Arbeiten zur Optischen Kohärenztomographie, Magnetresonanzspektroskopie und Ultrahochfeld-Magnetresonanztomographie

Abstrakt (Deutsch) Hintergrund: Die Multiple Sklerose ist eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen, die zu Behinderung bereits im jungen Erwachsenenalter führen kann. Hierzu tragen im Krankheitsprozess sowohl neuroinflammatorische wie auch neurodegenerative Komponenten bei. Moderne bildgebende Verfahren wie die Ultrahochfeld-Magnetresonanztomographie (UHF-MRT), die Optische Kohärenztomographie (OCT) und die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) können benutzt werden, um diese neurodegenerativen Prozesse näher zu charakterisieren und im zeitlichen Verlauf zu beobachten. Zielsetzung: Ziel ist es, die genannten Verfahren zur Charakterisierung von Kohorten von MS-Patienten einzusetzen und die Verfahren zueinander, sowie mit klinischen Parametern in Beziehung zu setzen oder diagnostisch zu nutzen. Methodik: Patienten mit Multipler Sklerose oder Neuromyelitis optica wurden klinisch-neurologisch, mit Optischer Kohärenztomographie, Sehprüfungen, Untersuchungen der visuell evozierten Potentiale (VEP), (Ultrahochfeld-) Magnetresonanztomographie und Magnetresonanzspektroskopie untersucht. Ergebnisse: Die in der Studie eingesetzten bildgebenden Verfahren konnten dazu beitragen, Neuroinflammation und Neurodegeneration bei an Multiple Sklerose erkrankten Patienten näher zu charakterisieren. So steht eine mittels OCT messbare Verdünnung retinaler Nervenfaserschichten (RNFL) in Zusammenhang mit dem per MRT gemessenen Hirnparenchymvolumen und Neurodegeneration anzeigenden Parametern, die mithilfe der Magnetresonanzspektroskopie untersucht wurden. Mithilfe der UHF-MRT konnte ein Zusammenhang zwischen dem Volumen und der entzündlichen Läsionslast der Sehstrahlung, der RNFL-Dicke, VEP-Latenzen und Einschränkungen des Sehvermögens dargestellt werden. Außerdem ließen sich mit der UHF-MRT auch neurogenerative Aspekte im Sinne von bleibenden Parenchymdefekten innerhalb entzündlicher Läsionen und einer Verschmächtigung der Sehstrahlung nachweisen und die Detektion insbesondere kortikaler MS-Läsionen wurde im Vergleich zur konventionellen MRT verbessert. Zusammenfassung: OCT, MRS und UHF-MRT sind Verfahren, die eine genauere Beschreibung von Neuroinflammation und Neurodegeneration bei MS-Patienten ermöglichen, wie hier vor allem für die Sehbahn gezeigt wurde. Sie sind nichtinvasiv und lassen sich zur näheren Charakterisierung des aktuellen Zustandes und zur Beobachtung des Krankheitsverlaufs von MS-Patienten benutzen.Abstract (English) Background: Multiple sclerosis (MS) is the most common disabling neurologic disease, that causes impairment in younger people. Both neuroinflammatory and neurodegenerative processes contribute to the pathogenesis of multiple sclerosis. Innovative imaging methods, such as ultra-high field magnetic resonance tomography (UHF-MRI), optic coherence tomography (OCT) and magnetic resonance spectroscopy (MRS) can be used for characterizing these neurodegenerative processes in detail and over time course. Objective: To use the imaging methods mentioned above to further characterize cohorts of MS patients and to correlate the parameters with themselves as well as with clinical parameters and to evaluate their prognostic and diagnostic relevance. Methods: Patients with multiple sclerosis were examined clinically, by OCT, visual acuity testing, examination of visually evoked potentials, ultra high field magnetic resonance tomography and magnetic resonance spectroscopy. Results: The imaging methods used in these studies contributed to further characterize neuroinflammation und neurodegeneration in multiple sclerosis patients. A thinning of the retinal nerve fiber layer (RNFL) is correlated with brain parenchyma volume measured by MRI, and markers indicating ongoing neurodegenerative processes as detected by MRS. Using UHF-MRI, a correlation between optic radiation properties (such as inflammatory lesion load and its volume) and RNFL thickness, VEP latencies and visual impairment could be demonstrated. Furthermore, UHF-MRI demonstrated neurodegenerative aspects such as parenchymal defects within inflammatory lesions, an optic radiation thinning and allowed a more precise detection of MS lesions than conventional MRI, in particular cortical grey matter lesions. Summary: OCT, MRS and UHF-MRI are feasible methods to provide a more detailed description of neuroinflammation and neurodegeneration in MS patients, as demonstrated in these studies particularly for the visual pathway. They are non-invasive and can be utilized for clinical to study the disease course and also in differential diagnostic procedures

