TY - THES A1 - Mawamba Kemo, Viviane T1 - Beladung von Microbubbles mit Platin(II)- oder Palladium(II)-Komplexen und Freisetzung unter Einwirkung von Ultraschall zur Behandlung von Glioblastomen T1 - Loading of microbubbles with platinum(II) oder palladium(II) complexes for ultrasound-triggered release in the treatment of glioblastoma N2 - Metall-basierte Antitumorwirkstoffe wie Cisplatin, Carboplatin und Oxaliplatin sind weltweit für die Behandlung verschiedener Krebsarten zugelassen. Resistenzbildung, starke Nebenwirkungen und ein eingeschränktes Spektrum responsiver Tumoren schränken jedoch ihren Anwendungsbereich ein. Daher ist die Suche nach neuen Platinverbindungen mit verbesserten Eigenschaften sowie Antitumor-aktiven Metallkomplexen anderer Metalle ein aktuelles Forschungsthema. Durch die Einbettung der Wirkstoffe in entsprechende Trägermaterialien und eine Freisetzung mit präziser zeitlicher und räumlicher Kontrolle sollten sich zudem die Nebenwirkungen deutlich reduzieren lassen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde daher eine Serie von quadratisch-planaren Platin(II)- und Palladium(II)-Komplexen mit N^N^S-Chelatliganden auf der Basis von N-Phenyl-2-(pyridin-2-ylmethylen)hydrazin-1-carbothioamid und N-Phenyl-2-(chinolin-2-ylmethylen)hydrazin-1-carbothioamid synthetisiert, die mit längeren Alkylketten funktionalisiert wurden, um eine hohe Affinität für Lipid-basierte Microbubbles als Träger zu erreichen, aus denen die Metallkomplexe dann unter Einwirkung von Ultraschall freigesetzt werden sollten. Es wurden drei verschiedene Ligandenfamilien ausgehend von der Grundstruktur L = R1-CR2=N-NH-C(S)-NH-R3 synthetisiert, wobei R1 = 2-Pyridyl oder 2-Chinolinyl, R2 = H, CH3, C8H17 oder C10H21 und R3 = CH3 oder C6H5 gewählt wurden. Die Umsetzung der Liganden mit Kaliumtetrachloridoplatinat(II), Natriumtetrachloridopalladat(II) oder [PdCl2(cod)] mit cod = 1,5-Cyclooctadien führte zu neutralen N^N^S-Komplexen [MCl(L)] mit M = Pd, Pt in allgemein guter Ausbeute. Die Kristallstruktur von [PtCl(L)] mit R1 = 2-Pyridyl, R2 = C10H21 und R3 = CH3 bestätigte zudem die quadratisch-planar Koordination des Metalls durch den N^N^S-koordinierten Liganden und ein Chlorid-Anion. Die Verbindungen mit R3 = CH3 zeigen im 195Pt NMR zwei Peaks, was auf das Vorliegen eines Isomerengemischs hindeutet, wobei die Daten vermuten lassen, dass neben der N^N^S-gebundenen Hauptspezies noch eine weitere mit N^N^N-koordiniertem Liganden und freier SH-Gruppe vorliegt. Solche Isomerengemische sind für biologischen Anwendungen ungeeignet, da die Isomere eine unterschiedliche Aktivität aufweisen können. Die anderen Platin(II)-Komplexe zeigen dagegen im 195Pt NMR nur einen Peak und sind somit für Cytotoxizitätsstudien geeignet. Mit Hilfe des MTT-Assays wurden EC50-Werte an verschiedenen Gliablastom-Zellinien für zwölf einheitliche Komplexe bestimmt. Für die potentesten Verbindungen wurden EC50-Werte im unteren mikromolaren Bereich ermittelt (2–9 µM), so dass die Aktivität teilweise sogar die von Cisplatin als Referenzverbindung übertraf. Insbesondere die Variation der aromatischen Oberfläche in den Pyridyl- vs. Chinolinylverbindungen hatte jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die EC50-Werte. Zudem führte eine Verlängerung der R2-Seitenkette bei den Palladium(II)-Verbindungen zu einer niedrigeren Aktivität. Die Verteilungskoeffizienten logP ergaben für alle Verbindungen recht ähnliche positive Werte, was die Lipophilie der Neutralkomplexe belegte. Für eine weitere Strukturvariation wurden außerdem zwei Azido-Komplexe [M(N3)(L)] mit M = Pd, Pt in moderater Ausbeute synthetisiert. Diese wurden dann in einer „iClick“-Reaktion unter sehr milden Bedingungen mit Dimethylacetylendicarboxylat (DMAD) und 4,4,4-Trifluorobut-2-insäureethylester zu den Triazolat-Komplexen [M(triazolateR,R')(L)] umgesetzt. Durch 1H NMR- und 19F NMR-spektroskopische Untersuchungen wurden gezeigt, dass diese teilweise als Isomerengemische vorliegen, da das Triazolat entweder über das N1-, N2- oder N3-Stickstoffatom an das Metall gebunden sein kann. Für eine ausgewählte Verbindung mit M = Pt und DMAD als Alkin wurde die Kinetik der „iClick“-Reaktion mit Hilfe der 1H NMR Spektroskopie untersucht. Die ermittelte Geschwindigkeitskonstante 2. Ordnung k2 = (1.82 ± 0.05).10-1 L mol-1 s 1 ist vergleichbar zum Beispiel der der etablierten strain-promoted azide-alkyne cycloaddition (SPAAC). Für die Einbettung der lipophilen Metallkomplexe in ein Ultraschall-aktivierbares Trägersystem wurden aus Dipalmytoylphosphatidylcholin, 1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphat, 1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamin-N-methoxy(polyethylenglycol)-2000 Ammonium Salz und Komplexlösung unter Zusatz von Octafluopropan gasgefüllte Microbubbles hergestellt. Stabilitätsversuche zeigten, dass die Bläschenzahl selbst unter Normalbedingungen innerhalb von 2 h um 50% abnimmt. Daher sollten die Microbubbles vor jeder Verwendung täglich frisch hergestellt und möglichst unmittelbar danach verwendet werden. Ein unmittelbares Zerplatzen der Bläschen wurde durch Behandlung mit Ultraschall bei 500 Hz erreicht. Die Viabilität der verwendeten GaMG-Zellen wudre unter diesen Bedingungen jedoch nicht beeinträchtigt. Dennoch war die auf die Microbubbles geladene Platin-Konzentration zu niedrig, um mit dem MTT-Assay einen signifikanten Unterschied zwischen beladenen und unbeladenen Bläschen zu erreichen, so dass hier in Zukunft noch weitere Optimierungen erforderlich sein werden. N2 - Metal-based anti-tumor agents such as cisplatin, carboplatin and oxaliplatin are approved worldwide for the treatment of various types of cancer. However, the development of resistancies, severe side effects and a limited range of responsive tumors limit their scope. Therefore, the search for new platinum compounds with improved properties as well as antitumor-active metal complexes of other metals is a highly active current research topic. By embedding the active compounds in appropriate carrier materials and releasing them with high temporal and spatial control, it should be possible to significantly reduce undesireable side effects. In this doctoral thesis, a series of square-planar platinum(II) and palladium(II) complexes with N^N^S chelate ligands based on N-phenyl-2-(pyridin-2-ylmethylene)hydrazine-1-carbothioamide as well as N-phenyl-2-(quinolin-2-ylmethylene)hydrazine-1-carbothioamide were synthesized, which were functionalized with long alkyl chains in order to achieve a high affinity for lipid-based microbubbles as carriers, from which the metal complex were to be released under exposure to ultrasound. Three different ligand families were synthesized based on the basic structure L = R1-CR2=N-NH-C(S)-NH-R3, where R1 = 2-pyridyl or 2-quinolinyl, R2 = H, CH3, C8H17 or C10H21 and R3 = CH3 or C6H5. The reaction of the ligands with potassium tetrachloridoplatinate(II), sodium tetrachloridopalladate(II) or [PdCl2(cod)] with cod = 1,5-cyclooctadiene, led to neutral N^N^S complexes [MCl(L)] with M = Pd, Pt in good general yield. The crystal structure of [PtCl(L)] with R1 = 2-pyridyl, R2 = C10H21 and R3 = CH3 also confirmed the square-planar coordination of the metal by the N^N^S-coordinated ligand and a chloride anion. The compounds with R3 = CH3 show two peaks in the 195Pt NMR, which indicates the presence of a mixture of isomers, suggesting that, in addition to the main N^N^S-bonded species, another complex with an N^N^N-coordinated ligand and free SH group is present. Such mixtures of isomers are unsuitable for biological applications, since the isomers can have different biological activity. On the other hand, the other platinum(II) complexes only show one 195Pt NMR peak and therefore are suitable for cytotoxicity studies. With the help of the MTT assay, EC50 values were determined in various glioblastoma cell lines for twelve pure complexes. For the most potent compounds, EC50 values in the lower micromolar range were determined (2–9 µM), with some activity even exceeding that of cisplatin used as a reference compound under similar conditions. Interestingly, variation of the aromatic surface area in the pyridyl vs. quinolinyl compounds did not have any significant effect on the EC50 values. In addition, the extension of the R2 side chain in the case of the palladium(II) compounds led to a lower activity. The partition coefficient logP was positive and quite similar for all studied compounds, which demonstrates the lipophilicity of the neutral complexes. For further structural variation, two azido complexes [M(N3)(L)] with M = Pd, Pt were synthesized in moderate yield. In an iClick reaction with dimethylacetylenedicarboxylate (DMAD) and ethyl 4,4,4-trifluorobut-2-ynoate, they gave under very mild condition triazolate complexes [M(triazolateR,R')(L)]. 