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The change of DNA radiation damage upon hydration: In-situ observations by near-ambient-pressure XPS
(2023)
Ionizing radiation damage to DNA plays a fundamental role in cancer therapy. X-ray photoelectron-spectroscopy (XPS) allows simultaneous irradiation and damage monitoring. Although water radiolysis is essential for radiation damage, all previous XPS studies were performed in vacuum. Here we present near-ambient-pressure XPS experiments to directly measure DNA damage under water atmosphere. They permit in-situ monitoring of the effects of radicals on fully hydrated double-stranded DNA. The results allow us to distinguish direct damage, by photons and secondary low-energy electrons (LEE), from damage by hydroxyl radicals or hydration induced modifications of damage pathways. The exposure of dry DNA to x-rays leads to strand-breaks at the sugar-phosphate backbone, while deoxyribose and nucleobases are less affected. In contrast, a strong increase of DNA damage is observed in water, where OH-radicals are produced. In consequence, base damage and base release become predominant, even though the number of strand-breaks increases further.
Dose enhancement by gold nanoparticles (AuNP) increases the biological effectiveness of radiation damage in biomolecules and tissue. To apply them effectively during cancer therapy their influence on the locally delivered dose has to be determined.[1] Hereby, the AuNP locations strongly influence the energy deposit in the nucleus, mitochondria, membrane and the cytosol of the targeted cells. To estimate these effects, particle scattering simulations are applied. In general, different approaches for modeling the AuNP and their distribution within the cell are possible. In this work, two newly developed continuous and discrete-geometric models for simulations of AuNP in cells are presented. [2] These models are applicable to simulations of internal emitters and external radiation sources. Most of the current studies on AuNP focus on external beam therapy. In contrast, we apply the presented models in Monte-Carlo particle scattering simulations to characterize the energy deposit in cell organelles by radioactive 198AuNP. They emit beta and gamma rays and are therefore considered for applications with solid tumors. Differences in local dose enhancement between randomly distributed and nucleus targeted nanoparticles are compared. Hereby nucleus targeted nanoparticels showed a strong local dose enhancement in the radio sensitive nucleus. These results are the foundation for ongoing experimental work which aims to obtain a mechanistic understanding of cell death induced by radioactive 198Au.
Ionizing radiation damage to DNA plays a fundamental role in cancer therapy. X-ray photoelectron-spectroscopy (XPS) allows simultaneous irradiation and damage monitoring. Although water radiolysis is essential for radiation damage, all previous XPS studies were performed in vacuum. Here we present near-ambient-pressure XPS experiments to directly measure DNA damage under water atmosphere. They permit in-situ monitoring of the effects of radicals on fully hydrated double-stranded DNA. The results allow us to distinguish direct damage, by photons and secondary low-energy electrons (LEE), from damage by hydroxyl radicals or hydration induced modifications of damage pathways. The exposure of dry DNA to x-rays leads to strand-breaks at the sugar-phosphate backbone, while deoxyribose and nucleobases are less affected. In contrast, a strong increase of DNA damage is observed in water, where OH-radicals are produced. In consequence, base damage and base release become predominant, even though the number of strand-breaks increases further.
Structural Health Monitoring (SHM) mittels geführter Ultraschallwellen ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung komplexer Bauteile und liefert umfangreiche Informationen über deren strukturelle Integrität. Die aufgezeichneten Signale sind jedoch komplex und werden daher zunehmend mittels KI verarbeitet, um Anomalien in der Systemintegrität automatisch zu erkennen. Eine Herausforderung dabei ist jedoch das Trainieren solcher KI-Modelle, da dafür große Mengen an Trainingsdaten inklusive diverser Schadensfälle benötigt werden, um eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Experimentelle Generierung dieser Daten ist wegen des enormen Zeit- und Kostenaufwands nicht möglich.
Eine Alternative hierfür bieten die numerischen Simulationen, da dadurch Trainingsdaten für beliebige Anzahl an Schadenskonfigurationen erzeugt werden können. Das Hauptproblem dabei ist jedoch die Abweichung zwischen den experimentellen und simulierten Daten (durch z.B. Abweichungen bei der Geometrie, Randbedingungen oder Materialparameter). Um diese Abweichungen zu reduzieren bzw. zu eliminieren, wird ein KI-Modell mit einer Autoencoder-Decoder Architektur vorgestellt, die mittels eines Experiments kalibriert werden kann und anschließend in der Lage ist, die Genauigkeit der Simulationsergebnisse nachträglich zu erhöhen.
