TY - THES A1 - Spinner, Simon T1 - Self-Aware Resource Management in Virtualized Data Centers T1 - Selbstwahrnehmende Ressourcenverwaltung in virtualisierten Rechenzentren N2 - Enterprise applications in virtualized data centers are often subject to time-varying workloads, i.e., the load intensity and request mix change over time, due to seasonal patterns and trends, or unpredictable bursts in user requests. Varying workloads result in frequently changing resource demands to the underlying hardware infrastructure. Virtualization technologies enable sharing and on-demand allocation of hardware resources between multiple applications. In this context, the resource allocations to virtualized applications should be continuously adapted in an elastic fashion, so that "at each point in time the available resources match the current demand as closely as possible" (Herbst el al., 2013). Autonomic approaches to resource management promise significant increases in resource efficiency while avoiding violations of performance and availability requirements during peak workloads. Traditional approaches for autonomic resource management use threshold-based rules (e.g., Amazon EC2) that execute pre-defined reconfiguration actions when a metric reaches a certain threshold (e.g., high resource utilization or load imbalance). However, many business-critical applications are subject to Service-Level-Objectives defined on an application performance metric (e.g., response time or throughput). To determine thresholds so that the end-to-end application SLO is fulfilled poses a major challenge due to the complex relationship between the resource allocation to an application and the application performance. Furthermore, threshold-based approaches are inherently prone to an oscillating behavior resulting in unnecessary reconfigurations. In order to overcome the deficiencies of threshold-based approaches and enable a fully automated approach to dynamically control the resource allocations of virtualized applications, model-based approaches are required that can predict the impact of a reconfiguration on the application performance in advance. However, existing model-based approaches are severely limited in their learning capabilities. They either require complete performance models of the application as input, or use a pre-identified model structure and only learn certain model parameters from empirical data at run-time. The former requires high manual efforts and deep system knowledge to create the performance models. The latter does not provide the flexibility to capture the specifics of complex and heterogeneous system architectures. This thesis presents a self-aware approach to the resource management in virtualized data centers. In this context, self-aware means that it automatically learns performance models of the application and the virtualized infrastructure and reasons based on these models to autonomically adapt the resource allocations in accordance with given application SLOs. Learning a performance model requires the extraction of the model structure representing the system architecture as well as the estimation of model parameters, such as resource demands. The estimation of resource demands is a key challenge as they cannot be observed directly in most systems. The major scientific contributions of this thesis are: - A reference architecture for online model learning in virtualized systems. Our reference architecture is based on a set of model extraction agents. Each agent focuses on specific tasks to automatically create and update model skeletons capturing its local knowledge of the system and collaborates with other agents to extract the structural parts of a global performance model of the system. We define different agent roles in the reference architecture and propose a model-based collaboration mechanism for the agents. The agents may be bundled within virtual appliances and may be tailored to include knowledge about the software stack deployed in a specific virtual appliance. - An online method for the statistical estimation of resource demands. For a given request processed by an application, the resource time consumed for a specified resource within the system (e.g., CPU or I/O device), referred to as resource demand, is the total average time the resource is busy processing the request. A request could be any unit of work (e.g., web page request, database