1H NMR and 19F NMR spectroscopic analysis showed that a mixture of isomers was present in the product, as the triazolate ligand can bind to the metal center via either the N1, N2, or N3 nitrogen atoms. For a selected compound with M = Pt and DMAD as the alkyne coupling partner, the kinetics of the iClick reaction was investigated by 1H NMR spectroscopy. The second order rate constant k2 was determined as (1.82 ± 0.05).10-1 L mol-1 s-1 and is comparable to that of the established strain-promoted acid-alkyne cycloaddition (SPAAC). To embed the lipophilic metal complexes in an ultrasound-activatable carrier, dipalmytoylphosphatidylcholine, 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphate, 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene- glycol)-2000 ammonium salt and a metal complex stock solution were mixed in an atmosphere of octafluoropropane to produce gas-filled microbubbles. Stability tests showed that the bubble concentration decreased by 50% within 2 h. Therefore, the microbubbles should be freshly prepared every day and used immediately afterwards. The bursting of the bubbles was achieved under ultrasound explore at 500 Hz, which did not affected the growth of the cells. However, the platinum concentration loaded onto the microbubble was too low to induce significant differences between loaded and non-loaded microbubble, as determined by the MTT assay. Therefore, optimization of microbubble loading metal complexes has to be a major topic of future work. KW - Microbubble KW - Platin KW - Palladium KW - Ultraschall KW - Glioblastomen KW - Glioblastom KW - Palladium KW - Platin KW - Ultraschall Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-216165 ER - TY - THES A1 - Robrecht, Julia T1 - Diagnostik des Vesikoureteralen Reflux : In-vitro-Vergleich eines Ultraschallkontrastmittels der 1. mit einem der 2. Generation T1 - comparison of a first and a second generation contrastagent for the diagnosis of vesicourethral reflux with ultrasound N2 - ZIEL: In den letzten Jahren ist die kontrastverstärkte sonographische Refluxprüfung, d.h. die Miktionsurosonographie (MUS), zunehmend zu einer Alternative gegenüber der standardmäßig eingesetzten Miktions-zysturethrographie (MCU) für die Diagnostik des vesikoureteralen Reflux (VUR) geworden. Eine der Einschränkungen sind jedoch die sehr hohen Kosten des Ultraschallkontrastmittels. Durch Entwicklung von neuen Ultraschallkontrastmitteln erhofft man sich aufgrund vergleichbarer Bildqualität in deutlich niedrigerer Dosis entsprechend eine Reduktion der Kosten zu erreichen. Thema dieser Studie ist eines dieser neuen Ultraschallkontrastmittel (SonoVue®) mit dem in der Routine verwendeten US-Kontrastmittel Levovist® in-vitro unter Betrachtung der für die Refluxdiagnostik relevanten physikalisch-chemischen Eigenschaften zu vergleichen. MATERIAL UND METHODEN: Der in-vitro Versuchsaufbau simulierte die in-vivo durchgeführte MUS. Verwendet wurden die Abbildungsmodalitäten Fundamental und Harmonic Imaging (THI/ECI, Sonoline Elegra®, Siemens), letztere sowohl mit einem niedrigen als auch mit einem hohen Mechanical Index (MI). SonoVue® wurde in einer Konzentration von 0,25%, 0,5% und 1%, Levovist in einer Konzentration von 5% bezogen auf ein Gesamtvolumen in-vitro von 20ml getestet. Als Vergleichsparameter diente die in-vitro Kontrastdauer. Diese wurde definiert als der Zeitraum vom Beginn der Messung bis zu dem Zeitpunkt, an dem auf mehr als 50% der Bildfläche keine echogenen Mikrobläschen mehr nachweisbar waren. ERGEBNISSE: Die Änderung der oben genannten Konzentrationen hatte keinen entscheidenden Einfluss auf die Kontrastdauer von SonoVue®. Darüber hinaus konnte beim Umschalten von THI low MI auf THI high MI die Kontrastdauer von SonoVue® signifikant verlängert werden. Betrachtet man die Abbildungsmodalität THI mit hohem MI, welche routinemäßig bei Levovist® angewendet wird, so zeigte sich, dass die Kontrastdauer bei Levovist® in einer Konzentration von 5% bei 1,1 Minuten lag, bei SonoVue® hingegen erhielten wir bei einer Konzentration von 1% eine Kontrastdauer von 7,3 Minuten. Dies bedeutet, dass trotz Verwendung einer fünffach geringeren Dosis bei SonoVue® sich die Kontrastdauer in-vitro um mehr als 80% verlängerte. Darüber hinaus blieb die Kontrastdauer von SonoVue® über einen Zeitraum von 6 Stunden weitestgehend stabil, während bei Levovist® die Kontrastdauer schon nach 0,5 Stunden eine deutliche Reduktion zeigte. SCHLUSSFOLGERUNG: Es ist zu erwarten, dass SonoVue® auch bei intravesicalen Applikationen in einer deutlich niedrigeren Dosis (1% des Blasenvolumens) verwendet werden kann und dass mehrere Untersuchungen über einen längeren Zeitraum mit einer Flasche SonoVue® durchgeführt werden können. Somit würde eine Kostenreduktion erreicht werden. N2 - PURPOSE: Contrast-enhanced sonographic reflux diagnosis, i.e. voiding urosonography [VUS], is gradually becoming an alternative diagnostic imaging modality for vesicoureteric reflux [VUR]. A limiting factor for the widespread application of VUS is the cost of the US contrast agents. With the development of new US contrast agents and the possibility of reducing the administered dose, it is envisaged to lower the cost. The aim of this study was to compare in-vitro the new US contrast agent (SonoVue®) with the routinely used contrast agent, Levovist®, taking into consideration those for reflux diagnosis relevant physico-chemical properties. MATERIALS AND METHODS: The in-vitro experimental set-up simulated the in-vivo VUS. The US modalities fundamental and harmonic imaging (THI/ECI, Sonoline Elegra®, Siemens) were utilized, the latter with both low and high mechanical Indices (MI). SonoVue® was tested in concentrations of 0.25%, 0.5% and 1% and Levovist® at 5%. The in-vitro contrast duration served as the parameter for comparison. This was defined as the time from the start of the experiment until the time when more than 50% of the image area was free of microbubbles. RESULTS: The use of different concentrations of SonoVue® did not have any impact on the contrast duration. When the US modality was switched from low to high MI the contrast duration of SonoVue® turned out to be significantly longer. It was also shown that when THI high MI, the routinely employed US modality with Levovist®, was tested the contrast duration of Levovist® at a concentration of 5% was 1.1 min, whereas that of SonoVue® at a concentration of 1% reached 7.3 min. This means that despite SonoVue® being administered at a dose five times less than Levovist®, the in-vitro contrast duration increased by more than 80%. Moreover, a freshly prepared suspension of SonoVue® did not show change in the contrast duration for nearly 6 hours. In the case of Levovist® there was a significant reduction of the contrast duration just after half-an-hour. CONCLUSION: It is expected that with the use of SonoVue® in-vivo a significant dose reduction is possible and thus one vial can be used for more than one examination. Consequently, visible cost reduction will ensue. KW - VUR KW - Ultraschall KW - SonoVue KW - MUS KW - Kontrastmittel KW - VUR KW - ultrasound KW - SonoVue KW - MUS KW - constrastagent Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-22418 ER - TY - THES A1 - Klein, Detlef T1 - Dynamische kontrastmittelunterstützte Ultraschalluntersuchung fokaler Leberraumforderungen T1 - Quantitative Dynamic Contrast-enhanced Sonography of Hepatic Tumors N2 - Ziel: Versuch der Definition von Lebertumoren mit quantitativem dynamischem kontrast-verstärktem Ultraschall anhand der Beurteilung der Vaskularisation, wash-in, wash-out über einen definierten Zeitraum. Korrelation mit histologischen Befunden. Patienten und Methode: 42 Leberläsionen in 39 Patienten wurden mittels „Contrast Harmonic Imaging“ (CHI) über einen Zeitraum von 2 min nach einer Bolusinjektion von 10 ml Levovist® (300mg/ml, Schering AG, Berlin) untersucht. Die Untersuchungen wurden an einem Sonoline Elegra® (Siemens AG, Erlangen) mit einem frequenzvariablen 3,5 MHz Schallkopf durchgeführt. Das Kontrastmittelverhalten der Leberläsionen wurde durch eine speziell für Ultraschallkontrastmittel entwickelte Software (Axius™ ACQ (Siemens, Issaquah, WA)) quantifiziert. Repräsentative ROI wurden in das Zentrum der Läsion, über die gesamte Läsion, in normales Leberparenchym, sowie in repräsentative Lebergefäße (Leberarterie, Lebervene, Portalvene) gelegt. Die Kontrastmittelaufnahme der Leberläsionen wurde unterteilt in arteriell, portal-venös oder venös. Des Weiteren erfolgte eine Unterteilung in hypovaskular, isovaskular und hypervaskular im Vergleich zum normalen Leberparenchym. Zusätzlich wurde das Kontrastmittelverhalten innerhalb der Läsion beurteilt und unterteilt in zentrifugal, zentripetal, peripher und komplett. Alle Leberläsionen wurden vor und nach Kontrastmittelgabe von vier im Ultraschall, CT und MRT erfahrenen Radiologen ausgewertet ohne Kenntnis der Patientendaten oder des histologischen Ergebnis. Das Diagnosekriterium maligne wurde mittels einer ROC-Analyse ausgewertet. Zusätzlich wurden die durchschnittliche Sensitivität, Spezifität, sowie der positive und negative Vorhersagewert berechnet. Ergebnisse: Von 36 Raumforderungen lagen histologische Befunde vor. Histologisch ergaben sich 29 maligne Läsionen (HCC, n=11; CCC n=1; Lymphom, n=1, Metastasen, n=16) und 7 benigne Läsionen (Hämangiom, n=1; FNH, n=4, Adenom n=2). 4 FNH´s und 1 Hämangiom waren durch NUK, MRT und durch Langzeitkontrollen bestätigt. Die Auswertung der ROC-Analyse in Bezug auf das Kriterium maligne schwankte vor Kontrastmittelgabe zwischen 0,43 und 0,62 (Durchschnitt 0,57) und nach Kontrastmittelgabe zwischen 0,7 und 0,8 (Durchschnitt 0,75). Die durchschnittlichen Werte für die Sensitivität, Spezifität, negativer und positiver Vorhersagewert betrugen vor Kontrastmittelgabe 66%, 26%, 45% und 73% nach Kontrastmittelgabe 83%, 49%, 65% und 82%. Diskussion: Die Quantifizierung der verstärkten Gefäßdarstellung in Lebertumoren nach Bolus-Applikation eines Ultraschallkontrastmittels verbessert die Zuordnung zu einem malignen Prozess im Vergleich zum nativen Ultraschall. Um zuverlässigere Diagnosen stellen zu können ist eine Verbesserung der Auswertesoftware sowie die Berücksichtigung der neuen Generation von Ultraschallkontrastmitteln notwendig. N2 - OBJECTIVE. To define liver tumors using quantitative dynamic contrast-enhanced ultrasound compared to histological diagnosis, respectively long term follow ups. SUBJECTS AND METHODS. 