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DEM9 Book of Abstracts
(2023)
<p xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">3D-structured hydrogel scaffolds are frequently used in tissue engineering applications as they can provide a supportive and biocompatible environment for the growth and regeneration of new tissue. Hydrogel scaffolds seeded with human mesenchymal stem cells (MSCs) can be mechanically stimulated in bioreactors to promote the formation of cartilage or bone tissue. Although <italic>in vitro</italic> and <italic>in vivo</italic> experiments are necessary to understand the biological response of cells and tissues to mechanical stimulation, <italic>in silico</italic> methods are cost-effective and powerful approaches that can support these experimental investigations. In this study, we simulated the fluid-structure interaction (FSI) to predict cell differentiation on the entire surface of a 3D-structured hydrogel scaffold seeded with cells due to dynamic compressive load stimulation. The computational FSI model made it possible to simultaneously investigate the influence of both mechanical deformation and flow of the culture medium on the cells on the scaffold surface during stimulation. The transient one-way FSI model thus opens up significantly more possibilities for predicting cell differentiation in mechanically stimulated scaffolds than previous static microscale computational approaches used in mechanobiology. In a first parameter study, the impact of the amplitude of a sinusoidal compression ranging from 1% to 10% on the phenotype of cells seeded on a porous hydrogel scaffold was analyzed. The simulation results show that the number of cells differentiating into bone tissue gradually decreases with increasing compression amplitude, while differentiation into cartilage cells initially multiplied with increasing compression amplitude in the range of 2% up to 7% and then decreased. Fibrous cell differentiation was predicted from a compression of 5% and increased moderately up to a compression of 10%. At high compression amplitudes of 9% and 10%, negligible areas on the scaffold surface experienced high stimuli where no cell differentiation could occur. In summary, this study shows that simulation of the FSI system is a versatile approach in computational mechanobiology that can be used to study the effects of, for example, different scaffold designs and stimulation parameters on cell differentiation in mechanically stimulated 3D-structured scaffolds.</p>
In this thesis, we investigate how digital evidence can lose trustworthiness and how trustworthiness can be established. Digital evidence can lose trustworthiness if certain properties of trustworthy evidence are no longer fulfilled for some reason. For example, if the provenance of the evidence cannot be traced back or if the evidence collection process is nontransparent, the trustworthiness of the evidence can suffer. Digital evidence can also lose its trustworthiness if the evidence becomes (partially or fully) unreliable because of evidence tampering.
Therefore, we study the loss of trustworthiness through digital evidence tampering by conducting two studies on main memory and browser evidence tampering. Both studies consist of a part conducted with graduate-level students and a second part conducted with teams of professionals. In the part conducted with students, the participants must tamper with the evidence so that an investigator would reach a certain conclusion. Afterward, the students have to analyze a given evidence dump and decide whether it was tampered with or not. Thus, we gain knowledge about how digital evidence tampering can be detected. We repeat the analysis part with teams of professionals in order to study the effect of training and repetition.
Since the trustworthiness of digital evidence can also suffer if the collection process is unclear or incomplete, we study the effect of ambiguous file system structures on common forensic analysis tools and the quality of their analysis results. We show that it is possible to create ambiguous file system partitions, i.e., to create a partition containing several fully functional file systems. Finally, we present four examples where we integrate several file systems into each other. We use these examples to test how common forensic analysis tools handle such ambiguities and whether this leads to a loss of trustworthiness. In addition, we describe how ambiguous file system partitions can be detected and how they should be handled.
Establishing the provenance of digital evidence is essential for forensic purposes; without it, no statement can be made about how data got onto a storage device. Poor sanitization practices have been reported for second-hand HDDs a long time ago, but recently it has also been reported that data from previous owners could be found on newly purchased storage devices based on flash technology. It appears that the problem stems from poor, or absent, data sanitization practices during informal NAND flash chip recycling. This has a major impact on the trustworthiness of digital evidence as it can lead to situations where the provenance of found data becomes unclear. Therefore, we conducted the first large-scale study on newly purchased USB drives containing old data originating from NAND flash chip recycling. We forensically analyzed 1,211 low-cost USB drives purchased from Chinese suppliers and 435 higher-priced branded USB drives from German suppliers to assess the risk of finding data originating from chip recycling.