Optical properties of single semiconductor nanowires and nanowire ensembles – probing surface physics by photoluminescence spectroscopy

This thesis presents a detailed investigation of the optical properties of semiconductor nanowires (NWs) in general and single GaN NWs and GaN NW ensembles in particular by photoluminescence (PL) spectroscopy. NWs are often considered as potential building blocks for future nanometer-scaled devices. This vision is based on several attractive features that are generally ascribed to NWs. In the first part of the thesis, some of these features are examined using semiconductor NWs of different materials. On the basis of the temperature-dependent PL of Au- and self-assisted GaAs/(Al,Ga)As core-shell NWs, the influence of foreign catalyst particles on the optical properties of NWs is investigated. The effect of the substrate choice is studied by comparing the PL of ZnO NWs grown on Si, Sapphire, and ZnO substrates. The major part of this thesis discusses the optical properties of GaN NWs. The investigation of the PL of single GaN NWs and GaN NW ensembles reveals the significance of their large surface-to-volume ratio and that each NW exhibits its own individual recombination behavior. An unexpected broadening of the donor-bound exciton transition is explained by the abundant presence of surface donors in NWs. The existence and statistical relevance of these surface donors is confirmed by PL experiments of single GaN NWs which are either dispersed or free-standing. Furthermore, the influence of electric fields on the optical properties of GaN NWs is investigated and the coupling of light with GaN NWs is studied by reflectance and Raman measurements. The central results of this thesis motivate the introduction of a model that explains the typically observed nonexponential recombination dynamics in NW ensembles. It is based on a distribution of recombination rates. Preliminary simulations using this model describe the nonexponential decay of GaN NW ensembles satisfactorily and allow for an estimation of their internal quantum efficiency.Diese Arbeit beschreibt die optische Charakterisierung mittels Photolumineszenzspektroskopie (PL) von Halbleiter-Nanodrähten (ND) im allgemeinen und einzelnen GaN-ND und GaN-ND-Ensembles im speziellen. ND werden oftmals als vielversprechende Bausteine zukünftiger, kleinster Bauele- mente bezeichnet. Diese Vision beruht insbesondere auf einigen attraktiven Eigenheiten, die ND im allgemeinen zugeschrieben werden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden exemplarisch einige dieser Eigenschaften näher untersucht. So wird anhand von temperaturabhängigen PL-Messungen an Au- und selbstinduzierten GaAs/(Al,Ga)As-ND der Einfluss des Keimmaterials auf die PL der ND untersucht. Weiterhin werden die optischen Eigenschaften von ZnO-ND untersucht, die auf Si-, Saphir- und ZnO-Substraten gewachsen wurden. Die optische Charakterisierung von GaN-ND nimmt den Hauptteil dieser Arbeit ein. Die detaillierte Untersuchung einzelner GaN-ND und von GaN-ND-Ensembles zeigt die Relevanz des großen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses und dass jeder ND ganz eigene optische Eigenschaften aufweist. Die unerwartet starke Verbreiterung des strahlenden Übergangs donatorgebundener Exzitonen wird durch das vermehrte Auftreten von Oberflächendonatoren erklärt, deren statistische Relevanz durch PL-Messungen an einzelnen ausgestreuten und freistehenden GaN-ND nachgewiesen werden kann. Weiterhin wird der Einfluss elektrischer Felder auf die optischen Eigenschaften von GaN-ND ermittelt. Die Ein- und Auskopplung von Licht mit GaN ND wird mithilfe von Reflektanz- und Ramanmessungen bestimmt. Die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit motivieren die Einführung eines Modells, dass die typischerweise nichtexponentielle Rekombinationsdynamik in ND-Ensemblen erklärt. Es basiert auf einer Verteilung der Rekombinationsraten. Vorläufige Ergebnisse dieses Modells beschreiben das nichtexponentielle Rekombinationdynamik in GaN ND-Ensemblen zufriedenstellend und erlauben eine Abschätzung ihrer internen Quanteneffizienz