42 focal liver lesions in 39 patients were examined by contrast harmonic imaging over a period of 2 min after bolus injection of 10 ml galactose-based contrast agent. Vascular enhancement was quantified by using a dedicated software that allowed to place representative regions of interest (ROI) in the centre of the lesion, in the complete lesions, in regular liver parenchyma, and in representative liver vessels (artery, vein, portal vein). Peak enhancement was judged to be either in the arterial, portal venous or in the late phase of liver perfusion. The lesion was described as hypovascular, isovascular and hypervascular compared to liver parenchyma. Contrast uptake was described as centrifugal or centripetal and peripheral or homogenous, respectively. Characterization of the lesions was performed unenhanced and after contrast by four independent specialists unaware of histology. Diagnosis of malignancy was evaluated by using a Receiver Operating Characteristic (ROC) analysis, also overall accuracy, average sensitivity, specificity, negative and positive predictive values were calculated. Interobserver agreement was defined by the Kappa statistics. RESULTS. Histologic examination revealed 29 malignant (hepatocellular carcinoma (HCC), n=11; cholangiocellular carcinoma (CCC), n=1; lymphoma, n=1; metastases, n=16), and 7 benign (hemangioma, n=1; focal nodular hyperplasia (FNH), n=4, adenoma, n=2) lesions. 6 benign lesions (hemangioma n=1; FNH n=5) were proved by long term follow up. ROC-Analysis regarding the diagnosis of malignancy showed values from 0.43 to 0.62 (mean 0.57) before and from 0.70 to 0.80 (mean 0.75) after contrast agent, respectively. The average values for sensitivity, specificity, accuracy, negative and positive predictive values were 66%, 26%, 62%, 45%, and 73% unenhanced and 83%, 49%, 73%, 65%, and 82% after contrast, respectively. The interobserver agreement was 0.54 and 0.65 for unenhanced and enhanced examinations, respectively. CONCLUSION. Quantitative dynamic contrast-enhanced sonography improves the diagnosis of malignancy in liver lesions. KW - Ultraschall KW - Levovist KW - Lebertumoren KW - Definition KW - Ultrasound KW - liver KW - US KW - contrast agents KW - Computer-aided diagnosis Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15078 ER - TY - THES A1 - Bach, Tobias T1 - Electromechanical interactions in lithium-ion batteries: Aging effects and analytical use T1 - Elektromechanische Wechselwirkungen in Lithium-Ionen Batterien: Alterungseffekte und analytische Anwendungsmöglichkeiten N2 - In the first part of his work, the causes for the sudden degradation of useable capacity of lithium-ion cells have been studied by means of complementary methods such as computed tomography, Post-Mortem studies and electrochemical analyses. The results obtained point unanimously to heterogeneous aging as a key-factor for the sudden degradation of cell capacity, which in turn is triggered by differences in local compression. At high states of health, the capacity fade rate is moderate but some areas of the graphite electrode degrade faster than others. Still, the localized changes are hardly noticeable on cell level due to averaging effects. Lithium plating occurs first in unevenly compressed areas, creating patterns visible to the human eye. As lithium plating leads to rapid consumption of active lithium, a sudden drop in capacity is observed on cell level. Lithium plating appears to spread out from the initial areas over the whole graphite electrode, quickly consuming the remaining useful lithium and active graphite. It can be hypothesized that a self-amplifying circle of reciprocal acceleration of local lithium loss and material loss causes rapid local degradation. Battery cell designers can improve cycle life by homogeneous pressure distribution in the cell and using negative active materials that are resilient to elevated discharge potentials such as improved carbons or lithium titanate. Also, a sufficiently oversized negative electrode and suitable electrolyte additives can help to avoid lithium plating. When packs are designed, care must be taken not to exert local pressure on parts of cells and to avoid both very high and low states of charge. In the second part of this dissertation the resilience of cylindrical and pouchbag cells to shocks and different vibrations was investigated. Stresses inflicted by vibration and shock tests according to the widely recognized UN38.3 transport test were compared to a long-time test that exposed cells to a 186 days long ordeal of sine sweep vibrations with a profile based on real-world applications. All cells passed visual and electric inspection performed by TU München after the vibration tests. Only cylindrical cells subjected to long-term vibrations in axial direction showed an increase in impedance and a loss of capacity that could be recuperated in part. The detailed analyses presented in this thesis gave more details on the damages inflicted by vibrations and shocks and revealed drastic damages in some cases. In cylindrical cells, only movement in axial direction caused damage. Long term vibrations were found to be especially detrimental. No damage whatsoever could be detected for pouch cells, regardless of the test protocol and the direction of movement. The extreme resilience of pouchbag cells shows that the electrode stack of lithium-ion cells is resistant to vibrations, and that damages are caused by design imperfections that can be improved at low cost. The findings of this work, and the general state of research show that it is most crucial to control the lithiation and thus potential of the graphite electrode. In the last part of this work, a new, direct method for charge estimation based on changing transmission is presented. A correlation between transmission of short ultrasonic pulses and state of charge is found. This new technology allows direct measurement of the state of charge. The method is demonstrated for batteries with different positive active materials, showing its versatility. As the observed changes can be traced to the lithiation of graphite, it can be determined without a reference electrode. Already at this early stage of development, the found correlations allow estimation of state of charge. The present hysteresis in the signal height of the slow wave, which is unneglectable especially during discharging at higher currents, will be subject to further investigation. The observed effects can be explained by effects on different length scales. Biot’s theory explains the second wave’s slowness based on the active material particles size in the range of 0.01 mm and electrolyte-filled pores. Lithiation of graphite changes the porosity of the electrode and thereby the velocity and wavelength of the impulse. When the wavelength approaches the length scale of the layers, 0.1 mm, scattering effects dampen the transmitted signal. Finally, the wavelength of the pulse should be shorter than the transducers diameter to obtain a homogeneous wave front. To conclude, the new method allows the control of each individual cell in a pack independent from the electrical connections of the cells. As the method shows great promise, further studies regarding factors such as long-term behavior, temperature and current rates should be conducted. In this thesis hysteresis was observed and a deeper understanding of the reasons behind it may allow further improvements of measurement precision. N2 - Im ersten Teil dieser Doktorarbeit wurden die Ursachen des plötzlichen Kapazitätseinbruchs von Lithium-Ionen Zellen untersucht. Die mittels sich ergänzender Methoden wie Röntgentomographie, Post-Mortem Untersuchungen und elektrochemischer Analysen gewonnenen Ergebnisse weisen darauf hin, dass heterogene Alterungseffekte eine Schlüsselrolle für den beschleunigten Kapazitätsverlust spielen. Die beobachteten Ungleichmäßigkeiten auf gealterten Elektroden konnten wiederum auf Kompressionsunterschiede zurückgeführt werden. Im frühen Alterungsstadium war zwar nur ein moderater Kapazitätsverlust zu verzeichnen, einige Bereiche der Graphitelektrode altern jedoch schneller als andere. Diese lokalen Alterungseffekte sind auf Zellebene aufgrund von Mittelungseffekten zunächst schwer nachweisbar, sobald jedoch in Bereichen abweichender Kompression Lithiumplating auftritt, entstehen Muster welche nach Öffnen der Zelle gut zu erkennen sind. Inaktives Lithium, dicke Passivschichten sowie erhöhte Mengen an abgelagertem Mangan und anderen Metallen die aus dem positiven Aktivmaterial herausgewaschen wurden, konnten in geschädigten Bereichen der Zellen B und C, welche direkt beim Einsetzen beziehungsweise 150 Zyklen später geöffnet wurden, nachgewiesen werden. Da Lithiumplating zu raschem Verbrauch von aktivem Lithium führt, kann ein plötzlicher Einbruch der Zellkapazität beobachtet werden. Das Lithiumplating scheint sich von den geschädigten Bereichen über die gesamte Elektrode auszubreiten, wobei rasch das verbleibende aktive Lithium und teilweise auch das negative Aktivmaterial verbraucht wird. Daher wird die Hypothese aufgestellt, dass durch lokales Lithiumplating ein sich selbst verstärkender Kreislauf in Gang gesetzt wird, wobei sich lokaler Lithium- und Aktivmaterialverlust gegenseitig beschleunigen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Widerstandsfähigkeit von zylindrischen und Pouchbagzellen gegenüber Schocks und Vibrationen untersucht. Belastungen durch Vibrationen und Schocks gemäß des weitläufig anerkannten Transporttests UN38.3 wurden mit 186 Tage dauernden Langzeittests verglichen. Alle Zellen bestanden die visuellen und elektrischen Überprüfungen die an der TU München nach Durchführung der Vibrationstests durchgeführt wurden. Nur die zylindrischen Zellen zeigten einen Anstieg des Innenwiderstands sowie einen weitgehend reversiblen Kapazitätsverlust. Die in dieser Arbeit vorgestellte tiefergehenden Analysen gaben ein detaillierteres Bild der beobachteten Effekte auf