GlasDigital
(2023)
Der aktuelle Stand des MateriaDigital1 Projektes GlasDigital wird vorgestellt. Hierbei wird allgemein die Problem- und Zielstellung präsentiert, als auch auf 2 separaten Postern die Ergebnisse. Diese beinhalten zum Einen die smarte Gestaltung der robotergestützten Glasschmelzanlage der BAM inkl. Analytik und zum Anderen die Digitalisierungsbestrebungen im Bereich Glas, d.h. ML-gestützte C-S-P-Simulation, Ontologie für den Werkstoff Glas, Digitaler Zwilling des Gießprozesses.
Dose enhancement by gold nanoparticles (AuNP) increases the biological effectiveness of radiation damage in biomolecules and tissue.
To apply them effectively during cancer therapy their influence on the locally delivered dose has to be determined. Hereby, the AuNP locations strongly influence the energy deposit in the nucleus, mitochondria, membrane and the cytosol of the targeted cells. In this work, two newly developed continuous and discrete-geometric models for simulations of AuNP in cells are presented. We apply the presented models in Monte-Carlo particle scattering simulations to characterize the energy deposit in cell organelles by radioactive 198AuNP. They emit beta and gamma rays and are therefore considered for applications
with solid tumors. Differences in local dose enhancement between randomly distributed and nucleus targeted nanoparticles are compared.
Hereby nucleus targeted nanoparticels showed a strong local dose enhancement in the radio sensitive nucleus.
Ionizing radiation damage to DNA plays a fundamental role in cancer therapy. X-ray photoelectron-spectroscopy (XPS) allows simultaneous irradiation and damage monitoring. Although water radiolysis is essential for radiation damage, all previous XPS studies were performed in vacuum. Here we present near-ambient-pressure XPS experiments to directly measure DNA damage under water atmosphere. They permit in-situ monitoring of the effects of radicals on fully hydrated double-stranded DNA. The results allow us to distinguish direct damage, by photons and secondary low-energy electrons (LEE), from damage by hydroxyl radicals or hydration induced modifications of damage pathways. The exposure of dry DNA to x-rays leads to strand-breaks at the sugar-phosphate backbone, while deoxyribose and nucleobases are less affected. In contrast, a strong increase of DNA damage is observed in water, where OH-radicals are produced. In consequence, base damage and base release become predominant, even though the number of strand-breaks increases further.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung bei der Auswertung von Schienenprüfungen zu verbessern. Der Prozess der mechanisierten Schienenprüfung wird analysiert und die Schienenfehler sowie Artefakte werden in einem digitalen Zwilling abgebildet, um in einem weiteren Schritt die automatische Fehlererkennung und Klassifizierung mit KI-Algorithmen trainieren zu können. Zu diesem Zweck werden Ultraschalldatensätze auf der Grundlage der Regelwerke und Informationen aus der Instandhaltung mit einer Simulationssoftware erstellt, die Anzeigen der verschiedenen Schienenschädigungen und Artefakte enthalten.
Die Schienenfehler werden bei der Auswertung in Fehlerklassen eingeordnet, für das KI-Training priorisiert und auf Basis der von der DB Netz AG ausgewählten Informationen untersucht. Hierfür werden die Schienenfehler nach den für das KI-Training relevanten Merkmalen zerlegt und die Konfiguration der Parameter der Simulation entsprechend abgestimmt.
Für die Grundstruktur des Datensatzes wird ein Schienenmodell mit einer Länge von einem Meter für die Simulation eingesetzt, auf dessen Basis alle bei der Schienenprüfung zu verwendenden Prüfköpfe für den jeweiligen Reflektortyp betrachtet werden. Die simulierten Daten werden auf einer Testschiene im Labormaßstab validiert. Mögliche Einflussparameter wie z. B. der Signal-Rausch-Abstand sowie die Fahrgeschwindigkeit werden in den Datensätzen herangezogen. Die Zusammenstellung eines Testdatensatzes mit lokal veränderlichen Einflussgrößen erfolgt aus den simulierten Daten unter Verwendung der skriptbasierten Programmierumgebung Python und Matlab.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Virtual CT with aRTist
(2023)
The software aRTist is a simulation tool for the generation of realistic radiographs of virtual radiographic superstructures.
With radiographic simulations, virtual component models can be scanned as in a computer tomograph.
Industrial X-ray computed tomography (CT) enables the non-destructive detection of internal and external surfaces as well as inhomogeneities of technical objects. Virtual CT offers new possibilities for the investigation of parameter influences of this complex testing and measuring technique. In addition to the option of switching physical effects on and off, scanning movements can also be tested before their technical realization.
