Fluoreszenzkinematografische Untersuchung zur Sehnendehnbarkeit an der equinen oberflächlichen Beugesehne

Einleitung: Die oberflächliche Beugesehne (OBS) ist die am häufigsten verletzte Struktur des Bewegungsapparates von Pferden. Verletzungen der OBS verursachen ökonomische Einbußen im Pferdesport, sind unter Tierschutzaspekten hochrelevant und sind gekennzeichnet von langen Rekonvaleszenzzeiten von 9--18 Monaten und einer Wiederverletzungsrate von bis zu 80 %. Um Sehnenverletzungen, deren Heilung und den Therapieerfolg zu detektieren, bedarf es grundlegender Kenntnisse der Sehnenbiomechanik. Zur Anwendung kommende Messmethoden sollten idealerweise hochpräzise, minimalinvasiv und über einen längeren Zeitraum einsetzbar sein. Bislang etablierte Methoden genügen diesen Ansprüchen nur teilweise. Daher soll biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenz-Kinematografie (FluoKin) als aktueller Goldstandard für Bewegungsstudien auf ihren Einsatz an equinen Sehnengewebe geprüft werden. Ziele der Untersuchungen waren es daher, 1) die Messgenauigkeit von FluoKin zu bestimmen und hinsichtlich Dehnbarkeitsmessungen equiner OBS zu evaluieren, 2) eine Technik zur Nutzung von FluoKin (3D-Röntgenmethode) zu finden, um die Bewegung eines Weichteilgewebes im Röntgenvideo zu visualisieren, 3) diese Methodik in zyklischen Zugprüfversuchen mit gesunden und Kollagenase-geschädigten OBS ex vivo zu prüfen und dafür eine geeignete Haltevorrichtung für die Sehnen zu entwickeln, 4) in einem Pilotversuch die Technik in vivo zu übertragen und in wiederkehrenden Messserien die Dehnung von gesundem, verletztem und heilendem Sehnengewebe zu messen. Tiere, Material und Methoden: Die Präzisionsmessungen wurden mit einem maßgefertigten Testplättchen und einer gefrorenen distalen Vordergliedmaße (VGlm) jeweils statisch (1976 und 5473 Bilder) und in Bewegung (2816 und 5021 Bilder) durchgeführt. Die Sehnenhaltevorrichtung inkl. Kryo-Klemme wurde neben dem Einsatz in der Ex-vivo-Studie zusätzlich Langzeittests (bis 50 min) und Rupturversuchen bis 10 kN (Maschinenlimit) unterzogen. Im Rahmen der Ex-vivo-Zugprüfversuche wurden 13 OBS von VGlm in Schritt (2 %)- und Trab (4 %)-simulierender Dehnung zyklisch getestet. Vier weitere Proben wurden mit Kollagenase inkubiert und inkl. einer Kontrollgruppe (n=4) bei 6 % getestet. Die biomechanischen Kenngrößen wurden von der Zugprüfmaschine erfasst und anhand der Bewegung von implantierten, röntgendichten Markern in zeitgleich aufgenommenen FluoKin-Videos errechnet. In der In-vivo-Langzeitstudie (37 Wochen) wurde in vier FluoKin-Messungen das Dehnverhalten der OBS beider VGlm eines Shetland Ponys in Schritt und Trab ermittelt. Vor der zweiten FluoKin-Messung wurde im mittleren metakarpalen Segment einer OBS eine Sehnenläsion mit Kollagenase induziert, deren Heilungsverlauf verfolgt wurde. Die Ergebnisbeschreibung erfolgte sowohl deskriptiv als auch bei entsprechender Stichprobengröße mit t-Tests (p<0,05). Ergebnisse: In Präzisionsmessungen wurden sowohl die Messgenauigkeit der FluoKin-Anlage (max. Exaktheit von 0,0287 mm ± 0,0377 mm), als auch die zu erwartende Standardabweichung in der studienrelevanten Region (Os metacarpale III, OBS) ermittelt. Im Rahmen der Ex-vivo-Zugprüfversuche wurde eine Haltevorrichtung inkl. Kryo-Klemme für equine OBS entwickelt, welche Probleme herkömmlicher Einspanntechniken zuverlässig löst. Erstmals konnten biomechanische Kenngrößen für die OBS von Shetland Ponys ermittelt werden. Im Mittel konnten abhängig von der Dehnungsrate (simulierter Schritt und Trab) eine Maximalkraft von 325 bzw. 953 N, eine Zugfestigkeit von 1649 bzw. 4820 N/cm² und ein Elastizitätsmodul von 828 bzw. 1212 MPa verzeichnet werden. Nach Inkubation mit Kollagenase stieg die Längenänderung im Mittel um 4,87 %. In vivo konnte die Dehnungszunahme der geschädigten OBS im Schritt bestätigt werden (2,86 % auf 3,38 %); im Trab zeigte sich hingegen ein Abfall (6,78 % auf 5,96 %). Schlussfolgerungen: FluoKin wurde als hochpräzise und minimalinvasive Messtechnik zur Ermittlung der Sehnendehnung equiner OBS ex vivo und erstmals in vivo erfolgreich eingesetzt. Dank der neu entwickelten Haltevorrichtung inkl. Kryo-Klemme konnten langandauernde Ex-vivo-Zugprüfversuche durchgeführt werden. Hierbei zeigten sich Änderungen des Dehnverhaltens der OBS (Konditionierung, Hysterese, Kriechphänomen), was die Notwendigkeit solcher Versuche für die Beschreibung des biomechanischen Verhaltens von Sehnen verdeutlicht. Der In-vivo-Pilotversuch unterstreicht die Bedeutung von FluoKin für innovatives und hochpräzises Monitoring von Sehnenläsionen in Langzeitstudien.