Earth observation platforms, to shed light on this topic

    Membrane chromatography - high throughput screening and simulative process develoopment

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    Die in dieser Dissertation durchgeführten Untersuchungen liefern einen Beitrag im Bereich der biopharmazeutischen Prozessentwicklung und Produktion, im Speziellen für die chromatographische Aufreinigung. Bedingt durch die weltweite SARS-CoV-2 Pandemie stand die biopharmazeutische Industrie im Mittelpunkt des Medieninteresses. Dies führte zu einer öffentlichen Diskussion der Entwicklung und Herstellung von biopharmazeutischen Produkten. Aufgrund des dringlich benötigten Impfstoffes sind auch die benötigten Prozessentwicklungszeiten dieses erörtert worden. Die schnelle Bereitstellung eines wirksamen Arzneimittels bzw. Impfstoffes unter Einhaltung der behördlichen Anforderungen erfordert eine modernisierte und effizientere Entwicklung. Hierbei birgt eine einseitige Fokussierung auf die reine Reduktion der Entwicklungszeit eines Prozesses jedoch Nachteile und Risiken. Die Effizienzsteigerungspotentiale ergeben sich vor allem aus Wissensmanagement bei der Übertragung von bekannten Prozessentwicklungen wodurch Neuentwicklungen durch vorhandenes Wissen beschleunigt werden können. Des Weiteren besteht das Risiko bei eine reinen Zeitfokussierung, dass neuer/alternativer Herstellungsverfahren vernachlässigt werden und die langfristige Wettbewerbsfähigkeit nicht gegeben ist. Im Allgemeinen ist der pharmazeutische Aufreinigungsprozess in den vorgelagerten Upstream- (USP) und den daran angeschlossenen Downstream Prozess (DSP) unterteilt. Der USP verfolgt den optimalen Zellklon bzw. die optimalen Zellproduktionsbedingungen, wodurch eine stabile und hohe Produktivität erreicht wird. Im Gegensatz konzentriert sich das DSP auf die Produkt- und die Verunreinigungsprofile mit dem Ziel, eine hohe Reinheit und Ausbeute des Produktes zu erhalten. Aufgrund des hohen Standardisierungsgrades und der verfügbaren Informationen eignet sich die Herstellung von monoklonalen Antikörpern als Beispiel für einen Plattformprozess. Dieser Prozess umfasst im UPS die Vorbereitung von Kulturen und Zellen sowie die Herstellung des Wirkstoffes in einem Fermenter. Anschließend erfolgt die Aufreinigung des Produktes im DSP durch die Zellabtrennung, zwei bis drei Chromatographieschritte, Virusinaktivierung und einen eventuellen Pufferaustausch. Dem angeschlossen folgt die Virus- und Sterilfiltration in Vorbereitung auf die Abfüllung. Das derzeitige Verfahren in der chromatographischen Prozessentwicklung ermöglicht den Maßstabstransfer vom Labor zur Produktion durch verschiedene Ansätze. Diese Ansätze beruhen auf experimentellen Informationen, Expertenwissen sowie mechanistischer und/oder statistischer Modellierung. Die Prozessentwicklung gliedert sich in eine erste statische Untersuchung, eine detailliertere dynamische Leistungsuntersuchung und Experimente. Das grundsätzliche Ziel ist eine erfolgreiche Ergebnisübertragung in den Produktionsmaßstab. In frühen Entwicklungsstadien stehen der Prozessentwicklung meist nur sehr geringe Mengen des potenziellen Wirkstoffes zur Verfügung. Dementsprechend werden die statischen Untersuchungen entweder manuell oder durch robotergestützte Pipettierschritte im Kleinstmaßstab durchgeführt. Dem angeschlossen werden in Performance-Untersuchungen die ersten dynamischen Effekte ermittelt, typischerweise in automatisierten Robotersäulen im Mikrolitermaßstab. Bei ausreichender Verfügbarkeit werden detaillierte Experimente im Milliliter-Maßstab mit Flüssigchromatographie-Systemen im Labormaßstab durchgeführt. Die Laborsysteme weisen bereits einen mit der Produktion vergleichbaren Automatisierungsgrad auf. Dementsprechend bieten die detaillierten Experimente in der Regel die Grundlage für den Transfer in den Pilot- oder Produktionsmaßstab. In aktuellen Studien wird der Entwicklungsprozess häufig durch mechanistische Modellierung (MM) unterstützt. Das Ziel dieser Arbeiten ist