transaction, batch job) processed by the system. We provide a systematization of existing statistical approaches to resource demand estimation and conduct an extensive experimental comparison to evaluate the accuracy of these approaches. We propose a novel method to automatically select estimation approaches and demonstrate that it increases the robustness and accuracy of the estimated resource demands significantly. - Model-based controllers for autonomic vertical scaling of virtualized applications. We design two controllers based on online model-based reasoning techniques in order to vertically scale applications at run-time in accordance with application SLOs. The controllers exploit the knowledge from the automatically extracted performance models when determining necessary reconfigurations. The first controller adds and removes virtual CPUs to an application depending on the current demand. It uses a layered performance model to also consider the physical resource contention when determining the required resources. The second controller adapts the resource allocations proactively to ensure the availability of the application during workload peaks and avoid reconfiguration during phases of high workload. We demonstrate the applicability of our approach in current virtualized environments and show its effectiveness leading to significant increases in resource efficiency and improvements of the application performance and availability under time-varying workloads. The evaluation of our approach is based on two case studies representative of widely used enterprise applications in virtualized data centers. In our case studies, we were able to reduce the amount of required CPU resources by up to 23% and the number of reconfigurations by up to 95% compared to a rule-based approach while ensuring full compliance with application SLO. Furthermore, using workload forecasting techniques we were able to schedule expensive reconfigurations (e.g., changes to the memory size) during phases of load load and thus were able to reduce their impact on application availability by over 80% while significantly improving application performance compared to a reactive controller. The methods and techniques for resource demand estimation and vertical application scaling were developed and evaluated in close collaboration with VMware and Google. N2 - Unternehmensanwendungen in virtualisierten Rechenzentren unterliegen häufig zeitabhängigen Arbeitslasten, d.h. die Lastintensität und der Anfragemix ändern sich mit der Zeit wegen saisonalen Mustern und Trends, sowie unvorhergesehenen Lastspitzen bei den Nutzeranfragen. Variierende Arbeitslasten führen dazu, dass sich die Ressourcenanforderungen an die darunterliegende Hardware-Infrastruktur häufig ändern. Virtualisierungstechniken erlauben die gemeinsame Nutzung und bedarfsgesteuerte Zuteilung von Hardware-Ressourcen zwischen mehreren Anwendungen. In diesem Zusammenhang sollte die Zuteilung von Ressourcen an virtualisierte Anwendungen fortwährend in einer elastischen Art und Weise angepasst werden, um sicherzustellen, dass "zu jedem Zeitpunkt die verfügbaren Ressourcen dem derzeitigen Bedarf möglichst genau entsprechen" (Herbst et al., 2013). Autonome Ansätze zur Ressourcenverwaltung versprechen eine deutliche Steigerung der Ressourceneffizienz wobei Verletzungen der Anforderungen hinsichtlich Performanz und Verfügbarkeit bei Lastspitzen vermieden werden. Herkömmliche Ansätze zur autonomen Ressourcenverwaltung nutzen feste Regeln (z.B., Amazon EC2), die vordefinierte Rekonfigurationen durchführen sobald eine Metrik einen bestimmten Schwellwert erreicht (z.B., hohe Ressourcenauslastung oder ungleichmäßige Lastverteilung). Viele geschäftskritische Anwendungen unterliegen jedoch Zielvorgaben hinsichtlich der Dienstgüte (SLO, engl. Service Level Objectives), die auf Performanzmetriken der Anwendung definiert sind (z.B., Antwortzeit oder Durchsatz). Die Bestimmung von Schwellwerten, sodass die Ende-zu-Ende Anwendungs-SLOs erfüllt werden, stellt aufgrund des komplexen Zusammenspiels zwischen der Ressourcenzuteilung und der Performanz einer Anwendung eine bedeutende Herausforderung dar. Des Weiteren sind Ansätze basierend auf Schwellwerten inhärent anfällig für Oszillationen, die zu überflüssigen Rekonfigurationen führen können. Um die Schwächen schwellwertbasierter Ansätze zu lösen und einen vollständig automatisierten Ansatz zur dynamischen