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Sehnengewebe 2.1.1 Histologischer und molekularer Aufbau 2.1.2 Biomechanik 2.1.3 Einflüsse auf die Sehnenstruktur und -zusammensetzung 2.2 Tendinopathien der oberflächlichen Beugesehne 2.2.1 Ätiologie 2.2.2 Heilung 2.3 Möglichkeiten zur Bestimmung der Sehnendehnbarkeit 2.3.1 Ex-vivo-Zugprüfversuche mit Sehnen 2.3.2 In-vivo-Ermittlung der Sehnendehnbarkeit 2.4 Zentrale Fragestellungen 3 Publikation 1 Zyklische Zugprüfversuche mit einer neuartigen Kryo-Klemme an oberflächlichen Beugesehnen von Shetland Ponys kombiniert mit biplanarer Hochfrequenz-Fluoreszenz-Kinematografie 4 Publikation 2 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenz-Kinematografie an der oberflächlichen Beugesehne eines Shetland Ponys – eine In-vivo-Pilotstudie 5 Diskussion 5.1 Diskussion von Material und Methoden 5.1.1 Ermittlung der Messgenauigkeit von FluoKin 5.1.2 Verwendetes Tiermaterial 5.1.3 Implantationstechnik für Sehnenmarker 5.1.4 Aufbau der Ex-vivo-Zugprüfversuche 5.2 Bestimmung der Sehnendehnbarkeit mit FluoKin 5.2.1 Sehnendehnung ex vivo und in vivo in nativem Sehnengewebe 5.2.2 Sehnendehnung ex vivo und in vivo in Kollagenase-geschädigtem Sehnengewebe 5.3 Schlussfolgerungen und Ausblick 5.3.1 Praktische und klinische Relevanz 5.3.2 Fazit und Perspektiven 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Literaturverzeichnis 9 Anhang 9.1 Bauplan des Messplättchens zur Genauigkeitsbestimmung von FluoKin 9.2 Baupläne der Einspanntechnik für Zugprüfversuche mit equinen OBS 9.2.1 Kronbeinhalterung 9.2.2 Kryo-Klemmen 9.3 Genauigkeit von biplanaren Fluoroskopie-Systemen in Abhängigkeit des Versuchsaufbaus 9.4 Lagerungseinflüsse auf biomechanische Eigenschaften von Sehnengewebe 9.5 Vorträge und Präsentationen während der DoktorarbeitszeitIntroduction: The superficial digital flexor tendon (SDFT) is the most frequently injured structure of the musculoskeletal system of horses. Injuries of the SDFT are relevant under animal welfare aspects, cause substantial economic losses in equestrian sport and are associated by long convalescence times of 9 to 18 months and a re-injury rate of up to 80 %. In order to detect tendon injuries, improve their healing and the success of therapy, fundamental knowledge of tendon biomechanics is required. The measurement methods to be used should ideally be highly precise, minimally invasive and applicable over a long period of time. So far, established methods only partially meet these requirements. Therefore, biplanar high-speed fluoroscopic kinematography (FluoKin) as the current gold standard for movement studies will be tested for its use on equine tendon tissue Aims of the study were therefore 1) to determine the measurement accuracy and precision of FluoKin and to evaluate it with regard to measurements on the equine SDFT, 2) to find a technique for using FluoKin (a 3D X-ray method) for visualizing the movement of a soft tissue in X-ray video, 3) to test this methodology in cyclic tensile tests with healthy and collagenase-incubated SDFT ex vivo and to develop a suitable holding device for the tendons in the testing machine, 4) to transfer the technique in an in vivo pilot study on a pony and to measure the elongation of healthy, injured and healing tendon tissue in measurement series. Materials and Methods: Precision measurements were performed with a custom-made test sheet and a frozen distal forelimb static (1976 and 5473 frames) and in motion (2816 and 5021 frames) resp. The tendon holding device with a cryo-clamp was subjected to long-term cyclic tests (up to 50 min) and rupture tests up to 10 kN (machine limit) in addition to its use in the ex vivo study. As part of the ex vivo tensile testing, 13 SDFT of forelimbs were cyclically tested in walk (2 % strain) and trot (4 % strain) simulated elongation. Four additional specimens were incubated with collagenase and tested including a control group (n=4) at 6 % strain. Biomechanical parameters were recorded by the testing machine and calculated from the movement of implanted radiopaque markers in simultaneously recorded FluoKin videos. In the in vivo long-term study (37 weeks) the strain behaviour of the SDFT of both forelimbs of a Shetland pony at walk and trot were determined in four FluoKin measurements. Before the second FluoKin measurement, a tendon lesion was induced with collagenase in the mid-metacarpal segment of one SDFT, and its healing process was monitored. The description of the results was done both descriptively and, with an appropriate sample size, with t-tests (p<0.05). Results: Measurements to assess the precision of both the FluoKin system (max. accuracy of 0.0287 mm ± 0.0377 mm) and the standard deviation to be expected in the region relevant to the study (Os metacarpale III, SDFT). For the ex vivo tensile tests, a holding device with a cryo-clamp for equine SDFT was developed that reliably solved problems of conventional clamping techniques. For the first time, biomechanical parameters for the SDFT of Shetland ponies could be determined. On average, depending on the strain rate (simulated walk and trot), a maximum force of 325 N and 953 N resp., a tensile strength of 1649 N/cm² and 4820 N/cm² resp. and a modulus of elasticity of 828 MPa and 1212 MPa resp. was recorded. After incubation with collagenase, the change in length increased by an average of 4.87 %. In vivo, this increased elongation of the collagenase-injured SDFT could be confirmed at walk (2.86 % to 3.38 %); in contrast, a decrease in strain was observed at trot (6.78 % to 5.96 %). Conclusions: FluoKin was successfully used as a highly precise and minimally invasive measurement technique to determine the tendon strain of equine SDFT ex vivo and for the first time also in vivo. Thanks to the newly developed holding device with a cryo-clamp, long-term ex vivo tensile tests could be carried out and changes in the strain behaviour of the SDFT became apparent (conditioning, hysteresis, creep). This shows the necessity of such tests for the description of the biomechanical behaviour of tendons. The in vivo pilot study underlines the importance of FluoKin for innovative and highly accurate monitoring of tendon lesions in long-term studies.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Sehnengewebe 2.1.1 Histologischer und molekularer Aufbau 2.1.2 Biomechanik 2.1.3 Einflüsse auf die Sehnenstruktur und -zusammensetzung 2.2 Tendinopathien der oberflächlichen Beugesehne 2.2.1 Ätiologie 2.2.2 Heilung 2.3 Möglichkeiten zur Bestimmung der Sehnendehnbarkeit 2.3.1 Ex-vivo-Zugprüfversuche mit Sehnen 2.3.2 In-vivo-Ermittlung der Sehnendehnbarkeit 2.4 Zentrale Fragestellungen 3 Publikation 1 Zyklische Zugprüfversuche mit einer neuartigen Kryo-Klemme an oberflächlichen Beugesehnen von Shetland Ponys kombiniert mit biplanarer Hochfrequenz-Fluoreszenz-Kinematografie 4 Publikation 2 Biplanare Hochfrequenz-Fluoreszenz-Kinematografie an der oberflächlichen Beugesehne eines Shetland Ponys – eine In-vivo-Pilotstudie 5 Diskussion 5.1 Diskussion von Material und Methoden 5.1.1 Ermittlung der Messgenauigkeit von FluoKin 5.1.2 Verwendetes Tiermaterial 5.1.3 Implantationstechnik für Sehnenmarker 5.1.4 Aufbau der Ex-vivo-Zugprüfversuche 5.2 Bestimmung der Sehnendehnbarkeit mit FluoKin 5.2.1 Sehnendehnung ex vivo und in vivo in nativem Sehnengewebe 5.2.2 Sehnendehnung ex vivo und in vivo in Kollagenase-geschädigtem Sehnengewebe 5.3 Schlussfolgerungen und Ausblick 5.3.1 Praktische und klinische Relevanz 5.3.2 Fazit und Perspektiven 6 Zusammenfassung 7 Summary 8 Literaturverzeichnis 9 Anhang 9.1 Bauplan des Messplättchens zur Genauigkeitsbestimmung von FluoKin 9.2 Baupläne der Einspanntechnik für Zugprüfversuche mit equinen OBS 9.2.1 Kronbeinhalterung 9.2.2 Kryo-Klemmen 9.3 Genauigkeit von biplanaren Fluoroskopie-Systemen in Abhängigkeit des Versuchsaufbaus 9.4 Lagerungseinflüsse auf biomechanische Eigenschaften von Sehnengewebe 9.5 Vorträge und Präsentationen während der Doktorarbeitszei