und zeigten teilweise schwere versteckte Schäden auf, wobei ausschließlich in axialer Richtung belastete Rundzellen Schäden aufwiesen. Langzeitvibrationen führten zu besonders schweren Schadensbildern. An den untersuchten Pouchzellen konnte keinerlei Schädigung durch die Vibration festgestellt werden. Die Widerstandsfähigkeit der Pouchzellen zeigt, dass der Elektrodenstapel, der die Grundlage jeder Lithium-Ionen Zelle bildet, äußerst vibrationsstabil ist und auftretende Schäden auf ungenügendes Zelldesign zurückzuführen sind. Die hier vorgestellten Ergebnisse und der Stand der Wissenschaft zeigen die Bedeutung des Lithiierungsgrad der Graphitelektrode für die Alterung auf. Im letzten Teil der Arbeit wurde daher eine neue Methode zur Ladezustandsbestimmung mittels Ultraschall vorgestellt. Die beobachteten Amplituden- und Laufzeitänderungen erlauben die direkte Bestimmung des Ladezustands von Lithium-Ionen Zellen und die Anwendbarkeit konnte an Zellen mit verschiedenen positiven Aktivmaterialien gezeigt werden. Die beobachteten Effekte können auf Vorgänge auf verschiedenen Längenskalen zurückgeführt werden. Biots Theorie bietet eine Erklärung der geringen Geschwindigkeit der zweiten Welle aufgrund der Ausbreitungsmodi der Schallwellen im porösen, elektrolytgefüllten Aktivmaterial. Die im Vergleich zur Wellenlänge kleine Längenskala der Aktivpartikel und der elektrolytgefüllten Poren von 0,01 mm führt hierbei dazu, dass sich das Material als Effektivmedium verhält. Durch die Lithiierung der Graphitpartikel ändern sich Eigenschaften und Porosität der Elektrode. Insbesondere die Porositätsänderung kann laut Biots Theorie die Geschwindigkeit und somit die Wellenlänge der zweiten Welle wesentlich verändern. Wenn die Wellenlänge auf die Größenordnung der Schichtdicken der Zelle, 0,1 mm, reduziert wird, treten Streuungseffekte auf, die die transmittierte Welle abschwächen. Schlussendlich muss der Durchmesser der eingesetzten Schallwandler größer als die Wellenlänge der Pulse sein um ein homogenes Schallfeld zu erzeugen. Da der Einsatz von Ultraschallpulsen vielversprechend erscheint, sollten in weiteren Studien Faktoren wie Langzeitverhalten, Temperatur- und Rateneinflüsse untersucht werden. In dieser Arbeit wurde weiterhin Hysterese beobachtet deren tieferes Verständnis nicht nur die Ladezustandsbestimmung, sondern auch das Verständnis der dynamischen Prozesse in Lithium-Ionen Zellen verbessern könnte. KW - Lithium-Ionen-Akkumulator KW - Lithium-Plating KW - Alterung KW - Ultraschall KW - Ultraschallsensor KW - vibration testing KW - mechanical shock KW - heterogeneous compression Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-153325 ER - TY - THES A1 - Kraak, Sönke Matthias T1 - Entwicklung und Konstruktion eines pulsatilen Herzmodells zur Evaluierung von Volumen- und Massenbestimmungen mittels dreidimensionaler Echokardiographie T1 - Development and construction of an pulsatile cardiac phantom for evaluation of volume- and massmeasuring with 3D-echocardiography N2 - Ziel dieser Arbeit war es, ein Modell zu entwickeln, mit dem die Messgenauigkeit der Volumen- und Massenbestimmung mittels Echokardiographie bei ungleichmäßig geformten Ventrikeln und bei unterschiedlichen Pumpfrequenzen bestimmt werden kann. Auch sollte es möglich sein, mit einem Modell gleichzeitig eine Messung des Kammervolumens und der Masse der Ventrikelwand durchzuführen. N2 - Aim of this work was to develop a cardiac phantom with which the measuring accuracy of the volume- and massdeterminatation with 3D-echocardiography can be determined at unevenly formed ventricles and with different pumping frequencies. Also it should be possible to accomplish at the same time with that model a measurement of the chamber volume and the mass of the ventricle wall. KW - Pulsatiles Herzmodell KW - Ultraschall KW - dreidimensionale Echokardiographie KW - 3d-echocardiography KW - ultrasound KW - pulsatile cardiac phantom Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-6969 ER - TY - THES A1 - Andermann, Paul T1 - Evaluierung der Intra- und Interobserver-Variabilität bei der 2D-Ultraschall-Schilddrüsenvolumetrie an einem Schilddrüsenphantom - Vergleich zu 3D-Ultraschall-Referenzmessungen an gesunden Probanden N2 - Mehrere Autoren haben schon die Intra- und Interobserver-Variabilität bei der Bestimmung des Schilddrüsenvolumens und knotiger Herdbefunde mit Hilfe des zweidimensionalen (2D) Ultraschalls evaluiert. Darüber hinaus wurde über Interobserver-Korrelationen für Schilddrüsenvolumenmessungen berichtet. Es gibt jedoch keine prospektive verblindete Studie, die die Intra- bzw. Interobserver-Variabilität bei der Volumenbestimmung der gesamten Schilddrüse an gesunden Probanden bzw. einzelner Knoten unterschiedlicher Echogenität an einem Phantom untersucht hat. Die Ergebnisse der Einzelstudien sollen hier vorgestellt und – soweit möglich – miteinander verglichen werden. Im Rahmen einer quantitativen Studie mit dem hier präsentierten Schilddrüsenphantom soll die Intra- und Interobserver-Variabilität bei der 2D-Ultraschallvolumetrie einzelner Knoten unterschiedlicher Größe und Echogenität und der Schilddrüsenlappen evaluiert werden. Da Schilddrüsenknoten wegen des geringeren Volumens und ihrer oft unscharfen Randkontur schwieriger zu entdecken und auszumessen sind als die Gesamtschilddrüse, soll untersucht werden, welche Größenordnungen des Messfehlers auftreten und in welcher Relation sie zueinander stehen. Außerdem soll der methodenimmanente Fehler quantifiziert und detektierbare Volumenänderungen erfassbar gemacht werden. Bisher war in der Schilddrüsensonographie kein geeignetes Phantom verfügbar, das kommerziell erhältlich ist und mit dem qualitativ unterschiedliche intrathyreoidale Herdbefunde untersucht werden können. Die vorliegende Studie an gesunden Probanden hatte das primäre Ziel, die Frage nach der Quantifizierbarkeit von Unsicherheitsfaktoren in der Schilddrüsenvolumetrie durch den konventionellen 2D-Ultraschall im Vergleich zu 3D-Referenzvolumina bei gesunden Erwachsenen möglichst exakt zu beantworten und die Untersucherabhängigkeit der Methode zu demonstrieren. Damit soll die Genauigkeit (Richtigkeit und Präzision) der sonographischen Schilddrüsendiagnostik mathematisch erfasst und eine bessere Bewertungsgrundlage für die Frage nach der Reproduzierbarkeit von Ultraschall-Volumenbestimmungen der Schilddrüse und ihrer pathologischen Veränderungen geschaffen werden. Hierfür wurden möglichst aussagekräftige statistische Parameter wie die Intra- und Interobserver-Variabilität, der systematische und zufällige Fehler, der reine Fehler der Messmethode, minimale, sicher detektierbare Volumenänderungen und im Rahmen einer multivariaten Reliabilitätsanalyse die Reliabilitätskoeffizienten untersucht. Ein weiteres Ziel dieser Studie bestand darin, die Reliabilität der in der klinischen Routine benutzten Ellipsoidformel zur Berechnung des Schilddrüsenvolumens zu überprüfen. KW - Intraobserver-Variabilität KW - Interobserver-Variabilität KW - Ultraschall KW - Schilddrüsenvolumetrie KW - Schilddrüsenphantom Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-23434 ER - TY - THES A1 - Köberle, Philipp T1 - High-resolution ultrasound for the identification of pathological patterns in patients with polyneuropathies and amyotrophic lateral sclerosis T1 - Hochauflösender Ultraschall zur Identifizierung von pathologischen Mustern bei Patienten mit Polyneuropathien und amyotropher Lateralsklerose N2 - Neuropathies are a group of potentially treatable diseases with an often disabling and restricting course. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a lethal disease without causal treatment possibilities. The objective of this study was to examine the diagnostic utility of HRUS for the differentiation of subtypes of axonal and demyelinating neuropathies and to investigate its utility for the sonological differentiation of ALS. The hypothetical statement that neuropathy causes enlargement of peripheral nerves compared to healthy controls proved to be right, but the adjunctive assumption that ALS does not cause enlargement of peripheral nerves proved to be wrong – in patients with ALS slight enlargement of peripheral nerves was visible as well. The statement that nerve enlargement can be detected by measurement of the cross-sectional area (CSA) and the longitudinal diameter (LD) with comparable results proved to be right, but the enlargement was slightly less present by measurement of the LD. The statement that axonal and demyelinating neuropathies show distinct patterns of nerve enlargement must be answered differentiated: The comparison between axonal and demyelinating neuropathies showed a stronger nerve enlargement in patients with demyelinating neuropathies than in patients with axonal neuropathies at proximal nerve segments of upper extremities. In the comparison of diagnose-defined subgroups of inflammatory demyelinating neuropathies a respective specific pattern of nerve enlargement was visible. However, remarkable in this context was the strong nerve enlargement found in patients with NSVN, which is classified as an axonal neuropathy. Stratification for specific findings in nerve biopsy did not lead to constructive differences in comparison between the different groups. To sum up, HRUS showed to provide a useful contribution in the diagnostic process of neuropathies and ALS but needs to be integrated in a multimodal diagnostic approach. N2 - Neuropathien stellen eine Gruppe potenziell behandelbarer Erkrankungen mit häufig behinderndem und einschränkendem Verlauf dar. Die amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine tödliche Erkrankung ohne Möglichkeiten der kausalen Behandlung. Das Ziel dieser Studie war es, den diagnostischen Nutzen von