Steuerung von Ressourcenzuteilungen virtualisierter Anwendungen zu ermöglichen, bedarf es modellbasierter Ansätze, die den Einfluss einer Rekonfiguration auf die Performanz einer Anwendung im Voraus vorhersagen können. Bestehende modellbasierte Ansätze sind jedoch stark eingeschränkt hinsichtlich ihrer Lernfähigkeiten. Sie erfordern entweder vollständige Performanzmodelle der Anwendung als Eingabe oder nutzen vorbestimmte Modellstrukturen und lernen nur bestimmte Modellparameter auf Basis von empirischen Daten zur Laufzeit. Erstere erfordern hohe manuelle Aufwände und eine tiefe Systemkenntnis um die Performanzmodelle zu erstellen. Letztere bieten nur eingeschränkte Möglichkeiten um die Besonderheiten von komplexen und heterogenen Systemarchitekturen zu erfassen. Diese Arbeit stellt einen selbstwahrnehmenden (engl. self-aware) Ansatz zur Ressourcenverwaltung in virtualisierten Rechenzentren vor. In diesem Zusammenhang bedeutet Selbstwahrnehmung, dass der Ansatz automatisch Performanzmodelle der Anwendung und der virtualisierten Infrastruktur lernt Basierend auf diesen Modellen entscheidet er autonom wie die Ressourcenzuteilungen angepasst werden, um die Anwendungs-SLOs zu erfüllen. Das Lernen von Performanzmodellen erfordert sowohl die Extraktion der Modellstruktur, die die Systemarchitektur abbildet, als auch die Schätzung von Modellparametern, wie zum Beispiel der Ressourcenverbräuche einzelner Funktionen. Die Schätzung der Ressourcenverbräuche stellt hier eine zentrale Herausforderung dar, da diese in den meisten Systemen nicht direkt gemessen werden können. Die wissenschaftlichen Hauptbeiträge dieser Arbeit sind wie folgt: - Eine Referenzarchitektur, die das Lernen von Modellen in virtualisierten Systemen während des Betriebs ermöglicht. Unsere Referenzarchitektur basiert auf einer Menge von Modellextraktionsagenten. Jeder Agent fokussiert sich auf bestimmte Aufgaben um automatisch ein Modellskeleton, das sein lokales Wissen über das System erfasst, zu erstellen und zu aktualisieren. Jeder Agent arbeitet mit anderen Agenten zusammen um die strukturellen Teile eines globalen Performanzmodells des Systems zu extrahieren. Die Rereferenzarchitektur definiert unterschiedliche Agentenrollen und beinhaltet einen modellbasierten Mechanismus, der die Kooperation unterschiedlicher Agenten ermöglicht. Die Agenten können als Teil virtuellen Appliances gebündelt werden und können dabei maßgeschneidertes Wissen über die Software-Strukturen in dieser virtuellen Appliance beinhalten. - Eine Methode zur fortwährenden statistischen Schätzung von Ressourcenverbräuchen. Der Ressourcenverbrauch (engl. resource demand) einer Anfrage, die von einer Anwendung verarbeitet wird, entspricht der Zeit, die an einer spezifischen Ressource im System (z.B., CPU oder I/O-Gerät) verbraucht wird. Eine Anfrage kann dabei eine beliebige Arbeitseinheit, die von einem System verarbeitet wird, darstellen (z.B. eine Webseitenanfrage, eine Datenbanktransaktion, oder ein Stapelverarbeitungsauftrag). Die vorliegende Arbeit bietet eine Systematisierung existierender Ansätze zur statistischen Schätzung von Ressourcenverbräuchen und führt einen umfangreichen, auf Experimenten aufbauenden Vergleich zur Bewertung der Genauigkeit dieser Ansätze durch. Es wird eine neuartige Methode zur automatischen Auswahl eines Schätzverfahrens vorgeschlagen und gezeigt, dass diese die Robustheit und Genauigkeit der geschätzten Ressourcenverbräuche maßgeblich verbessert. - Modellbasierte Regler für das autonome, vertikale Skalieren von virtualisierten Anwendungen. Es werden zwei Regler entworfen, die auf modellbasierten Entscheidungstechniken basieren, um Anwendungen zur Laufzeit vertikal in Übereinstimmung mit Anwendungs-SLOs zu skalieren. Die Regler nutzen das Wissen aus automatisch extrahierten Performanzmodellen bei der Bestimmung notwendiger Rekonfigurationen. Der erste Regler fügt virtuelle CPUs zu Anwendungen hinzu und entfernt sie wieder in Abhängigkeit vom aktuellen Bedarf. Er nutzt ein geschichtetes Performanzmodell, um bei der Bestimmung der benötigten Ressourcen die Konkurrenzsituation der physikalischen Ressourcen zu beachten. Der zweite Regler passt Ressourcenzuteilungen proaktiv an, um die Verfügbarkeit einer Anwendung während Lastspitzen sicherzustellen und Rekonfigurationen unter großer Last zu vermeiden. Die Arbeit demonstriert die Anwendbarkeit unseres Ansatzes in aktuellen virtualisierten Umgebungen