Optical properties of single semiconductor nanowires and nanowire ensembles

Diese Arbeit beschreibt die optische Charakterisierung mittels Photolumineszenzspektroskopie (PL) von Halbleiter-Nanodrähten (ND) im allgemeinen und einzelnen GaN-ND und GaN-ND-Ensembles im speziellen. ND werden oftmals als vielversprechende Bausteine zukünftiger, kleinster Bauele- mente bezeichnet. Diese Vision beruht insbesondere auf einigen attraktiven Eigenheiten, die ND im allgemeinen zugeschrieben werden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden exemplarisch einige dieser Eigenschaften näher untersucht. So wird anhand von temperaturabhängigen PL-Messungen an Au- und selbstinduzierten GaAs/(Al,Ga)As-ND der Einfluss des Keimmaterials auf die PL der ND untersucht. Weiterhin werden die optischen Eigenschaften von ZnO-ND untersucht, die auf Si-, Saphir- und ZnO-Substraten gewachsen wurden. Die optische Charakterisierung von GaN-ND nimmt den Hauptteil dieser Arbeit ein. Die detaillierte Untersuchung einzelner GaN-ND und von GaN-ND-Ensembles zeigt die Relevanz des großen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses und dass jeder ND ganz eigene optische Eigenschaften aufweist. Die unerwartet starke Verbreiterung des strahlenden Übergangs donatorgebundener Exzitonen wird durch das vermehrte Auftreten von Oberflächendonatoren erklärt, deren statistische Relevanz durch PL-Messungen an einzelnen ausgestreuten und freistehenden GaN-ND nachgewiesen werden kann. Weiterhin wird der Einfluss elektrischer Felder auf die optischen Eigenschaften von GaN-ND ermittelt. Die Ein- und Auskopplung von Licht mit GaN ND wird mithilfe von Reflektanz- und Ramanmessungen bestimmt. Die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit motivieren die Einführung eines Modells, dass die typischerweise nichtexponentielle Rekombinationsdynamik in ND-Ensemblen erklärt. Es basiert auf einer Verteilung der Rekombinationsraten. Vorläufige Ergebnisse dieses Modells beschreiben das nichtexponentielle Rekombinationdynamik in GaN ND-Ensemblen zufriedenstellend und erlauben eine Abschätzung ihrer internen Quanteneffizienz.This thesis presents a detailed investigation of the optical properties of semiconductor nanowires (NWs) in general and single GaN NWs and GaN NW ensembles in particular by photoluminescence (PL) spectroscopy. NWs are often considered as potential building blocks for future nanometer-scaled devices. This vision is based on several attractive features that are generally ascribed to NWs. In the first part of the thesis, some of these features are examined using semiconductor NWs of different materials. On the basis of the temperature-dependent PL of Au- and self-assisted GaAs/(Al,Ga)As core-shell NWs, the influence of foreign catalyst particles on the optical properties of NWs is investigated. The effect of the substrate choice is studied by comparing the PL of ZnO NWs grown on Si, Sapphire, and ZnO substrates. The major part of this thesis discusses the optical properties of GaN NWs. The investigation of the PL of single GaN NWs and GaN NW ensembles reveals the significance of their large surface-to-volume ratio and that each NW exhibits its own individual recombination behavior. An unexpected broadening of the donor-bound exciton transition is explained by the abundant presence of surface donors in NWs. The existence and statistical relevance of these surface donors is confirmed by PL experiments of single GaN NWs which are either dispersed or free-standing. Furthermore, the influence of electric fields on the optical properties of GaN NWs is investigated and the coupling of light with GaN NWs is studied by reflectance and Raman measurements. The central results of this thesis motivate the introduction of a model that explains the typically observed nonexponential recombination dynamics in NW ensembles. It is based on a distribution of recombination rates. Preliminary simulations using this model describe the nonexponential decay of GaN NW ensembles satisfactorily and allow for an estimation of their internal quantum efficiency

Entwicklung und Habituation der P300 EKP-Komponente bei Kindern und Jugendlichen mit und ohne Migräne