hochauflösendem Ultraschall für die Differenzierung von Subtypen axonaler und demyelinisierender Neuropathien, sowie der amyotrophen Lateralsklerose zu untersuchen. Die hypothetische Aussage, dass durch Neuropathien eine Vergrößerung von peripheren Nerven im Vergleich zu gesunden Kontrollen nachgewiesen werden kann, erwies sich als richtig. Entgegen der hiermit verknüpften Aussage, dass es bei amyotropher Lateralsklerose zu keiner Größenzunahme peripherer Nerven kommt, konnte bei diesen Patienten ebenfalls eine leichte Kaliberzunahme der Nerven nachgewiesen werden. Die Aussage, dass eine Nervenvergrößerung durch die Messung von Querschnittsfläche und longitudinalem Durchmesser mit vergleichbaren Ergebnissen erfolgen kann, erwies sich als richtig, jedoch zeigte sich die Nervenvergrößerung bei der Messung des longitudinalen Durchmessers etwas geringer ausgeprägt. Die Aussage, dass axonale und demyelinisierende Neuropathien unterschiedliche Muster der Nervenvergrößerung aufweisen, muss differenziert beantwortet werden: Der Vergleich axonalen und demyelinisierenden Neuropathien zeigte bei Patienten mit demyelinisierenden Neuropathien, insbesondere an proximalen Nervensegmenten der oberen Extremitäten, eine stärkere Nervenvergrößerung als bei Patienten mit axonalen Neuropathien. Im Vergleich diagnose-definierter Subgruppen demyelinisierender Neuropathien zeigte sich ein jeweils spezifisches Verteilungsmuster der Nervenvergrößerung. In diesem Zusammenhang bemerkenswert war jedoch die starke Nervenvergrößerung bei Patienten mit nicht-systemischer vaskulitischer Polyneuropahie, welche als axonale Neuropathie klassifiziert wird. Die Stratifikation nach spezifischen Befunden in der Nervenbiopsie führte nicht zu konstruktiven Unterschieden im Vergleich der Untergruppen. Zusammenfassend zeigte sich, dass der hochauflösende Nervenultraschall einen nützlichen Beitrag im diagnostischen Prozess von Neuropathien und ALS leisten kann, jedoch in eine multimodale diagnostische Herangehensweise integriert werden muss. KW - Polyneuropathie KW - Ultraschall KW - HRUS KW - polyneuropathy KW - ALS KW - pattern KW - biopsy KW - Nervenultraschall KW - Muster KW - Nervenbiopsie KW - Polyneuropathie KW - amyotrophe Lateralsklerose Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-245800 ER - TY - THES A1 - Doerck, Sebastian T1 - In vivo-Expression der endothelialen Adhäsionsmoleküle ICAM-1 und VCAM-1 bei der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis: Untersuchungen mit target-spezifischen Ultraschallkontrastmitteln T1 - In vivo expression of endothelial adhesion molecules ICAM-1 and VCAM-1 in experimental autoimmune encephalomyelitis: investigations using target-specific ultrasound contrast agent N2 - Der adoptive Transfer myelinspezifischer, enzephalithogener T-Lymphozyten führt bei Lewis-Ratten zu einer monophasisch verlaufenden Enzephalomyelitis (AT-EAE). Das Tiermodell AT-EAE ist gut geeignet, um die Transmigration von Lymphozyten über die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ins Hirngewebe zu untersuchen. Der Einwanderung aktivierter Lymphozyten in das ZNS-Parenchym geht eine komplexe Kaskade von Zell-Zell-Interaktionen zwischen Lymphozyten und Endothel der BHS voraus. Die endothelialen Adhäsionsmoleküle Intercellular Adhesion Molecule 1 (ICAM-1) und Vascular Adhesion Molecule 1 (VCAM-1) sind entscheidend an diesem Prozess beteiligt. Mit einer kürzlich entwickelten, ultraschallbasierte molekularen Bildgebung und Quantifizierung ist die sequentielle Messung der Moleküle ICAM-1 und VCAM-1 im Verlauf der AT-EAE am lebenden Tier möglich. Schon vor dem Einsetzen der ersten klinischen Symptomatik zeigte sich bei den Versuchstieren ein Anstieg der Expression der Zelladhäsionsmoleküle ICAM-1- und VCAM-1.Diese Expression persistierte unerwartet über das Maximum der klinischen Symptomatik hinaus und bis in die Phasen der frühen Remission. Immunhistochemische Färbungen von Gehirn und Rückenmark bestätigten diese Expressionskinetik in situ. Darüber hinaus konnte histologisch und durchflusszytometrisch eine Persistenz CD4-positiver Lymphozyten in der frühen Remissionphase nachgewiesen werden. Hier war vor allem ein Anstieg der CD4- und FoxP3- positiven regulatorischen T-Zellen in der CD4 Subpopulation festzustellen. Diesen Zellen wird eine wichtige regulatorische Bedeutung für die Beendigung von Entzündungsreaktionen zugeschrieben. Ein experimentellen Beleg dafür, dass regulatorische Zellen in den Phasen der Remission die selben Migrationswege wie proinflammatorische Zellen nutzen, ergab sich durch die Blockade von ICAM-1 mit hohen Dosen eines monoklonalen Antikörpers. Wurde dieser AK in der Progressionsphase der Erkrankung gegeben, resultierte dies in einer signifikanten Reduktion der klinischen Symptomatik. Im Gegensatz dazu führte die spätere Gabe des Antikörpers in der frühen Remission zu einer signifikanten Verschlechterung des Krankheitverlaufes. In Zusammenschau legen diese Ergebnisse die Hypothese nahe, dass Adhäsionsmoleküle wie ICAM-1 nicht nur an der Einwanderung pathogener proinflammatorischer Zellen entscheidend beteiligt sind, sondern dass sie auch die Einwanderung antiinflammorischer und regulatorischer Zellen in das ZNS ermöglichen, die für eine Abschwächung der Gewebsentzündung und Zerstörung wichtig sind. Therapeutische Intervention an der BHS sind auf dem Boden dieser Erkenntnisse wahrscheinlich stadienabhängig wirksam und könnten bei falschem Einsatz mehr schaden als nutzen. Molekulare Bildgebungstechniken, wie hier paradigmatisch für die. ultraschallbasierten SPAQ-Technologie gezeigt, werden deshalb in Zukunft für die Bestimmung der geeigneten Phase einer entzündlichen ZNS Erkrankung und damit den geeigneten Zeitpunkt für eine therapeutische Intervention großes Potential erlangen. N2 - Inflammatory cells enter the central nervous system (CNS) by using a cascade of cell adhesion molecules. In recent years the blockade of adhesion molecules has become a promising therapeutic concept to treat multiple sclerosis and its animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Despite impressive therapeutic achievements there are conflicting results and unexpected side effects when blocking adhesion molecules. To gain a better understanding of the processes at the blood brain barrier we performed ultrasound-based molecular imaging of the kinetics of adhesion molecule expression together with an analysis of the composition of cellular infiltrates. We applied the new ultrasound-based quantification system SPAQ in adoptive transfer EAE, a suitable model for the analysis of cell migration. By using targeted microparticles specific for ICAM-1 and VCAM-1 we performed sequential imaging of ICAM-1 and VCAM-1 in adoptive transfer EAE. Repetitive ultrasound scans of ICAM-MP and VCAM-MP over the course of AT MBP-EAE revealed a significant up-regulation of adhesion molecules before the clinical onset of disease. In addition we found a persistent up-regulation of cell adhesion molecules beyond the disease maximum which was extended into the phase of clinical remission. Immunohistological analysis of the inflammatory lesions revealed high numbers of CD4+ and CD8+ cells within the CNS being detected in the phase of disease progression but also in the stage of early clinical remission. This qualitative impression could be confirmed by serial quantitative FACS-Analysis of T-cell subsets from homogenized CNS. Interestingly, the composition of CNS infiltrating lymphocytes changed over time: in the phase of clinical remission increased numbers of Fox-p3-positive regulatory T-cells were noted, suggesting that adhesion molecules might not only mediate the influx of inflammatory cells but also allow regulatory T-cells to enter the CNS. To proof this hypothesis we treated AT MBP-EAE animals with high dose of purified monoclonal antibodies to ICAM-1 either in the phase of disease progression or in early clinical remission. Administration of anti-ICAM-1 in the phase of disease progression suppressed EAE whereas treatment during clinical remission leads to an aggravation of clinical symptoms. Our data demonstrates that ultrasound based molecular imaging at the blood brain barrier is a suitable and useful tool for serial monitoring of molecular interactions pertinent to CNS inflammation. Our results suggest that adhesion molecules are not only important for capture and migration of pro-inflammatory cells into the CNS but may also be mandatory for the transmigration of regulatory T-cells. Therefore it is likely to assume that intervention at the blood brain barrier is time dependent and could result in different therapeutic outcomes depending on the phase of lesion development. This advocates the need for reliable molecular imaging methods helping to determine the exact time point for therapeutic intervention, such as ultrasound based molecular imaging techniques. KW - ICAM-1 KW - VCAM-1 KW - EAE KW - Ultraschall KW - SPAQ KW - ICAM-1 KW - VCAM-1 KW - EAE KW - ultrasound KW - SPAQ Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-23390 ER - TY - THES A1 - Schulz, Ellina T1 - Lokale Ultraschall-vermittelte Zytostatika-Applikation zur Behandlung von Hirntumoren T1 - Local ultrasound mediated cytostatic drug application for the treatment of brain tumors N2 - Glioblastoma (GBM) sind bösartige hirneigene Tumore, deren schlechte Prognose einer innovativen Therapie bedarf. Aus diesem Grund wurde ein neuer Therapieansatz entwickelt, der auf einer lokalen Ultraschall-vermittelten Zytostatika Applikation beruht. Hierfür wurden stabile Microbubbles (MB) bestehend aus Phospholipiden synthetisiert. Es konnte gezeigt werden, dass MB als auch fokussierter Ultraschall niedriger Intensität (LIFU) keinen negativen Einfluss auf GBM-Zellen hat. MB