eine theoretische Repräsentation des betrachteten Schrittes unter Bildung eines digitalen Zwillings. MM bietet die Möglichkeit, zusätzliche Informationen über Eingangsstoffe, stationäre Phasen, Geräte und Prozessführungen zu generieren. Auf diese Weise könnte MM die heute bekannten Prozessentwicklungsansätze miteinander verbinden, zusammenfassen und eine lebende Prozessbibliothek schaffen. Eine solche Bibliothek könnte das Wissen aus verschiedenen Prozessen bündeln und auf neue Fragestellung übertragen. Durch eine solche Transferleistung würden sich Zeit- und Kostenaufwand reduzieren. Die Entwicklung einer lebendigen Prozessbibliothek erfordert gleiche Untersuchungsansätze für alle stationären Phasen. Aufgrund der historischen Entwicklung besteht ein Ungleichgewicht zwischen partikulären/harzbasierter basiert Chromatographie und anderen stationären Phasen. Diese zumeist relativ neuen stationären Phasen werden nur selten für neue experimentelle Aufbauten, Prozessführungen und mechanistischen Modellierungsansätzen diskutiert. In der vorliegenden Arbeit wird ein monoklonaler Antikörper-Aufreinigungsprozess zur Aggregatabtrennung untersucht. Hierbei wird zunächst die Angleichung der Prozessentwicklungsmethoden zwischen diffusiven harzbasierten- und konvektiven Membranadsorbern (MA) als stationäre Phasen angestrebt. Dafür wird zunächst ein Aufbau für ein Hochdurchsatz-Screening entwickelt und mittels mechanistischer Modellierung die Ausarbeitung eines digitalen Zwillings angestrebt. In vier maßgeblichen Fallstudien werden die unterschiedlichen Prozessentwicklungsansätze für konvektive stationäre Phasen an jene der partikulären Chromatographie angeglichen. Hierbei werden folgende Bereiche untersucht: Bestimmung des Prozessparameterbereichs, Einbeziehung neuer Prozessführungen, Vergleichbarkeit unterschiedlicher stationärer Phasen und Skalierbarkeit. Für die Untersuchung konvektiver stationärer Phasen wie MA, welche typischerweise einen hohen Stofftransport und geringen Druckverlust im Modul aufweisen, wurde ein HTS Modul im Kleinstmaßstab für eine skalierbare Prozessentwicklung entwickelt. Die Untersuchung fokussierte sich auf die Entfernung von Aggregaten aus einer fermentierten monoklonalen Antikörperlösung. Die erste Fallstudie untersucht die experimentelle Anwendung des entwickelten HTS-Aufbaus und -Moduls. Hierbei werden der klassische Bindungs- und Elutionsmodus unter Variation des pH-Wertes und der Salzkonzentration angewendet. Dadurch lassen sich die Prozessfenster für die untersuchten Ionenaustausch-MA Sartobind® S und Q ermitteln. Des Weiteren wird mit Hilfe mechanistischer Modellbildung ein digitaler Zwilling erarbeitet. Die erhaltenen Ergebnisse bestätigen den erfolgreichen HTS-Aufbau und den entwickelten digitalen Zwilling. Im Ergebnisvergleich mit einer flüssigchromatographiebasierten Systemauftrennung zeigte der digitale Zwilling eine Signalübereinstimmung von über 80%. Des Weiteren wird für eine Maßstabsübertragung eines 0.42 mL Moduls auf ein 800 mL Modul eine Vorhersagegenauigkeit der dynamischen Durchbruchskonzentration von 90 % erzielt. Im Rahmen der Angleichung von konvektiven zu harzbasierten stationären Phasen ist in der zweiten Fallstudie die Abbildbarkeit von neuen Prozessführungen untersucht worden. Unterstützt durch mechanistische Modellierung wurden zwei verschiedene Trennungen auf kompetitive Adsorption untersucht. Darauf aufbauend wurde ein neuartiges HTS-Screeningmethode entwickelt. Dieses Verfahren ermöglicht die Bestimmung von Verdrängungseffekten durch kompetitive Adsorption und liefert Schlüsselgrößen zur Identifizierung dieser. Die Untersuchungsmethode wird Überladungs- und Elutionsverfahren (overload and elute mode, OBE) genannt und ebenfalls in der Aggregatabtrennung mit Sartobind® S untersucht. Basierend auf der im HTS angewandten OBE-Methode lassen sich sowohl klassische als auch dynamische Effekte bestimmen. Die Einführung des Verdrängungsidentifikators (displacement identifier, DI) ermöglicht eine Visualisierung von Verdrängungseffekten in einer Prozessparameterkarte. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden die Verdrängungseffekte in einem Recyclingexperiment angewendet. Dieses Recyclingexperiment weist durch die Ausnutzung der Verdrängungseffekte eine 45 % Reduktion der IgG- und 88 % höher Aggregatbindungskapazität im Vergleich mit einem einfachen FT-Prozess auf. Die zuvor angeführten Arbeiten haben die Unterschiede zwischen harzbasierten und konvektiven stationären Phasen reduziert. Dementsprechend erfolgten in der dritten Fallstudie die Untersuchung und der Vergleich von unterschiedlichen stationären Phasen. Hierbei wird eine Strategie zur Bewertung verschiedener Kombinationen von stationären Phasen, deren Grundgerüsten und Liganden, vorgestellt. Diese Strategie gewährleistet für die Erstellung einer Lebenden Prozessentwicklungsbibliothek die Untersuchung und Auswahl von passenden stationären Phasen. In dieser Fallstudie werden entwickelte Strategien an neuartigen MA behandelt, welche verschiedene chromatographische Effekte kombinieren (Mixed Mode, MiMo). Die Strategie beinhaltet theoretische Überlegungen sowie Untersuchungen der optimalen stationären Phasen hinsichtlich ihrer Selektivität und Bindungskapazität. Anhand der theoretischen Überlegungen lässt sich der experimentelle Raum, die möglichen Kombinationen aus stationären Phasen, deren Grundgerüst und Liganden reduzieren. Dafür wird jeder potenzielle MiMo MA Kandidat auf sein Potential zur Reduktion von Aggregaten in einer mAb Lösung untersucht und mit der Leistung der harzbasierten stationären Phase Capto™ Adhere verglichen. Die vorgestellte Strategie reduziert in einem frühem Untersuchungszeitpunkt die Reduktion von drei auf zwei mögliche stationäre Phasen reduzieren. Unter Berücksichtigung des untersuchten Einflusses der Ionenkapazität lässt sich ein finaler Kandidat ermitteln. Hierbei zeigt der Kandidat eine um 2 bis 3 Membranvolumen höhere Bindungskapazität als die Referenz Capto™ Adhere. Unter Verwendung der vorgestellten Strategie und Einbindung in eine Lebende Prozessbibliothek lassen sich zeiteffizient optimale stationäre Phasen identifizieren. Komplettiert wird die Arbeit in der letzten Fallstudie durch eine anwenderorientierte Maßstabsübertragung mittels mechanistischer Modellierung. Diese Arbeit beschreibt die typischen Modellierungsschritte mit Fokus auf der Maßstabsübertragung. Hierbei wird in der fluiddynamischen Beschreibung im Speziellen auf die Untersuchung und Optimierung von verschiedenen Modulen und deren Maßstabsübertragung eingegangen. Abweichend von der klassischen Isothermen-Parameterbestimmung werden historische HTS Daten verwendet, um die Isothermen-Parameter abzuschätzen. Dieses Vorgehen ermöglich in einem Lebenden Bibliotheksansatz die Inklusion von historischen Daten. Abgeschlossen wird die Fallstudie durch die Maßstabsübertrag eines axial durchströmten 0,46 mL HTS-Moduls zu einem 150 mL radial durchströmten Modul im Pilotmaßstab. Abschließend liefert diese Arbeit ein Verfahren zur Optimierung der Prozessentwicklung. Die verschiedenen Ansätze der Prozessentwicklung können in einem Lebenden Bibliothekansatz zusammengeführt werden. Dieser Bibliothekansatz umfasst Expertenwissen, Experimente sowie statistische und mechanistische Modellierung. In diesem Bestreben wurden zwischen harzbasierten und konvektiven stationären Phasen gleiche Wettbewerbsbedingungen geschaffen. Diese Vergleichbarkeit ermöglicht eine direkte Auswahl der stationären Phasen für eine bestimmte Trennaufgabe. Die anwenderorientierte Maßstabsübertragung bietet einen Leitfaden, wie durch mechanistische Modellierung die unterschiedlichen Prozessentwicklungsansätze zusammengeführt werden können. In dieser Arbeit zeigt die mechanistische Modellierung, wie der Prozessentwicklungsprozess abgebildet, transferiert, konserviert und standardisiert werden kann. Dadurch entsteht ein kohärentes und übertragbares Verfahren zur Verfügung, wodurch die anstehenden Herausforderungen in der Prozessentwicklung überwunden werden können

    LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volume

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    LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volum

    Multi-scale and cross-dimensional TMS mapping: A proof of principle in patients with Parkinson’s disease and deep brain stimulation

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    IntroductionTranscranial magnetic stimulation (TMS) mapping has become a critical tool for exploratory studies of the human corticomotor (M1) organization. Here, we propose to gather existing cutting-edge TMS-EMG and TMS-EEG approaches into a combined multi-dimensional TMS mapping that considers local and whole-brain excitability changes as well as state and time-specific changes in cortical activity. We applied this multi-dimensional TMS mapping approach to patients with Parkinson’s disease (PD) with Deep brain stimulation (DBS) of the sub-thalamic nucleus (STN) ON and OFF. Our goal was to identifying one or several TMS mapping-derived markers that could provide unprecedent new insights onto the mechanisms of DBS in movement disorders.MethodsSix PD patients (1 female, mean age: 62.5 yo [59–65]) implanted with DBS-STN for 1 year, underwent a robotized sulcus-shaped TMS motor mapping to measure changes in muscle-specific corticomotor representations and a movement initiation task to probe state-dependent modulations of corticospinal excitability in the ON (using clinically relevant DBS parameters) and OFF DBS states. Cortical excitability and evoked dynamics of three cortical areas involved in the neural control of voluntary movements (M1, pre-supplementary motor area – preSMA and inferior frontal gyrus – IFG) were then mapped using TMS-EEG coupling in the ON and OFF state. Lastly, we investigated the timing and nature of the STN-to-M1 inputs using a paired pulse DBS-TMS-EEG protocol.ResultsIn our sample of patients, DBS appeared to induce fast within-area somatotopic re-arrangements of motor finger representations in M1, as revealed by mediolateral shifts of corticomuscle representations. STN-DBS improved reaction times while up-regulating corticospinal excitability, especially during endogenous motor preparation. Evoked dynamics revealed marked increases in inhibitory circuits in the IFG and M1 with DBS ON. Finally, inhibitory conditioning effects of STN single pulses on corticomotor activity were found at timings relevant for the activation of inhibitory GABAergic receptors (4 and 20 ms).ConclusionTaken together, these results suggest a predominant role of some markers in explaining beneficial DBS effects, such as a context-dependent modulation of corticospinal excitability and the recruitment of distinct inhibitory circuits, involving long-range projections from higher level motor centers and local GABAergic neuronal populations. These combined measures might help to identify discriminative features of DBS mechanisms towards deep clinical phenotyping of DBS effects in Parkinson’s Disease and in other pathological conditions

    Toward Fine Contact Interactions: Learning to Control Normal Contact Force with Limited Information