Zur Synthese radiofluorierter aromatischer Aminosäuren mittels Isotopenaustausch am Beispiel von 6-[18F]Fluor-L-DOPA

Zur in vivo Erfassung des präsynaptischen Dopamin-Metabolismus sowie von bestimmten Tumortypen mittels Positronen-Emission-Tomographie wird in der nuklearmedizinischen Diagnostik das L-DOPA Analogon 6-[18F]Fluor-L-3,4-dihydroxyphenylalanin (6-[18F]Fluor-L-DOPA), eines der wenigen etablierten Radiopharmaka, eingesetzt. Die z.Z. übliche Herstellung des Radiotracers durch elektrophile Markierung erlaubt es nur, geringe Aktivitätsmengen bei hohem Kostenaufwand zu produzieren. Bisherige nukleophile Synthesewege führen entweder zu unzureichenden Enantiomerenreinheiten oder die bekannten Mehrstufensynthesen sind aufgrund ihrer störanfälligen Komplexität schwer automatisierbar. In Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine neue, leichter automatisierbare Form der Darstellung von 6-[18F]Fluor-L-DOPA unter Verwendung einer direkten nukleophilen 18F-Fluorierung eines geschützten Aminosäurederivates mit [18F]Fluorid entwickelt und evaluiert. Das daraus resultierende Produkt ist enantiomerenrein. Die grundsätzliche Eignung der in dieser Arbeit verwendeten (S)-BOC-BMI-Derivate zur Synthese von 18F-markierten Aminosäuren wurde zunächst an einem weniger komplexen Vorläufer untersucht, der nach saurer Hydrolyse die Aminosäure 6-[18F]Fluor-L-m-tyrosin liefert. Die Darstellung einer entsprechenden Ausgangsverbindung, dem (2S,5S)-2-tert.-Butyl-5&#8209;(2-fluor-5-formylbenzyl)-3-methyl-4-oxoimidazolidin-1-carbonsäure-tert.-butylester, zum nukleophilen 18F-Isotopenaustausch wurde über drei grundsätzlich verschiedene Synthesewege untersucht. Im Einzelnen wurde versucht, diese Verbindung über eine Formylierung nach der Kopplung mit dem Seebach-Reagenz, über Dehydroaminosäurederivate und einer systematischen Aufbaureaktion zu synthetisieren. Allein letztgenannte Synthese lieferte einen für die Markierung ausreichend sauberen Vorläufer. Dieser konnte mit radiochemischen Ausbeuten von etwa 60 % mit [18F]Fluorid umgesetzt werden. Dieses Konzept wurde daraufhin zur Synthese eines Markierungsvorläufers zur Darstellung von 6-[18F]Fluor-L-DOPA modifiziert. Hier stellte sich heraus, dass allein die Kombination der Schutzgruppen Benzyl und THP den 18F-markierbaren Vorläufer (2S,5S)-5-(4-Benzyloxy-2-[18F]fluor-5-formylbenzyl)-2-tert.-butyl-3-methyl-4-oxoimidazolidin-1-carbonsäure-tert.-butylester lieferte. Nach Optimierungen des 18F-Isotopenaustauschs an diesem Vorläufer wurden radiochemische Ausbeute von etwa 50 % erzielt. Abschließend konnte c.a. 6-[18F]Fluor-L-DOPA in einer dreistufigen Synthese, bestehend aus Markierung, Baeyer-Villiger-Oxidation mit mCPBA und Hydrolyse mit HBr, mit einem Anteil an gewünschtem L-Isomeren von mehr als 99 % isoliert werden. Unter optimierten Bedingungen gelang die Gesamtdarstellung und Abtrennung von c.a. 6-[18F]Fluor-L-DOPA mit einer zerfallskorrigierten Ausbeute von 22 % nach einer Dauer von 105 min. Somit ist der beschriebene Syntheseweg im Vergleich mit bisherigen Darstellungsmethoden von 6-[18F]Fluor-L-DOPA effizienter und voll automatisierbar