und zeigt seine Effektivität bei der Erhöhung der Ressourceneffizienz und der Verbesserung der Anwendungsperformanz und -verfügbarkeit unter zeitabhängigen Arbeitslasten. Die Evaluation des Ansatzes basiert auf zwei Fallstudien, die repräsentativ für gängige Unternehmensanwendungen in virtualisierten Rechenzentren sind. In den Fallstudien wurde eine Reduzierung der benötigten CPU-Ressourcen von bis zu 23% und der Anzahl der Rekonfigurationen von bis zu 95% im Vergleich zu regel-basierten Ansätzen erreicht, bei gleichzeitiger Erfüllung der Anwendungs-SLOs. Mit Hilfe von Vorhersagetechniken für die Arbeitslast konnten außerdem aufwändige Rekonfigurationen (z.B., Änderungen bei der Menge an zugewiesenem Arbeitsspeicher) so geplant werden, dass sie in Phasen geringer Last durchgeführt werden. Dadurch konnten deren Auswirkungen auf die Verfügbarkeit der Anwendung um mehr als 80% verringert werden bei gleichzeitiger Verbesserung der Anwendungsperformanz verglichen mit einem reaktiven Regler. Die Methoden und Techniken zur Schätzung von Ressourcenverbräuchen und zur vertikalen Skalierung von Anwendungen wurden in enger Zusammenarbeit mit VMware und Google entwickelt und evaluiert. KW - Cloud Computing KW - Virtualisierung KW - Leistungsbewertung KW - Autonomic Computing KW - Self-Aware Computing KW - Model extraction Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-153754 ER - TY - JOUR A1 - Strohmeier, Michael A1 - Montenegro, Sergio T1 - Coupled GPS/MEMS IMU Attitude Determination of Small UAVs with COTS JF - Electronics N2 - This paper proposes an attitude determination system for small Unmanned Aerial Vehicles (UAV) with a weight limit of 5 kg and a small footprint of 0.5m x 0.5 m. The system is realized by coupling single-frequency Global Positioning System (GPS) code and carrier-phase measurements with the data acquired from a Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) Inertial Measurement Unit (IMU) using consumer-grade Components-Off-The-Shelf (COTS) only. The sensor fusion is accomplished using two Extended Kalman Filters (EKF) that are coupled by exchanging information about the currently estimated baseline. With a baseline of 48 cm, the static heading accuracy of the proposed system is comparable to the one of a commercial single-frequency GPS heading system with an accuracy of approximately 0.25°/m. Flight testing shows that the proposed system is able to obtain a reliable and stable GPS heading estimation without an aiding magnetometer. KW - Attitude Heading Reference System (AHRS) KW - magnetometer KW - MEMS IMU KW - Real-time Kinematics (RTK) KW - GPS KW - UAV KW - attitude determination Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-171179 VL - 6 IS - 1 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 - JOUR A1 - Uri, Anna A1 - Werner, Sandra A1 - Lühder, Fred A1 - Hünig, Thomas A1 - Kerkau, Thomas A1 - Beyersdorf, Niklas T1 - Protection of mice from acute graft-versus-host disease requires CD28 co-stimulation on donor CD4\(^{+}\) Foxp3\(^{+}\) regulatory T Cells JF - Frontiers in Immunology N2 - Acute graft-versus-host disease (aGvHD) is a major cause of morbidity and mortality after allogeneic hematopoietic stem cell plus T cell transplantation (allo-HSCT). In this study, we investigated the requirement for CD28 co-stimulation of donor CD4\(^{+}\) conventional (CD4\(^{+}\)CD25\(^{-}\)Foxp3\(^{-}\), Tconv) and regulatory (CD4\(^{+}\)CD25\(^{+}\)Foxp3\(^{+}\), Treg) T cells in aGvHD using tamoxifen-inducible CD28 knockout (iCD28KO) or wild-type (wt) littermates as donors of CD4\(^{+}\) Tconv and Treg. In the highly inflammatory C57BL/6 into BALB/c allo-HSCT transplantation model, CD28 depletion on donor CD4\(^{+}\) Tconv reduced clinical signs of aGvHD, but did not significantly prolong survival of the recipient mice. Selective depletion of CD28 on donor Treg did not abrogate protection of recipient mice from aGvHD until about day 20 after allo-HSCT. Later, however, the pool of CD28-depleted Treg drastically declined as compared to wt Treg. Consequently, only wt, but not CD28-deficient, Treg were able to continuously suppress aGvHD and induce long-term survival of the recipient mice. To our knowledge, this is the first study that specifically evaluates the impact of CD28 expression on donor Treg in aGvHD. Moreover, the delayed kinetics of aGvHD lethality after transplantation of iCD28KO Treg provides a novel animal model