Furthermore, we developed a formal model, called LAYR, that can be used to establish trustworthiness, improve forensic analysis results, and combine different forensic analysis and reconstruction techniques in novel ways. The model formalizes the interpretation and analysis of data across several different abstraction layers and uses the insights we gained from studying the loss of trustworthiness to create a traceable, transparent, and repeatable digital evidence analysis and collection process.
Rapid technological progress offers opportunities that were unthinkable a few years ago. Sophisticated solutions may utilize a variety of domain-specific characteristics or benefit from synergy effects, when addressing cross-domain problems. As mobility is a basic need, it is an important representative for this development. For instance, technologies are subject to research that are aiming to strengthen road safety by exchanging information between traffic participants and/or the infrastructure. Hence, traffic and communication represent one example for a beneficial combination of domains. The Modeling and Simulation (M&S) of inventions in such fields can be very helpful throughout the development phase, but also while operating such systems. However, with an increasing number of involved subsystems of various kinds, the M&S is potentially also getting more and more complex.
In this thesis, we face existing challenges regarding the capabilities of current M&S approaches using a novel data-centric methodology. At first, current requirements towards simulation are identified. In that light, the potential weak spots of current methods, standards, and frameworks unveil. Based thereon, a main part of this thesis is to design a new coupling approach that bridges the depicted gap. This is done by developing a layered architecture that covers all parts that are necessary to support the heterogeneous stakeholders of modern simulation studies. In an infrastructural layer, the communication between components and the storage of simulation related data is devised. A second layer is covering all tasks that are related to the coupling of various components, while aiming for reusability and reproducibility. Finally, an application layer at the top is offering the capabilities to use the developed concepts in form of a M&S service.
In a second part, the approach is applied to the field of traffic simulation. By doing so, we show the practicability of our approach and demonstrate its capabilities to enable distributed simulations, multi-level simulations, and cross-domain simulations. Moreover, we present the feasible ingestion of external data into running simulations, the simulative enrichment of data, and the reuse of existing simulation data for new studies.
Introduction: Several whole-body vibration (WBV) effects on performance have been related to potential changes in the neural drive, motor unit firing rate, and sensorimotor integration. In the present paper, motor unit coherence analysis was performed to detect the source of neural modulation based on the frequency domain.
Methods: Thirteen men [25 ± 2.1 years; Body Mass Index (BMI) = 23.9 ± 1.3 kg m2; maximal voluntary force (MVF): 324.36 ± 41.26 N] performed sustained contractions of the Tibialis Anterior (TA) at 10%MVF before and after acute WBV. The vibrating stimulus was applied barefoot through a platform to target the TA. High-Density surface Electromyography (HDsEMG) was used to record the myoelectrical activity of TA to evaluate coherence from motor unit cumulative spike-trains (CSTs).
Results: Mean coherence showed a significant decrease in the alpha and low-beta bandwidths (alpha: from 0.143 ± 0.129 to 0.132 ± 0.129, p = 0.035; low-beta: from 0.117 ± 0.039 to 0.086 ± 0.03, p = 0.0001), whereas no significant changes were found in the other ones (p > 0.05). The discharge rate (DR) and the Force Covariance (CovF%) were not significantly affected by acute WBV exposure (p > 0.05).
Discussion: According to the significant effects found in alpha and low-beta bandwidths, which reflect sensorimotor integration parameters, accompanied by no differences in the DR and CovF%, the present results underlined that possible neural mechanisms at the base of the previously reported performance enhancements following acute WBV are likely based on sensorimotor integration rather than direct neural drive modulation.