hingegen konnten mittels LIFU destruiert werden, wodurch das in den MB eingeschlossene Chemotherapeutikum freigesetzt werden kann. Es wurden verschiedene Platin(II)- und Palladium(II)-Komplexe auf GBM Zellen getestet. Zur Beladung der MB wurde Doxorubicin (Dox) verwendet. Es konnte eine Beladungseffizienz der MB mit Dox von 52 % erreicht werden, auch eine Aufreinigung dieser mittel Ionenaustausch-Chromatographie und Dialyse war erfolgreich. Die Austestung der mit Dox beladenen MB (MBDox) erfolgte auf GBM-Zellen in 2D- und 3D-Zelkulturmodellen. Dabei zeigte sich, dass die Behandlung mit MBDox und LIFU für 48 h eine zytotoxische Wirkung hatte, die sich signifikant von der Behandlung mit MBDox ohne LIFU unterschied. Zur Austestung der MBDox in 3D-Zellkulturmodellen wurden zwei Scaffold-Systeme eingesetzt. Es zeigte sich in den Versuchen, dass MBDox mit LIFU im Vergleich zu MBDox ohne LIFU Applikation einen zytotoxischen Effekt auf GBM-Zellen haben. Somit konnte die Wirksamkeit der Zytostatika Applikation mittels MB und LIFU in 2D- und 3D-Zellkulturmodellen erfolgreich etabliert werden. Als weiterer Schritt wurden zwei 3D in vitro Modelle erarbeitet. Dabei wurden zunächst organotypische hippocampale Slice Kulturen (organotypic hippocampal brain slice cultures, OHSC) aus der Maus hergestellt und anschließend mit fluoreszent-markierten Mikrotumoren aus GBM-Zelllinien, Primärzellen (PZ) und aus Patienten generierten GBM-Organoiden hergestellt. Diese GBM-Modelle wurden mit Tumor Treating Fields (TTFields) behandelt. Dabei war eine Abnahme der Tumorgröße von Mikrotumoren aus GBM-Zellen und PZ unter TTFields-Behandlung für 72 h messbar. Als weiteres in vitro Modell wurden humane Tumorschnitte aus intraoperativ entferntem GBM-Patientenmaterial hergestellt. Die Schnitte wiesen ein heterogenes Ansprechen nach 72 h TTFields-Applikation auf. Dies spiegelt die Heterogenität des GBM sehr gut wider und bestärkt die Eignung des Modelles zur Untersuchung von neuen Therapieansätzen zur Behandlung von GBM. N2 - Glioblastoma (GBM) are malignant brain tumor with a poor prognosis requiring innovative therapy. For this reason, a new therapeutic approach based on local ultrasound-mediated cytostatic application is now being established. For this purpose, stable microbubbles (MB) consisting of phospholipids were synthesized. It could be shown that MB as well as focused low intensity ultrasound (LIFU) had no negative effect on GBM cells. MB, on the other hand, could be destroyed by LIFU, allowing the release of the chemotherapeutic agent entrapped in MB. Different platinum(II) and palladium(II) complexes were tested on GBM cells. Doxorubicin (Dox) was used to load the MB. Loading efficiency of MB with Dox of 52% was achieved, and purification of these by ion-exchange chromatography and dialysis was also successful. Dox-loaded MB (MBDox) was tested on GBM cells in 2D and 3D cell culture models. This showed that treatment with MBDox and LIFU for 48 h had a cytotoxic effect that was significantly different from treatment with MBDox without LIFU. Two scaffold systems were used to test MBDox in 3D cell culture models. It was shown in the experiments that MBDox with LIFU had a cytotoxic effect on GBM cells compared with MBDox without LIFU application. Thus, the efficacy of cytostatic drug application using MB and LIFU was successfully established in 2D and 3D cell culture models. As a further step, two 3D in vitro models were developed. Here, organotypic hippocampal brain slice cultures (OHSC) were first prepared from mice and then with fluorescent-labeled microtumors from GBM cell lines, primary cells (PZ), and GBM organoids generated from patients. These GBM models were treated with tumor treating fields (TTFields). Thereby, a decrease in tumor size of microtumors derived from GBM cells and PZ was measurable under TTFields treatment for 72 h. As another in vitro model, human tumor sections were prepared from intraoperatively removed GBM patient material. The sections showed heterogeneous responses after 72 h of TTFields application. This reflects the heterogeneity of GBM very well and reinforces the suitability of the model to investigate new therapeutic approaches for the treatment of GBM. KW - Glioblastom KW - Hirntumor KW - Ultraschall KW - Microbubbles KW - Glioblastoma KW - Slice Culture KW - 3D cell culture Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-320168 ER - TY - THES A1 - Gold, Lukas T1 - Methods for the state estimation of lithium-ion batteries T1 - Methoden zur Zustandserkennung von Lithium-Ionen-Batterien N2 - This work introduced the reader to all relevant fields to tap into an ultrasound-based state of charge estimation and provides a blueprint for the procedure to achieve and test the fundamentals of such an approach. It spanned from an in-depth electrochemical characterization of the studied battery cells over establishing the measurement technique, digital processing of ultrasonic transmission signals, and characterization of the SoC dependent property changes of those signals to a proof of concept of an ultrasound-based state of charge estimation. The State of the art & theoretical background chapter focused on the battery section on the mechanical property changes of lithium-ion batteries during operation. The components and the processes involved to manufacture a battery cell were described to establish the fundamentals for later interrogation. A comprehensive summary of methods for state estimation was given and an emphasis was laid on mechanical methods, including a critical review of the most recent research on ultrasound-based state estimation. Afterward, the fundamentals of ultrasonic non-destructive evaluation were introduced, starting with the sound propagation modes in isotropic boundary-free media, followed by the introduction of boundaries and non-isotropic structure to finally approach the class of fluid-saturated porous media, which batteries can be counted to. As the processing of the ultrasonic signals transmitted through lithium-ion battery cells with the aim of feature extraction was one of the main goals of this work, the fundamentals of digital signal processing and methods for the time of flight estimation were reviewed and compared in a separate section. All available information on the interrogated battery cell and the instrumentation was collected in the Experimental methods & instrumentation chapter, including a detailed step-by-step manual of the process developed in this work to create and attach a sensor stack for ultrasonic interrogation based on low-cost off-the-shelf piezo elements. The Results & discussion chapter opened with an in-depth electrochemical and post-mortem interrogation to reverse engineer the battery cell design and its internal structure. The combination of inductively coupled plasma-optical emission spectrometry and incremental capacity analysis applied to three-electrode lab cells, constructed from the studied battery cell’s materials, allowed to identify the SoC ranges in which phase transitions and staging occur and thereby directly links changes in the ultrasonic signal properties with the state of the active materials, which makes this work stand out among other studies on ultrasound-based state estimation. Additional dilatometer experiments were able to prove that the measured effect in ultrasonic time of flight cannot originate from the thickness increase of the battery cells alone, as this thickness increase is smaller and in opposite direction to the change in time of flight. Therefore, changes in elastic modulus and density have to be responsible for the observed effect. The construction of the sensor stack from off-the-shelf piezo elements, its electromagnetic shielding, and attachment to both sides of the battery cells was treated in a subsequent section. Experiments verified the necessity of shielding and its negligible influence on the ultrasonic signals. A hypothesis describing the metal layer in the pouch foil to be the transport medium of an electrical coupling/distortion between sending and receiving sensor was formulated and tested. Impedance spectroscopy was shown to be a useful tool to characterize the resonant behavior of piezo elements and ensure the mechanical coupling of such to the surface of the battery cells. The excitation of the piezo elements by a raised cosine (RCn) waveform with varied center frequency in the range of 50 kHz to 250 kHz was studied in the frequency domain and the influence of the resonant behavior, as identified prior by impedance spectroscopy, on waveform and frequency content was evaluated to be uncritical. Therefore, the forced oscillation produced by this excitation was assumed to be mechanically coupled as ultrasonic waves into the battery cells. The ultrasonic waves transmitted through the battery cell were recorded by piezo elements on the opposing side. A first inspection of the raw, unprocessed signals identified the transmission of two main wave packages and allowed the identification of two major trends: the time of flight of ultrasonic wave packages decreases with the center frequency of the RCn waveform, and with state of charge. These trends were to be assessed further in the subsequent sections. Therefore, methods for the extraction of features (properties) from the ultrasonic signals were established, compared, and tested in a dedicated section. Several simple and advanced thresholding methods were compared with envelope-based and cross-correlation methods to estimate the time of flight (ToF). It was demonstrated that the envelope-based method yields the most robust estimate for the first and second wave package. This finding is in accordance with the literature stating that an envelope-based method is