for similar disease courses found in patients after allo-HSCT. KW - co-stimulation, KW - inducible deletion KW - regulatory T cells KW - acute graft-versus-host disease KW - CD28 Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-158469 VL - 8 IS - 721 ER - TY - THES A1 - Künzel, Elena Carolin T1 - Zeitliche Untersuchung von Adipositas-Prävalenz und assoziierten Risikofaktoren während der Schwangerschaft T1 - Prevalence and Associated Risk Factors for Obesity During Pregnancy Over Time N2 - Einleitung: Die steigende Prävalenz adipöser Menschen führt weltweit zu einer relevanten Morbidität, die auch junge Frauen im geschlechtsreifen Alter betrifft. Damit gerät der Themenkomplex Adipositas und assoziierte Komplikationen auch im Hinblick auf die Versorgung Schwangerer in den Fokus. Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die Adipositasprävalenz und hiermit assoziierte maternale und fetale Risikofaktoren zwischen 2006 und 2011 in einem lokalen Kollektiv zu untersuchen. Material und Methoden: Die retrospektive Analyse umfasste alle maternalen und fetalen Daten von Patientinnen, die 2006 und 2011 an der Universitätsfrauenklinik Würzburg von einem Einling entbunden wurden. Die deskriptive Statistik umfasste die Prävalenz von Adipositas und Gewichtszunahme, maternale Risikofaktoren, Schwangerschaftskomplikationen und fetales Outcome. Ergebnisse: Unsere Analyse umfasste 2838 Patientinnen mit Einlingsgraviditäten, die in den Jahren 2006 (n=1292) und 2011 (n=1545) an der Uniklinik Würzburg entbunden haben. Es zeigte sich, dass weder der initiale BMI noch die Gewichtszunahme während der Schwangerschaft zwischen 2006 und 2011 signifikant anstiegen. Die Mehrheit der übergewichtigen (71%) oder adipösen (60,4%) Patientinnen überstieg die empfohlene Gewichtszunahme. Die Prävalenz von adipositasassoziierten Erkrankungen wie Gestationsdiabetes und Präeklampsie stiegen signifikant an und waren mit einem hohen initialen BMI assoziiert. Während Übergewichtigkeit nicht mit einer Terminüberschreitung assoziiert war, wurden adipöse Patientinnen signifikant häufiger per Sectio caesarea entbunden. Das Geburtsgewicht war 2011 signifikant höher als 2006, wobei keine signifikanten Änderungen im fetalen Outcome dargestellt werden konnten. Schlussfolgerung: Es gibt einen Trend zu vermehrter Gewichtszunahme während der Schwangerschaft. Assoziierte Risikofaktoren wie Gestationsdiabetes und Präeklampsie sind erhöht. N2 - Objective: To compare prevalence and associated risk factors of obesity during pregnancy in 2006 and 2011 Study Design: Maternal and fetal records of women who delivered at the University of Wuerzburg after a 5-year-period (2006 and 2011) were retrospectively analyzed concerning the prevalence of obesity and associated maternal and fetal complications Results: Our analyses included 2838 mothers with singleton pregnancies who delivered in 2006 (n=1293) or 2011 (n=1545) in our department. We observed that neither pre-pregnancy BMI nor weight gain increased significantly over time. But especially the majority of all included overweight (71%) or obese (60.4%) mothers gained more weight than recommended by the Institute of Medicine (IOM). Obesity-associated illnesses such as gestational diabetes and pre-existing hypertension increased significantly over time and were shown to be associated with high pre-pregnancy BMI as well as preeclampsia and gestational hypertension. Obesity was not associated with prolonged pregnancy but was significantly associated with cesarean section. Fetal birth weight was significantly increased in 2011 when compared to 2006, while fetal outcome for term infants did not seem to be impaired by maternal overweight or obesity. Conclusion: There is a trend to increasing weight gain during pregnancy and a majority of mothers especially those with a high pre-pregnancy BMI exceed weight gain recommendations. Associated risk factors such as gestational diabetes, hypertension and delivery by cesarean section are increased. KW - Fettsucht KW - Gestationsdiabetes KW - Eklampsie KW - Gestationsdiabetes KW - IOM-Kriterien KW - Adipositas KW - Kaiserschnitt KW - Makrosomie KW - gestational diabetes KW - obesity KW - Weight Gain During Pregnancy KW - macrosomia KW - cesarean section Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155544 ER - TY - JOUR A1 - Müller, Bettina A1 - Richter, Tobias A1 - Karageorgos, Panagiotis A1 - Krawietz, Sabine A1 - Ennemoser, Marco T1 - Effects of a syllable-based reading intervention in poor-reading fourth graders JF - Frontiers in Psychology N2 - In transparent orthographies, persistent reading fluency difficulties are a major cause of poor reading skills in primary school. The purpose of the present study was to investigate effects of a syllable-based reading intervention on word reading fluency and reading comprehension among German-speaking poor readers in Grade 4. The 16-session intervention was based on analyzing the syllabic structure of words to strengthen the mental representations of syllables and words that consist of these syllables. The training materials were designed using the 500 most frequent syllables typically read by fourth graders. The 75 poor readers were randomly allocated to the treatment or the control group. Results indicate a significant and strong effect on the fluency of recognizing single words, whereas text-level reading comprehension was not significantly improved by the training. The specific treatment effect provides evidence that a short syllable-based approach works even in older poor readers at the end of primary school. KW - word reading fluency KW - syllable-based intervention KW - older poor readers KW - primary school KW - reading comprehension Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-158841 VL - 8 IS - 1635 ER - TY - JOUR A1 - Flechsenhar, Aleya Felicia A1 - Gamer, Matthias T1 - Top-down influence on gaze patterns in the presence of social features JF - PLoS ONE N2 - Visual saliency maps reflecting locations that stand out from the background in terms of their low-level physical features have proven to be very useful for empirical research on attentional exploration and reliably predict gaze behavior. In the present study we tested these predictions for socially relevant stimuli occurring in naturalistic scenes using eye tracking. We hypothesized that social features (i.e. human faces or bodies) would be processed preferentially over non-social features (i.e. objects, animals) regardless of their low-level saliency. To challenge this notion, we included three tasks that deliberately addressed non-social attributes. In agreement with our hypothesis, social information, especially heads, was preferentially attended compared to highly salient image regions across all tasks. Social information was never required to solve a task but was regarded nevertheless. More so, after completing the task requirements, viewing behavior reverted back to that of free-viewing with heavy prioritization of social features. Additionally, initial eye movements reflecting potentially automatic shifts of attention, were predominantly directed towards heads irrespective of top-down task demands. On these grounds, we suggest that social stimuli may provide exclusive access to the priority map, enabling social attention to override reflexive and controlled attentional processes. Furthermore, our results challenge the generalizability of saliency-based attention models. KW - eye movements KW - social features KW - visual saliency KW - gaze KW - face KW - attention Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-170468 VL - 12 IS - 8 ER - TY - JOUR A1 - Ritzer, J. A1 - Lühmann, T. A1 - Rode, C. A1 - Pein-Hackelbusch, M. A1 - Immohr, I. A1 - Schedler, U. A1 - Thiele, T. A1 - Stübinger, S. A1 - Rechenberg, B.v. A1 - Waser-Althaus, J. A1 - Schlottig, F. A1 - Merli, M. A1 - Dawe, H. A1 - Karpíšek, M. A1 - Wyrwa, R. A1 - Schnabelrauch, M. A1 - Meinel, L. T1 - Diagnosing peri-implant disease using the tongue as a 24/7 detector JF - Nature Communications N2 - Our ability of screening broad communities for clinically asymptomatic diseases critically drives population health. Sensory chewing gums are presented targeting the tongue as 24/7 detector allowing diagnosis by “anyone, anywhere, anytime”. The chewing gum contains peptide sensors consisting of a protease cleavable linker in between a bitter substance and a microparticle. Matrix metalloproteinases in the oral cavity, as upregulated in peri-implant disease, specifically target the protease cleavable linker while chewing the gum, thereby generating bitterness for detection by the tongue. The peptide sensors prove significant success in discriminating saliva collected from patients with peri-implant disease versus clinically asymptomatic volunteers. Superior outcome is demonstrated over commercially