The virtual CT generates projection images from different directions for the subsequent reconstruction of a volume model of the examined object. The reconstruction of the simulated scans is carried out with the algorithms and programs for real scans. Tomographic scans consist of a large number of projections, which practically cannot be generated individually by the user of a simulation. The software offers various options for the automated simulation of tomographic scans. These range from standard CT to scans on free trajectories or with individual projection matrices.
Die Entwicklung von Werkzeugen zur realitätsnahen Nachbildung eines industriellen CT-Systems in einer Simulationssoftware ist derzeit Hauptaufgabe des WIPANO Forschungsprojektes CTSimU2 Realistische Simulation realer Röntgencomputertomografie - Systeme mit basisqualifizierter Simulationssoftware. Als Voraussetzung dienen dabei Simulationssoftwares, die durch das Testframework aus dem Vorprojekt CTSimU1 basisqualifiziert wurden. Das Testframework testet die hinreichende physikalische Korrektheit und Funktionalität einer Simulationssoftware (Basisqualifizierung der Software). Für eine realitätsnahe Nachbildung ist nicht nur die Güte der Simulationssoftware, sondern insbesondere die Güte der Parametrisierung des realen CT-Systems in der Simulationssoftware ausschlaggebend. Dabei kann das Vorgehen der Parametrisierung in vier Schritte unterteilt werden: die Datenaufnahme am realen CT-System (Schritt 1), die Auswertung der aufgenommenen Daten für die Generierung allgemeiner Parameterangaben (Schritt 2), die Übertragung der Parameter in die spezifischen Simulationssoftwares (Schritt 3) und die Validierung der resultierenden Simulationsparameter durch einen geeigneten Test (Schritt 4). Ziel des Projektes ist es daher neben der Erarbeitung eines Werkzeugkastens mit allgemeinen Methoden zur Datenaufnahme und Auswertung der Daten, die Entwicklung eines Tests, auf dessen Basis die ausreichend korrekte Simulation einer realen Anlage beurteilt werden kann. Die erarbeiteten Ergebnisse sollen wie bereits im Vorprojekt CTSimU1 in einen Richtlinienentwurf für die Richtlinienreihe VDI/VDE 2630 übertragen werden. Dieser Beitrag soll einen Überblick über das Projekt und die ersten Ergebnisse geben.
The project series CTSimU was initiated with the goal to develop a set of procedures to enable the determination of the task-specific measurement uncertainty of a CT system numerically by radiographic simulation. The first project (2019-2022) “Radiographic Computed Tomography Simulation for Measurement Uncertainty Evaluation - CTSimU” was focused on the sufficient physical correctness of the radiographic simulation and created as a result a test framework for simulation softwares and a draft of a VDI standard in the series VDI/VDE 2630 for this application. However, for the realistic simulation of a CT system in a simulation software (i.e. a digital twin), not only the correctness of the simulation software itself is crucial, but also the quality of the parameterization of the CT system in the simulation software - this represents the starting point of the 2nd project “Realistic Simulation of real CT systems with a basic-qualified Simulation Software - CTSimU2” (2022-2024).
The parameterization of a CT system in a simulation software can be divided into four steps: after the data acquisition at the real CT system (step 1) follows the evaluation of the acquired data for the generation of general parameter specifications (step 2). It follows the transfer of the parameters into the specific simulation software (step 3) and the validation of the resulting simulation parameters by a suitable test (step 4). The intended result of the project CTSimU2 is a draft VDI standard (for VDI/VDE 2630) for this test, which contains an informative annex on the state of the art regarding the possibilities for parameter determination.
The present work is part of the AIFRI project (Artificial Intelligence For Rail Inspection), where we and our project partners train a neural network for defect detection and classification. Our goal at BAM is to generate artificial ultrasound and eddy current training data for the A.I. This paper has an exploratory nature, where we focus on the simulation of eddy current signals for head check cracks, one of the most important rail surface defects. The goal of this paper is twofold. On the one hand, we present our general simulation setup. This includes geometric models for head check cracks with features like branching and direction change, a model for the HC10 rail testing probe, and the configuration of the Faraday simulation software.
On the other hand, we use the Faraday software to simulate eddy current testing signals with a strong focus on the influence of the damage depth on the signal, while differentiating between different crack geometries. Here, we observe an early saturation effect of the test signal at a damage depth of 2 mm (at a crack angle of 25◦ to the surface). That is about 2 mm earlier than we would expect from measurements at a crack angle of 90◦. This behavior will be investigated further in a future paper. Finally, we interpolate the simulated signals in a two-step curve fitting process. With these interpolations we may generate eddy current test signals for any damage depth within the simulated range.