best suited for dispersive, absorptive media [204], to which lithium-ion batteries are counted. Respective trends were already suggested by the heatmap plots of the raw signals vs. RCn frequency and SoC. To enable such a robust estimate, an FIR filter had to be designed to preprocess the transmitted signals and thereby attenuate frequency components that verifiably lead to a distorted shape of the envelope. With a robust ToF estimation method selected, the characterization of the signal properties ToF and transmitted energy content (EC) was performed in-depth. A study of cycle-to-cycle variations unveiled that the signal properties are affected by a long rest period and the associated relaxation of the multi-particle system “battery cell” to equilibrium. In detail, during cycling, the signal properties don’t reach the same value at a given SoC in two subsequent cycles if the first of the two cycles follows a long rest period. In accordance with the literature, a break-in period, making up for more than ten cycles post-formation, was observed. During this break-in period, the mechanical properties of the system are said to change until a steady state is reached [25]. Experiments at different C-rate showed that ultrasonic signal properties can sense the non-equilibrium state of a battery cell, characterized by an increasing area between charge and discharge curve of the respective signal property vs. SoC plot. This non-equilibrium state relaxes in the rest period following the discharge after the cut-off voltage is reached. The relaxation in the rest period following the charge is much smaller and shows little C-rate dependency as the state is prepared by constant voltage charging at the end of charge voltage. For a purely statistical SoC estimation approach, as employed in this work, where only instantaneous measurements are taken into account and the historic course of the measurement is not utilized as a source of information, the presence of hysteresis and relaxation leads to a reduced estimation accuracy. Future research should address this issue or even utilize the relaxation to improve the estimation accuracy, by incorporating historic information, e.g., by using the derivative of a signal property as an additional feature. The signal properties were then tested for their correlation with SoC as a function of RCn frequency. This allowed identifying trends in the behavior of the signal properties as a function of RCn frequency and C-rate in a condensed fashion and thereby enabled to predict the frequency range, about 50 kHz to 125 kHz, in which the course of the signal properties is best suited for SoC estimation. The final section provided a proof of concept of the ultrasound-based SoC estimation, by applying a support vector regression (SVR) to before thoroughly studied ultrasonic signal properties, as well as current and battery cell voltage. The included case study was split into different parts that assessed the ability of an SVR to estimate the SoC in a variety of scenarios. Seven battery cells, prepared with sensor stacks attached to both faces, were used to generate 14 datasets. First, a comparison of self-tests, where a portion of a dataset is used for training and another for testing, and cross-tests, which use the dataset of one cell for training and the dataset of another for testing, was performed. A root mean square error (RMSE) of 3.9% to 4.8% SoC and 3.6% to 10.0% SoC was achieved, respectively. In general, it was observed that the SVR is prone to overestimation at low SoCs and underestimation at high SoCs, which was attributed to the pronounced hysteresis and relaxation of the ultrasonic signal properties in this SoC ranges. The fact that higher accuracy is achieved, if the exact cell is known to the model, indicates that a variation between cells exists. This variation between cells can originate from differences in mechanical properties as a result of production variations or from differences in manual sensor placement, mechanical coupling, or resonant behavior of the ultrasonic sensors. To mitigate the effect of the cell-to-cell variations, a test was performed, where the datasets of six out of the seven cells were combined as training data, and the dataset of the seventh cell was used for testing. This reduced the spread of the RMSE from (3.6 - 10.0)% SoC to (5.9 – 8.5)% SoC, respectively, once again stating that a databased approach for state estimation becomes more reliable with a large data basis. Utilizing self-tests on seven datasets, the effect of additional features on the state estimation result was tested. The involvement of an additional feature did not necessarily improve the estimation accuracy, but it was shown that a combination of ultrasonic and electrical features is superior to the training with these features alone. To test the ability of the model to estimate the SoC in unknown cycling conditions, a test was performed where the C-rate of the test dataset was not included in the training data. The result suggests that for practical applications it might be sufficient to perform training with the boundary of the use cases in a controlled laboratory environment to handle the estimation in a broad spectrum of use cases. In comparison with literature, this study stands out by utilizing and modifying off-the-shelf piezo elements to equip state-of-the-art lithium-ion battery cells with ultrasonic sensors, employing a range of center frequencies for the waveform, transmitted through the battery cell, instead of a fixed frequency and by allowing the SVR to choose the frequency that yields the best result. The characterization of the ultrasonic signal properties as a function of RCn frequency and SoC and the assignment of characteristic changes in the signal properties to electrochemical processes, such as phase transitions and staging, makes this work unique. By studying a range of use cases, it was demonstrated that an improved SoC estimation accuracy can be achieved with the aid of ultrasonic measurements – thanks to the correlation of the mechanical properties of the battery cells with the SoC. N2 - Diese Arbeit bot dem Leser eine Einführung in alle Bereiche an, die relevant sind um eine ultraschallbasierte Ladungszustandsbestimmung (Ladezustand – engl.: state of charge, SoC) umzusetzen, und zeigt einen Weg auf, wie ein solcher Ansatz in seinen Grundlagen geprüft und umgesetzt werden kann. Hierzu wurde ein Bogen gespannt von einer eingehenden elektrochemischen Charakterisierung der untersuchten Batteriezellen über die Etablierung der Messtechnik, die digitale Verarbeitung von Ultraschalltransmissionssignalen und die Charakterisierung der Ladezustands-abhängigen Eigenschaftsänderungen dieser Signale bis hin zu einem Proof-of-Concept für eine ultraschallbasierte Ladezustandsbestimmung. Das Kapitel „State of the art & theoretical background“ konzentrierte sich in einem Abschnitt über Batterien auf die Veränderungen der physikalischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien während des Betriebs und der Alterung. Um die Grundlage für die spätere Untersuchung zu schaffen, wurden die Komponenten und die Prozesse zur Herstellung einer Batteriezelle beschrieben. Anschließend wurde ein umfassender Überblick über die Methoden zur Zustandsschätzung gegeben, wobei der Schwerpunkt auf den mechanischen Methoden lag, einschließlich einer kritischen Zusammenstellung der neuesten Forschungsergebnisse zur ultraschallbasierten Zustandsbestimmung. Danach wurden die Grundlagen der zerstörungsfreien Bewertung mit Ultraschall vorgestellt, beginnend mit den Schallausbreitungsmoden in isotropen, unbegrenzten Medien, gefolgt von der Einführung von Grenzen und nicht-isotropen Strukturen, um sich schließlich der Klasse der flüssigkeitsgesättigten porösen Medien zu nähern, zu denen Batterien gezählt werden können. Da die Verarbeitung der durch die Lithium-Ionen-Batteriezellen übertragenen Ultraschallsignale mit dem Ziel der Merkmalsextraktion eines der Hauptziele dieser Arbeit war, wurden die Grundlagen der digitalen Signalverarbeitung und Methoden zur Laufzeitschätzung in einem eigenen Abschnitt behandelt und verglichen. Alle verfügbaren Informationen über die abgefragte Batteriezelle und die verwendeten Messgeräte wurden im Kapitel „Experimental methods & instrumentation“ zusammengestellt, einschließlich einer detaillierten Schritt-für-Schritt-Anleitung des in dieser Arbeit entwickelten Verfahrens zur Erstellung und Anbringung einer Sensoranordnung für die Ultraschallprüfung auf der Grundlage kostengünstiger, handelsüblicher Piezoelemente. Das Kapitel „Results & discussion“ begann mit einer eingehenden elektrochemischen und Post-Mortem-Untersuchung, um das Design der Batteriezelle und ihre interne Struktur zu untersuchen. Durch die Kombination von induktiv gekoppelter Plasma-optischer Emissionsspektrometrie und inkrementeller Kapazitätsanalyse an Drei-Elektroden-Laborzellen, die aus den Materialien der untersuchten Batteriezelle konstruiert wurden, konnten die SoC-Bereiche identifiziert werden, in denen Phasenübergänge auftreten, wodurch Änderungen der Ultraschallsignaleigenschaften direkt mit dem Zustand der Aktivmaterialien verknüpft werden, was diese Arbeit unter anderen Studien zur ultraschallbasierten Zustandsschätzung hervorhebt. Durch zusätzliche Dilatometer-experimente konnte nachgewiesen werden, dass der gemessene Effekt in der Ultraschalllaufzeit nicht allein von der Volumenänderung der Batteriezellen herrühren kann, da diese Volumenänderung kleiner ist und in die Gegenrichtung zur Änderung der Laufzeit verläuft. Entsprechend müssen Änderungen in E-Modul und Dichte der Aktivmaterialien für den beobachteten Effekt verantwortlich sein. Der Aufbau der Sensoranordnung aus handelsüblichen