Primäre Kopfschmerzen stellen schon im Kindes- und Jugendalter ein erhebliches gesundheitliches Problem dar, mehr als die Hälfte der kindlichen Kopfschmerzen chronifizieren ins Erwachsenenalter hinein. Ergebnisse aus Studien mit evozierten Potentialen legen nahe, dass Migräne eine Störung der zerebralen Informationsverarbeitung insbesondere der Habituation zu Grunde liegt, wobei diese Resultate meist aus Untersuchungen mit erwachsenen Versuchsteilnehmern stammen. Es gibt jedoch auch Hinweise darauf, dass diese Informationsverarbeitungsstörung Resultat einer funktionellen Reifungsstörung ist. In vorliegender Studie wurde der Frage nachgegangen, inwieweit sich die postuliete Störung der zerebralen Informationsverarbeitung auch bei Kindern und Jugendlichen mit Migräne im EKP P300 findet und ob ein Zusammenhang mit dem Alter besteht. Da bislang auch für gesunde Kinder und Jugendliche keine breite Datenbasis zur Verfügung steht, wurden in einer vorgeschalteten Analyse Referenzmodelle anhand der Daten der gesunden Kinder und Jugendlichen berechnet. 82 Kinder und Jugendliche mit Migräne, diagnostiziert nach den Kriterien der Internationalen Headache Society (IHS) im Alter von 6 bis 18 Jahren, sowie 78 nach Alter und Geschlecht abgeglichene Kontrollprobanden nahmen an der Studie teil. Zur Stimulation wurde ein kindgerechtes visuelles oddball-Paradigma herangezogen. Die Datenanalysen fanden zum einem für den ersten Lauf statt, was der �klassischen� Auswertung entspricht und zum anderen in Bezug auf die Habituation. Für die Kontrollprobanden ergaben sich im ersten Lauf folgende Ergebnisse: Den jüngeren Kindern unterliefen mehr Fehler als den älteren. Der Zusammenhang von Alter und Reaktionszeit läßt sich am besten curvlinear, mit einer steileren Abnahme der Reaktionszeit bis zum Alter von ca. 12 Jahren, beschreiben. Auch bzgl. der Latenz der P300 (Objektkategorisierung) ergaben sich präpubertär ausgeprägtere Latenzabnahmen als pubertär. In Bezug auf die Amplitude erweist sich jedoch die Veränderung im untersuchten Altersbereich als linear. Je älter die Probanden, umso geringer ist die Amplitudenauslenkung. Dies bedeutet, die Amplitude der P300, die mit Prozessen wie der bewussten Aufmerksamkeitszuwendung die für die Aufgabenbewältigung nötig sind, in Verbindung gebracht wird, nimmt kontinuierlich im untersuchten Altersbereich ab. Bei der Analyse der Habituation zeigte sich, dass die Kontrollprobanden die Aufgabe konstant gut bewältigen konnten. Die Habituation der Reaktionszeit weist einen umgekehrt u-förmigen Zusammenhang mit dem Alter auf. Während bei den jüngeren und älteren Kontrollen kaum eine Veränderung der Reaktionszeit im Verlauf zu verzeichnen ist, wird die Reaktionszeit im mittleren untersuchten Altersbreich etwas langsamer. Bei der Latenz ergaben sich keine signifikanten Habituations-Effekte im Zusammenhang mit dem Alter. Ausschliesslich an der Elektrode Cz traten Habituationseffekte auf, welche jedoch zurückhaltend zu bewerten sind. Bezüglich der Amplitude fand an allen drei untersuchten Elektroden eine Habituation statt. An der Elektrode Pz ergab sich zusätzlich ein linearer Zusammenhang von Habituation und Alter; je jünger die Probanden, desto ausgeprägter stellt sich die Habituation dar. Die Hinzunahme des Bayesianischen Informationskriteriums ermöglichte die Selektion eines �besten� Modells nach objektiv nachvollziehbaren Kriterien. In anderen Studien zur Entwicklung der P300 bei Kindern und Jugendlichen fand entweder ausschließlich die Testung eines einzigen statistischen Modells statt, oder es wurden verschiedene Modelle rein deskriptiv dargestellt. In vorliegender Arbeit kam mit dem Bayesianischen Informationskriterium erstmals ein Verfahren zum Einsatz, dass es erlaubt zu entscheiden, welches der Modelle die Daten am effizientesten abbildet. Damit können scheinbar widersprüchliche Ergebnisse vorheriger Studien zu großen Teilen aufgeklärt und integriert, sowie auch erweitert werden. Bei Einschluss der Migräniker zeigten sich keine statistisch signifikanten Unterschiede, dies gilt sowohl für die �klassische� Auswertung zu Lauf 1 als auch für die Habituation. Das bedeutet. die der endogenen Komponente P300 unterliegenden Reifungsprozesse bei Migränikern scheinen ungestört abzulaufen Dargestellte Untersuchung bildet ein Teilpojekt in der übergeordneten Studie: �Kopfschmerz. Physiologische Korrelate und Entstehungsdynamik�. Während sich bei vorliegender Stichprobe Störungen der zerebralen Reifung in den Paradigmen VEP und CNV ergaben, erwies sich die Entwicklung der P300-Komponente als unauffälig. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Migräne mit einer Reifungsstörung spezifischer Informationsverarbeitungssysteme einhergeht