The objectives of this work are to develop catalyst materials for the dehydrogenation of H18 DBT and H12 BT at lower reaction temperatures, to understand the phenomena observed under such conditions, and to deploy the acquired insights for further catalyst optimization. For this, a size selective synthesis route of the deployed Pt/Al2O3 catalysts is developed, to facilitate a comprehensive study of structure sensitivity effects on the hydrogen release reaction from LOHC molecules.
Analysis of modern real-world protocol faces several key challenges. While the overall
complexity of protocols have increased considerably and new security goals have been
established over time, our standards for an analysis have increased at the same time. In particular,
we require that at least the core idea of security arguments is not only accessible to a small
group of experts and we expect computer-aided verification at least for the most important
protocols.
In this thesis we prove key-indistinguishability and pseudo-randomness of TLS 1.3 and
high-light several methods to address the above-mentioned challenges. In particular we introduce
the concept of key-schedule-security and justify it. We consistently phrase our analysis in
the language of state-separating proofs (Brzuska, Delignat-Lavaud, Fournet, Kohbrok, and
Kohlweiss, AsiaCrypt’18) and prove a generalisation of the concrete TLS key schedule which
simplifies the analysis. We choose TLS 1.3 as a realistic example of complex, modern-day
cryptographic protocol where a proof of security is in itself a valuable contribution. The
concept of key schedule proofs can be applied to other protocols as Brzuska, Cornelissen, and
Kohbrok (IEEE S&P ’22) showed for the case of MLS.
State-Separating Proofs (SSP) improves accessibility of proofs by allowing visual arguments
with a formal semantic – aiding presentation without sacrificing on rigidity and therefore
allowing to efficiently communicate proofs. At the same time we comprehensively specify our
components in pseudo-code which allows us to precisely argue on their behaviour. At the
same time this formalisation is an important step towards computer-aided verification. As
shown by Dupressoir, Kohbrok, and Oechsner (CSF’22), a SSP proof has a natural and direct
translation to the EasyCrypt proof assistant.
Key-Schedule Security describes security properties expected of a key schedule. A key schedule
isolates the derivation of output keys in a key exchange protocol in terms of the derived, shared
secret. Together with the derivation of a shared secret (e. g.via the Diffie-Hellman exchange)
and authentication the derivation is a central part of an key exchange protocol. In the following,
we consider three aspects of key schedules. In Kapitel 4 we give a formal model of key schedule
security. In Kapitel 7 we demonstrate how the property of key schedule security can be used
in the proof of a key exchange protocol and in Kapitel 8 we show that TLS 1.3 realises the
security notion. Together, the results justify the notion of key schedule security as a building
block for analysing key exchange protocols.
The fact that biomass can be easily stored sets it apart from several other forms of renewable energy such as solar and wind energy. Due to their low energy density and diffuse dispersion, biogenic resources may be best utilized through small-scale combined heat and power generation at decentralized plants. Combining solid oxide fuel cell (SOFC) with biomass gasification is a promising solution for heat and power generation. Previous research has assumed that tars must be removed from wood gas before it can be used in a SOFC. If tars can be tolerated on SOFCs, hot gas scrubbing, as opposed to the more prevalent cold gas scrubbing used in gas engines, may be used to purify bio-syngas. Due to the high initial investment and ongoing running expenses associated with SOFCs, the large cost savings that may be achieved by hot gas cleaning are appreciated.
To ensure the safe operation of SOFC with tar-loaded bio-syngas, the conversion of different tar components on SOFC under various conditions are investigated both experimentally and numerically in this study.
In the frame of the experimental work, the temperature-dependent conversion kinetics for typical tar components in the wood gas are established. The inhibitory interactions between the hydrocarbons (such as naphthalene and methane) are quantified. The effect of tars on the SOFC under high fuel utilization condition is also examined. In general, the chosen tar components in this study are reformed on SOFC anode with sufficient steam in the fuel gas. H2 as the produced gas contributes to higher cell voltage and is especially beneficial in terms of mitigating the fuel starvation dilemma at higher fuel utilization rates. On the other side, the impeded methane reforming in presence of naphthalene will reduce the H2 content significantly and cause the degradation related with fuel starvation.