Learning in High-Dimensional Feature Spaces Using ANOVA-Based Fast Matrix-Vector Multiplication

Kernel matrices are crucial in many learning tasks such as support vector machines or kernel ridge regression. The kernel matrix is typically dense and large-scale. Depending on the dimension of the feature space even the computation of all of its entries in reasonable time becomes a challenging task. For such dense matrices the cost of a matrix-vector product scales quadratically with the dimensionality N , if no customized methods are applied. We propose the use of an ANOVA kernel, where we construct several kernels based on lower-dimensional feature spaces for which we provide fast algorithms realizing the matrix-vector products. We employ the non-equispaced fast Fourier transform (NFFT), which is of linear complexity for fixed accuracy. Based on a feature grouping approach, we then show how the fast matrix-vector products can be embedded into a learning method choosing kernel ridge regression and the conjugate gradient solver. We illustrate the performance of our approach on several data sets.Comment: Official Code https://github.com/wagnertheresa/NFFT4ANOV

From Words to Results: The Role of IS in Bridging the Sustainability Strategy-Implementation Gap

After many years of reluctance and lack of commitment, companies are increasingly prioritizing sustainability and setting ambitious goals. Along with the rise of organizational sustainability strategy (OSS), the role of information systems (IS) in sustainability has increased and become a source of sustainability at the organizational level. Although ever more companies consider sustainability a top priority, they struggle to turn sustainability strategies into practice and observe measurable results. We followed a mixed methods approach combining qualitative interview data (n=13) and quantitative data from a multi-continental industry survey (n=551) to generate an in-depth understanding of the role of IS-enabled sustainability practices in influencing the organizational sustainability strategy-implementation gap. With our study, we demonstrate that IS-enabled sustainability practices mediate the impact of OSS on organizational sustainability performance (OSP) and that these practices are enabled by IS capabilities that are critical to implementing sustainability practices (technology intelligence, data analysis, and digital twinning capability)