available protease-based tests in saliva. “Anyone, anywhere, anytime” diagnostics are within reach for oral inflammation. Expanding this platform technology to other diseases in the future features this diagnostic as a massive screening tool potentially maximizing impact on population health. KW - peri-implant disease KW - sensory chewing gums KW - tongue KW - detector KW - peptide sensors Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-170471 VL - 8 IS - 264 ER - TY - JOUR A1 - Kraft, Peter A1 - Schuhmann, Michael K. A1 - Garz, Cornelia A1 - Jandke, Solveig A1 - Urlaub, Daniela A1 - Mencl, Stine A1 - Zernecke, Alma A1 - Heinze, Hans-Jochen A1 - Carare, Roxana O. A1 - Kleinschnitz, Christoph A1 - Schreiber, Stefanie T1 - Hypercholesterolemia induced cerebral small vessel disease JF - PLoS ONE N2 - Background While hypercholesterolemia plays a causative role for the development of ischemic stroke in large vessels, its significance for cerebral small vessel disease (CSVD) remains unclear. We thus aimed to understand the detailed relationship between hypercholesterolemia and CSVD using the well described Ldlr\(^{−/-}\) mouse model. Methods We used Ldlr\(^{−/-}\) mice (n = 16) and wild-type (WT) mice (n = 15) at the age of 6 and 12 months. Ldlr\(^{−/-}\) mice develop high plasma cholesterol levels following a high fat diet. We analyzed cerebral capillaries and arterioles for intravascular erythrocyte accumulations, thrombotic vessel occlusions, blood-brain barrier (BBB) dysfunction and microbleeds. Results We found a significant increase in the number of erythrocyte stases in 6 months old Ldlr\(^{−/-}\) mice compared to all other groups (P < 0.05). Ldlr\(^{−/-}\) animals aged 12 months showed the highest number of thrombotic occlusions while in WT animals hardly any occlusions could be observed (P < 0.001). Compared to WT mice, Ldlr\(^{−/-}\) mice did not display significant gray matter BBB breakdown. Microhemorrhages were observed in one Ldlr\(^{−/-}\) mouse that was 6 months old. Results did not differ when considering subcortical and cortical regions. Conclusions In Ldlr\(^{−/-}\) mice, hypercholesterolemia is related to a thrombotic CSVD phenotype, which is different from hypertension-related CSVD that associates with a hemorrhagic CSVD phenotype. Our data demonstrate a relationship between hypercholesterolemia and the development of CSVD. Ldlr\(^{−/-}\) mice appear to be an adequate animal model for research into CSVD. KW - hypercholesterolemia KW - cerebral small vessel disease KW - mouse model KW - histology Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-170493 VL - 12 IS - 8 ER - TY - JOUR A1 - Kredel, Markus A1 - Kunzmann, Steffen A1 - Schlegel, Paul-Gerhardt A1 - Wölfl, Matthias A1 - Nordbeck, Peter A1 - Bühler, Christoph A1 - Lotz, Christopher A1 - Lepper, Philipp M. A1 - Wirbelauer, Johannes A1 - Roewer, Norbert A1 - Muellenbach, Ralf M. T1 - Double Peripheral Venous and Arterial Cannulation for Extracorporeal Membrane Oxygenation in Combined Septic and Cardiogenic Shock JF - American Journal of Case Reports N2 - Background: The use of venoarterial extracorporeal membrane oxygenation (va-ECMO) via peripheral cannulation for septic shock is limited by blood flow and increased afterload for the left ventricle. Case Report: A 15-year-old girl with acute myelogenous leukemia, suffering from severe septic and cardiogenic shock, was treated by venoarterial extracorporeal membrane oxygenation (va-ECMO). Sufficient extracorporeal blood flow matching the required oxygen demand could only be achieved by peripheral cannulation of both femoral arteries. Venous drainage was performed with a bicaval cannula inserted via the left V. femoralis. To accomplish left ventricular unloading, an additional drainage cannula was placed in the left atrium via percutaneous atrioseptostomy (va-va-ECMO). Cardiac function recovered and the girl was weaned from the ECMO on day 6. Successful allogenic stem cell transplantation took place 2 months later. Conclusions: In patients with vasoplegic septic shock and impaired cardiac contractility, double peripheral venoarterial extracorporeal membrane oxygenation (va-va-ECMO) with transseptal left atrial venting can by a lifesaving option. KW - extracorporeal membrane oxygenation KW - myeloid KW - leukemia KW - acute KW - shock KW - cardiogenic KW - septic Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-158193 VL - 18 ER -