The numerical investigation of the conversion of tars on the SOFC aims to reveal the local distribution of species and Nernst voltage across the cell area and to identify the risk area of Ni re-oxidation. The kinetics of hydrocarbon reforming as well as the impeded methane reforming kinetics are established and verified with experimental results. With the implemented kinetic data as well as the electrochemical parameters verified with a mathematical cell model developed under Python, a three-dimensional CFD model for the planar single SOFC is established and verified. The CFD model shows that tar components have both a positive (tar reforming) and a negative (methane reforming inhibition) influence on SOFC in terms of Ni re-oxidation risk. The local risk area for Ni re-oxidation can be identified with the CFD model, which shows up before the critical fuel utilization rate or current density predicted by thermodynamic calculation.
This work also develops a mathematical tool considering the reforming kinetic and the mass diffusion/depletion effect, which is able to quickly determine the critical current density for a variety of gas and temperature conditions. The predicted critical current densities show that low H2O and high temperature can help enlarging the load range for the safe operation. In the meantime, high temperature is advantageous because the reforming reactions are more complete, hence increasing the critical current density even further. In contrast, naphthalene can significantly reduce the critical current density even at low concentrations.
In this thesis, the dynamic light scattering (DLS) technique is applied to, and further developed for, the determination of the translational diffusivity for various heterogeneous systems. The investigated systems consist of technical polyol-based microemulsions and particulate systems in free media, as well as under confinement. While these microemulsions are of interest for the production of high-performance polyurethane insulation foam material using the POSME process, knowledge of the diffusion processes within particulate systems is necessary for the tailored design of particulate products such as columns for size-selected chromatography. Here, the translational diffusivity can be used to determine the size of droplets and particles in heterogeneous systems via the Stokes Einstein relation.
Ausgangspunkt dieser Arbeit ist das bisherige Fehlen eines geeigneten medizinischen
Sensorsystems zur dauerhaften Überwachung des menschlichen
Wasserhaushaltes. Besonders für ältere Menschen könnte ein derartiges System
sowohl kurz- als auch langfristige gesundheitliche Beeinträchtigungen,
welche durch eine zu geringe Wasseraufnahme auftreten, reduzieren. Sensoren,
die im Alltag Verwendung finden können, müssen verschiedene Eigenschaften
erfüllen. Insbesondere spielen hier Charakteristika wie Größe,
Messdauer, Leistungsverbrauch, einfache Anwendbarkeit und Nichtinvasivität
eine wichtige Rolle.
Ein Ansatz zur Untersuchung des Wasserhaushaltes im menschlichen Körper
ist die dielektrische Spektroskopie. Dieser Ansatz basiert auf der Untersuchung
der Wechselwirkung von elektromagnetischen Wellen mit Materie.
So lassen sich Veränderungen im zu untersuchenden Medium erkennen und
auswerten. Das dabei benötigte breitbandige, hochfrequente Signal, welches
mit dem Medium interagiert, lässt sich durch einen Zufallssignal-Generator
erzeugen. Dabei wird sich der Umstand zunutze gemacht, dass Zufallsfolgen
ähnliche Eigenschaften wie weißes Rauschen aufweisen. Bei der Verwendung
von Signalen mit diesen Eigenschaften entspricht die Kreuzkorrelationsfunktion
zwischen dem Eingangssignal und dem entsprechenden Ausgangssignal
der Impulsantwort. Voraussetzung dafür ist, dass es sich bei dem betrachteten
System um ein LTI-System handelt. Es lässt sich somit ein Messsystem
mit geringer Komplexität aufbauen. M-Sequenzen stellen eine Variante von
Zufallsfolgen dar, welche sich durch einfache Schaltungen realisieren lassen.
Sie lassen sich durch Schieberegister erzeugen, welche an passenden Stellen
über eine Modulo-2-Addition auf den Eingang rückgekoppelt werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene M-Sequenz-Generatoren aufzubauen.