In-situ monitoring of water dependent DNA and protein radiation damage by near-ambient-pressure XPS
(2023)
X-ray photoelectron-spectroscopy (XPS) allows simultaneous irradiation and damage monitoring. Although water radiolysis is essential for radiation damage, all previous XPS studies were performed in vacuum. Here we present near-ambient-pressure XPS experiments to directly measure DNA damage under water atmosphere. They permit in-situ monitoring of the effects of radicals on fully hydrated double-stranded DNA. Our results allow us to distinguish direct damage, by photons and secondary low-energy electrons (LEE), from damage by hydroxyl radicals or hydration induced modifications of damage pathways. The exposure of dry DNA to x-rays leads to strand-breaks at the sugar-phosphate backbone, while deoxyribose and nucleobases are less affected. In contrast, a strong increase of DNA damage is observed in water, where OH-radicals are produced. In consequence, base damage and base release become predominant, even though the number of strand-breaks increases further.
X-ray photoelectron-spectroscopy (XPS) allows simultaneous irradiation and damage monitoring. Although water radiolysis is essential for radiation damage, all previous XPS studies were performed in vacuum. Here we present near-ambient-pressure XPS experiments to directly measure DNA damage under water atmosphere. They permit in-situ monitoring of the effects of radicals on fully hydrated double-stranded DNA. Our results allow us to distinguish direct damage, by photons and secondary low-energy electrons (LEE), from damage by hydroxyl radicals or hydration induced modifications of damage pathways. The exposure of dry DNA to x-rays leads to strand-breaks at the sugar-phosphate backbone, while deoxyribose and nucleobases are less affected. In contrast, a strong increase of DNA damage is observed in water, where OH-radicals are produced. In consequence, base damage and base release become predominant, even though the number of strand-breaks increases further.
Ionizing radiation damage to DNA plays a fundamental role in cancer therapy. X-ray photoelectron-spectroscopy (XPS) allows simultaneous irradiation and damage monitoring. Although water radiolysis is essential for radiation damage, all previous XPS studies were performed in vacuum. Here we present near-ambient-pressure XPS experiments to directly measure DNA damage under water atmosphere. They permit in-situ monitoring of the effects of radicals on fully hydrated double-stranded DNA. The results allow us to distinguish direct damage, by photons and secondary low-energy electrons (LEE), from damage by hydroxyl radicals or hydration induced modifications of damage pathways. The exposure of dry DNA to x-rays leads to strand-breaks at the sugar-phosphate backbone, while deoxyribose and nucleobases are less affected. In contrast, a strong increase of DNA damage is observed in water, where OH-radicals are produced. In consequence, base damage and base release become predominant, even though the number of strand-breaks increases further.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens AIFRI „Arteficial Intelligence for Rail Inspection“ wird der Prozess der mechanisierten Schienenprüfung in einem digitalen Zwilling abgebildet, um in einem zweiten Schritt mit KI-Algorithmen eine automatisierte Defekterkennung und -klassifizierung trainieren zu können. Hierzu werden relevante Schienenschädigungen und in der Schiene vorhandene Artefakte analysiert und in skalierbare Modelle übertragen.
Die Norm DIN EN 16729-1 „Bahnanwendungen - Infrastruktur - Zerstörungsfreie Prüfung an Schienen im Gleis - Teil 1: Anforderungen an Ultraschallprüfungen und Bewertungsgrundlagen“ gilt für die Prüfausrüstung von Schienenprüffahrzeugen und handgeführten Rollgeräten und legt die Anforderungen an die Prüfgrundsätze und -systeme bei der Prüfung verlegter Eisenbahnschienen fest, um vergleichbare Ergebnisse in Bezug auf Lage, Art und Größe der Unregelmäßigkeiten in den Schienen zu erhalten.
Um die Performance von Prüfsystemen in der Simulation zu evaluieren, wurden die in den Anhängen der DIN EN 16729-1 angegebenen Bezugsreflektoren als künstliche Reflektoren (nach Anhang A) und simulierte Reflektoren (nach Anhang B) in einem digitalen Zwilling mit einem Schienenprofil 54E4 nach DIN EN 13674-1 sowie mit vereinfachter Geometrie als virtuelle Testschienen abgebildet.
Die Simulationen wurden mit den in den Tabellen 3 und 4 nach DIN EN 16729-1 definierten Prüfkopfwinkeln durchgeführt. Die Rechnungen wurden im Labormaßstab an Testkörpern verifiziert und die Signal-Rausch-Abstände für Untersuchungen im Feld ermittelt.
Ergebnisse der Untersuchungen und Möglichkeiten der Anwendung werden vorgestellt.
Das Forschungsvorhaben wird durch das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) im Rahmen von mFund unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 gefördert.