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    Dexterous manipulation of objects through fine control of physical contacts is essential for many important tasks of daily living. A fundamental ability underlying fine contact control is compliant control, \textit{i.e.}, controlling the contact forces while moving. For robots, the most widely explored approaches heavily depend on models of manipulated objects and expensive sensors to gather contact location and force information needed for real-time control. The models are difficult to obtain, and the sensors are costly, hindering personal robots' adoption in our homes and businesses. This study performs model-free reinforcement learning of a normal contact force controller on a robotic manipulation system built with a low-cost, information-poor tactile sensor. Despite the limited sensing capability, our force controller can be combined with a motion controller to enable fine contact interactions during object manipulation. Promising results are demonstrated in non-prehensile, dexterous manipulation experiments

    Sociotechnical Imaginaries, the Future and the Third Offset Strategy

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    Immune contexture monitoring in solid tumors focusing on Head and Neck Cancer

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    Forti evidenze dimostrano una stretta interazione tra il sistema immunitario e lo sviluppo biologico e la progressione clinica dei tumori solidi. L'effetto che il microambiente immunitario del tumore può avere sul comportamento clinico della malattia è indicato come "immunecontexture". Nonostante ciò, l'attuale gestione clinica dei pazienti affetti da cancro non tiene conto di alcuna caratteristica immunologica né per la stadiazione né per le scelte terapeutiche. Il tumore della testa e del collo (HNSCC) rappresenta il 7° tumore più comune al mondo ed è caratterizzato da una prognosi relativamente sfavorevole e dall'effetto negativo dei trattamenti sulla qualità della vita dei pazienti. Oltre alla chirurgia e alla radioterapia, sono disponibili pochi trattamenti sistemici, rappresentati principalmente dalla chemioterapia a base di platino-derivati o dal cetuximab. L'immunoterapia è una nuova strategia terapeutica ancora limitata al setting palliativo (malattia ricorrente non resecabile o metastatica). La ricerca di nuovi biomarcatori o possibili nuovi meccanismi target è molto rilevante quindi nel contesto clinico dell'HNSCC. In questa tesi ci si concentrerà sullo studio di tre possibili popolazioni immunitarie pro-tumorali studiate nell'HNSCC: i neutrofili tumore-associati (TAN), le cellule B intratumorali con fenotipo immunosoppressivo e i T-reg CD8+. Particolare attenzione è data all'applicazione di moderne tecniche biostatistiche e bioinformatiche per riassumere informazioni complesse derivate da variabili cliniche e immunologiche multiparametriche e per validare risultati derivati ​​in situ, attraverso dati di espressione genica derivati da dataset pubblici. Infine, la seconda parte della tesi prenderà in considerazione progetti di ricerca clinica rilevanti, volti a migliorare l'oncologia di precisione nell'HNSCC, sviluppando modelli predittivi di sopravvivenza, confrontando procedure oncologiche alternative, validando nuovi classificatori o testando l'uso di nuovi protocolli clinici come l'uso dell'immunonutrizione.Strong evidences demonstrate a close interplay between the immune system and the biological development and clinical progression of solid tumors. The effect that the tumor immune microenvironment can have on the clinical behavior of the disease is referred as the immuno contexture. Nevertheless, the current clinical management of patients affected by cancer does not take into account any immunological features either for the staging or for the treatment choices. Head and Neck Cancer (HNSCC) represents the 7th most common cancer worldwide and it is characterized by a relatively poor prognosis and detrimental effect of treatments on the quality of life of patients. Beyond surgery and radiotherapy, few systemic treatments are available, mainly represented by platinum-based chemotherapy or cetuximab. Immunotherapy is a new therapeutical strategy still limited to the palliative setting (recurrent not resectable or metastatic disease). The search for new biomarkers or possible new targetable mechanisms is meaningful especially in the clinical setting of HNSCC. In this thesis a focus will be given on the study of three possible pro-tumoral immune populations studied in HNSCC: the tumor associated neutrophils (TAN), intratumoral B-cells with a immunosuppressive phenotype and the CD8+ T-regs. Biostatistical and bioinformatical techniques are applied to summarize complex information derived from multiparametric clinical and immunological variables and to validate in-situ derived findings through gene expression data of public available datasets. Lastly, the second part of the thesis will take into account relevant clinical research projects, aimed at improving the precision oncology in HNSCC developing survival prediction models, comparing alternative oncological procedures, validating new classifiers or testing the use of novel clinical protocols as the use of immunnutrition
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