Piezoelementen, seine elektromagnetische Abschirmung und die Befestigung an beiden Seiten der Batteriezellen wurden in einem späteren Abschnitt behandelt. Experimente bestätigten die Notwendigkeit dieser Abschirmung und ihren vernachlässigbaren Einfluss auf die Ultraschallsignale. Es wurde eine Hypothese formuliert, die die Metallschicht in der Pouch-Folie als Transportmedium einer elektrischen Kopplung/Übersprechens zwischen Sende- und Empfangssensor beschreibt. Die Impedanzspektroskopie erwies sich als nützliches Werkzeug zur Charakterisierung des Resonanzverhaltens der Piezoelemente und zur Sicherstellung der mechanischen Kopplung dieser Elemente mit der Oberfläche der Batteriezellen. Die Anregung der Piezoelemente durch eine Raised-Cosine-Wellenform (RCn) mit variierter Mittenfrequenz im Bereich von 50 kHz bis 250 kHz wurde mittels Fourier-Transformation im Frequenzraum untersucht. Der Einfluss des Resonanzverhaltens, welches zuvor durch die Impedanzspektroskopie ermittelt wurde, auf die Wellenform und den Frequenzinhalt wurde als unkritisch bewertet. Daher wurde angenommen, dass die durch die RCn Anregung erzeugte erzwungene Schwingung mechanisch als Ultraschallwellen in die Batteriezellen eingekoppelt wird. Die durch die Batteriezelle transmittierten Ultraschallwellen wurden von Piezoelementen auf der gegenüberliegenden Seite aufgezeichnet. Eine erste Prüfung der rohen, unverarbeiteten Signale ergab die Übertragung von zwei Hauptwellenpaketen und ermöglichte die Identifizierung von zwei Haupttrends: Die Laufzeit der Ultraschallwellenpakete nimmt mit der Mittenfrequenz, der RCn-Wellenform und mit dem Ladezustand ab. Diese Trends sollten in den folgenden Abschnitten weiter bewertet werden. Daher wurden in einem eigenen Abschnitt Methoden zur Extraktion von Merkmalen (Eigenschaften) aus den Ultraschallsignalen implementiert, verglichen und getestet. Mehrere einfache und fortgeschrittene Schwellenwertverfahren wurden mit hüllkurvenbasierten und Kreuzkorrelationsverfahren zur Schätzung der Laufzeit (engl.: „time of flight“, ToF) verglichen. Es wurde gezeigt, dass die hüllkurvenbasierte Methode die stabilste Schätzung für das erste und zweite Wellenpaket liefert. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Literatur, die beschreibt, dass eine hüllkurvenbasierte Methode am besten für dispersive, absorbierende Medien [234], wie z. B. Lithium-Ionen-Batterien, geeignet ist, was bereits durch die Heatmap-Diagramme der Rohsignale aufgetragen gegen RCn-Frequenz und SoC suggeriert wurde. Um eine solche robuste Laufzeit-Schätzung zu ermöglichen, musste ein FIR-Filter implementiert werden, der die übertragenen Signale vorverarbeitet und dabei Frequenzkomponenten abschwächt, die nachweislich zu einer verzerrten Form der Hüllkurve führen. Nach der Auswahl einer robusten Methode zur ToF-Schätzung die Signaleigenschaften ToF und übertragener Energiegehalt (engl.: energy content, EC) eingehend charakterisiert. Eine Untersuchung der Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen ergab, dass die Signaleigenschaften durch eine lange Ruhephase und die damit verbundene Relaxation des Vielteilchensystems "Batteriezelle" bis zur Erreichung des Gleichgewichtzustands beeinflusst werden. Die Signaleigenschaften erreichten während des Zyklus nicht den gleichen Wert bei einem bestimmten SoC in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen, wenn der erste der beiden Zyklen auf eine lange Ruhephase folgte. In Übereinstimmung mit der Literatur wurde eine Einlaufphase (engl.: „break-in period“) beobachtet, die mehr als zehn Zyklen nach der Formierung umfasst. Während dieser Einlaufphase ändern sich die mechanischen Eigenschaften des Systems, bis ein stabiler Zustand erreicht ist [25]. Experimente bei unterschiedlichen C-Raten zeigten, dass die Ultraschallsignaleigenschaften sensitiv für den Nicht-Gleichgewichtszustand einer Batteriezelle sind, der durch eine zunehmende Fläche zwischen der Lade- und Entladekurve der jeweiligen Signaleigenschaft in der Auftragung über SoC gekennzeichnet ist. Dieser Nicht-Gleichgewichtszustand entspannt sich in der Ruhephase nach der Entladung, nachdem die Abschaltspannung erreicht ist. Die Relaxation in der Ruhephase nach dem Laden ist wesentlich geringer und zeigt kaum eine Abhängigkeit von der C-Rate, da der Zustand durch Laden mit konstanter Spannung nach Erreichen der Ladeschlussspannung präpariert wird. Bei einem rein statistischen SoC-Bestimmungsansatz, wie er in dieser Arbeit verwendet wird, bei dem nur instantane Messwerte berücksichtigt werden und die historischen Messwerte nicht als Informationsquelle genutzt wird, führt das Vorhandensein von Hysterese und Relaxation zu einer geringeren Schätzgenauigkeit. Zukünftige Forschungsarbeiten sollten sich mit diesem Problem befassen oder sogar die Relaxation zur Verbesserung der Bestimmungsgenauigkeit nutzen, indem historische Informationen einbezogen werden, z. B. durch Verwendung der Ableitung einer Signaleigenschaft als zusätzliches Merkmal. Die Signaleigenschaften wurden dann auf ihre Korrelation mit SoC als Funktion der RCn-Frequenz getestet. Dies ermöglichte es, Trends innerhalb der Daten in verdichteter Form zu identifizieren und dadurch den Frequenzbereich (etwa 50 kHz bis 125 kHz) vorherzusagen, in dem der Verlauf der Signaleigenschaften am besten für die SoC-Bestimmung geeignet ist. Im letzten Abschnitt wurde ein Proof-of-Concept für die ultraschallbasierte SoC-Schätzung erbracht, indem eine Support-Vektor-Regression (SVR) auf die zuvor eingehend untersuchten Ultraschallsignaleigenschaften sowie auf Strom und Zellspannung der Batterie angewendet wurde. Die enthaltene Fallstudie war in verschiedene Teile aufgeteilt, die die Fähigkeit einer SVR zur Bestimmung des SoC in einer Vielzahl von Szenarien bewerteten. Sieben Batteriezellen, die mit jeweils zwei Sensoranordnungen auf gegenüberliebenden Seiten präpariert wurden, dienten zur Erzeugung von 14 Datensätzen. Zunächst wurde ein Vergleich zwischen Selbsttests, bei denen ein Teil eines Datensatzes zum Training und ein anderer zum Testen verwendet wird, und Kreuztests, bei denen der Datensatz einer Zelle zum Training und der einer anderen zum Testen verwendet wird, durchgeführt. Dabei wurde ein mittlerer Fehler von 3,9% bis 4,8% SoC bzw. 3,6% bis 10,0% SoC erreicht. Im Allgemeinen wurde festgestellt, dass die SVR bei niedrigen SoCs zu einer Überschätzung und bei hohen SoCs zu einer Unterschätzung neigt, was auf die ausgeprägte Hysterese und Relaxation der Ultraschallsignaleigenschaften in diesen SoC-Bereichen zurückgeführt wurde. Die Tatsache, dass eine höhere Genauigkeit erreicht wird, wenn die genaue Zelle dem Regressionsmodell bekannt ist, deutet darauf hin, dass eine Variation zwischen den Zellen besteht. Diese Variation zwischen den Zellen kann auf Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften infolge von Produktionsschwankungen oder auf Unterschiede in der manuellen Sensorplatzierung, der mechanischen Kopplung oder dem Resonanzverhalten der Ultraschallsensoren zurückzuführen sein. Um die Auswirkungen der Schwankungen zwischen den Zellen auf die Schätzgenauigkeit abzuschwächen, wurde ein Test durchgeführt, bei dem die Datensätze von sechs der sieben Zellen als Trainingsdaten kombiniert wurden und der Datensatz der siebten Zelle für den Test verwendet wurde. Dadurch verringerte sich die Streuung des mittleren Fehlers von (3,6 - 10,0)% SoC auf (5,9 - 8,5)% SoC, was einmal mehr zeigt, dass ein datenbasierter Ansatz zur Zustandsbestimmung durch eine großen Datenbasis zuverlässiger wird. Anhand von Selbsttests mit sieben Datensätzen wurde die Auswirkung zusätzlicher Merkmale auf das Ergebnis der Zustandsbestimmung getestet. Die Einbeziehung eines zusätzlichen Merkmals verbesserte nicht unbedingt die Schätzgenauigkeit, aber es wurde gezeigt, dass eine Kombination von Ultraschall- und elektrischen Merkmalen dem Training mit diesen Merkmalen allein überlegen ist. Um die Fähigkeit des Modells zur Bestimmung des Ladezustands unter unbekannten Zyklusbedingungen zu testen, wurde ein Test durchgeführt, bei dem die C-Rate des Testdatensatzes nicht in den Trainingsdaten enthalten war. Das Ergebnis deutet darauf hin, dass es für praktische Anwendungen ausreichend sein könnte, das Training mit Datensätzen unter den Grenzbedingungen der Anwendungsfälle in einer kontrollierten Laborumgebung durchzuführen, um die Schätzung in einem breiten Spektrum von Anwendungsfällen zu bewältigen. Im Vergleich zur Literatur hebt sich diese Studie dadurch ab, dass handelsübliche Piezoelemente verwendet und modifiziert wurden, um moderne Lithium-Ionen-Batteriezellen mit Ultraschallsensoren auszustatten, wobei eine Reihe von Mittenfrequenzen für die durch die Batteriezelle übertragene Wellenform anstelle einer festen Frequenz verwendet wird und der SVR die Frequenz wählen kann, die das beste Ergebnis liefert. Die Charakterisierung der Ultraschallsignaleigenschaften als Funktion der RCn-Frequenz und des SoC sowie die Zuordnung charakteristischer Veränderungen der Signaleigenschaften zu elektrochemischen Prozessen wie den Phasenübergängen in den Aktivmaterialien machen diese Arbeit einzigartig. Durch die Untersuchung einer Reihe von Anwendungsfällen konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe von Ultraschallmessungen eine verbesserte SoC-Abschätzungsgenauigkeit erreicht werden kann - dank der Korrelation der mechanischen Eigenschaften der Batteriezellen mit dem SoC. KW - Lithium-Ionen-Akkumulator KW - Ultraschallprüfung KW - Digitale Signalverarbeitung KW - Maschinelles Lernen KW - Ultraschall KW - State Estimation KW - Zustandserkennung KW - Lithium-Ionen-Batterie KW - Lithium-ion Battery KW - Support Vector Regression Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-306180 ER -