The blue child – amiodarone-induced blue-gray skin syndrome and pulmonary mass in a child

Adverse effects of amiodarone are rarely seen in pediatric patients, but may occur if amiodarone is applied for long-term treatment. Two rather rare phenomena are blue-gray skin pigmentation and pulmonary mass. They represent important differential diagnoses from more common clinical complications like pneumonia and drug-induced toxic skin lesions

Operating Power Grids with Few Flow Control Buses

Future power grids will offer enhanced controllability due to the increased availability of power flow control units (FACTS). As the installation of control units in the grid is an expensive investment, we are interested in using few controllers to achieve high controllability. In particular, two questions arise: How many flow control buses are necessary to obtain globally optimal power flows? And if fewer flow control buses are available, what can we achieve with them? Using steady state IEEE benchmark data sets, we explore experimentally that already a small number of controllers placed at certain grid buses suffices to achieve globally optimal power flows. We present a graph-theoretic explanation for this behavior. To answer the second question we perform a set of experiments that explore the existence and costs of feasible power flow solutions at increased loads with respect to the number of flow control buses in the grid. We observe that adding a small number of flow control buses reduces the flow costs and extends the existence of feasible solutions at increased load.Comment: extended version of an ACM e-Energy 2015 poster/workshop pape

Engineering Negative Cycle Canceling for Wind Farm Cabling

In a wind farm turbines convert wind energy into electrical energy. The generation of each turbine is transmitted, possibly via other turbines, to a substation that is connected to the power grid. On every possible interconnection there can be at most one of various different cable types. Each cable type comes with a cost per unit length and with a capacity. Designing a cost-minimal cable layout for a wind farm to feed all turbine production into the power grid is called the Wind Farm Cabling Problem (WCP). We consider a formulation of WCP as a flow problem on a graph where the cost of a flow on an edge is modeled by a step function originating from the cable types. Recently, we presented a proof-of-concept for a negative cycle canceling-based algorithm for WCP [Sascha Gritzbach et al., 2018]. We extend key steps of that heuristic and build a theoretical foundation that explains how this heuristic tackles the problems arising from the special structure of WCP. A thorough experimental evaluation identifies the best setup of the algorithm and compares it to existing methods from the literature such as Mixed-integer Linear Programming (MILP) and Simulated Annealing (SA). The heuristic runs in a range of half a millisecond to under two minutes on instances with up to 500 turbines. It provides solutions of similar quality compared to both competitors with running times of one hour and one day. When comparing the solution quality after a running time of two seconds, our algorithm outperforms the MILP- and SA-approaches, which allows it to be applied in interactive wind farm planning

Towards negative cycle canceling in wind farm cable layout optimization

Abstract In the Wind Farm Cabling Problem (WCP) the task is to design the internal cabling of a wind farm such that all power from the turbines can be transmitted to the substations and the costs for the cabling are minimized. Cables can be chosen from several available cable types, each of which has a thermal capacity and cost. Until now, solution approaches mainly use Mixed-integer Linear Programs (MILP) or metaheuristics. We present our current state of research on a fast heuristic specifically designed for WCP. We introduce an algorithm that iteratively improves a cable layout by finding and canceling negative cycles in a suitably defined network. Our simulations on publicly available benchmark sets show that the heuristic is not only fast but it tends to produce good results. Currently our algorithm gives better solutions on large wind farms compared to an MILP solver. However, on small to medium instances the solver performs better in terms of solution quality, which represents a starting point for future work

BaWü-labs on their way : progress of real-world laboratories in Baden-Württemberg

Real-world laboratories aim to create relevant and transferable knowledge and foster societal transformation towards sustainability. Members of the existing laboratories in Baden-Württemberg and experts have discussed the progress and the challenges of these innovative research settings