Dabei sollen Schaltungen entwickelt werden, bei welchen das erforderliche
Taktsignal extern durch einen Signalgenerator erzeugt wird. Um eine Miniaturisierung
des Systems zu erzielen, sollen zudem integrierte Schaltungen
entworfen, simuliert, aufgebaut und vermessen werden, bei welchen sich der
Taktgenerator in Form eines breitbandigen Synthesizers direkt auf dem Chip
befindet. Neben dem Synthesizer befinden sich verschiedene Frequenzteiler
sowie Verstärker auf diesem Chip. Somit wird der komplette M-Sequenz-
Transmitter in einer integrierten Schaltung dargestellt. Hinsichtlich des Ausgangssignals
des Teilers sowie der Bandbreite der generierten Sequenz ist die
Schaltung somit adaptiv.
Um die prinzipielle Eignung von M-Sequenzen zur Untersuchung von Konzentrationsunterschieden zu zeigen, findet die Durchführung von Messreihen
statt. Ein vorhandener M-Sequenz-Generator erzeugt die Zufallsfolge. Dieses
Signal wird genutzt, um Unterschiede in der Salzkonzentration innerhalb
einer sich in einem Schlauch befindlichen Flüssigkeit zu detektieren. Die Messungen
zeigen, dass der gewählte Ansatz geeignet ist, um im Frequenzbereich
von 1 GHz bis 2 GHz steigende Konzentration von NaCl im flüssigen Medium
zu erkennen.
Der Ziel-Frequenzbereich der entwickelten Schaltungen liegt bei DC bis
6 GHz. Die Bandbreite einer M-Sequenz ist dahingehend definiert, dass sie
die Hälfte der Taktfrequenz, mit welcher das Schieberegister betrieben wird,
beträgt. Um den gewünschten Frequenzbereich zu erreichen, muss der Generator
somit mindestens bis zu einer Taktfrequenz von 12 GHz eine Zufallsfolge
erzeugen.
Dieser Zielwert wird nicht bei allen aufgebauten Schaltungen erreicht. Die
adaptiven M-Sequenz-Transmitter der Ordnungen n = 7 und n = 9 erreichen
eine Bandbreite von 5,5 GHz beziehungsweise 5 GHz. Der Generator der Ordnung
n = 11 lässt sich derart takten, dass eine Bandbreite von 9,5 GHz erreicht
wird. Eine Miniaturisierung des Transmitters eines auf M-Sequenzen basierenden
medizinischen Sensorsystems wird somit realisiert.
Im Zuge des Klimawandels gewinnt die Erforschung von faseroptischen Messkonzepten zur Überwachung von Energieanlagen immer weiter an Bedeutung. Faseroptische Sensorik bietet den Vorteil, auch in Hochspannungsumgebungen verwendet werden zu können, wodurch die Temperatursensorik von z.B. Generatoren oder Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen ermöglicht werden kann. Dies soll vor allem der Wirkungsgradmaximierung und Ausfallsvermeidung dienen, um bestehende Energiesysteme maximal auszunutzen. Oftmals stellen entsprechende Messkonzepte zur faseroptischen Sensorik jedoch keine wirtschaftliche Lösung zur allgemeinen Vermarktung dar, wodurch ein Bedarf an erschwinglichen, kommerziellen Systemen besteht.
Die vorliegende Arbeit widmete sich der Erforschung einer neuartigen Topologie der inkohärenten optischen Frequenzbereichsreflektometrie für faseroptische Sensorik mit Faser-Bragg Gittern. Im Gegensatz zu konventionellen iOFDR-Ansätzen besteht die Topologie dieser Arbeit aus einer verringerten Anzahl und vor allem kostengünstigeren Komponenten, wodurch sich das hier vorgestellte Konzept besonders durch seine Kosteneffizienz und Kompaktheit auszeichnet. So bewirkt die Nutzung eines Mach-Zehnder Modulators im Hin- und Rückpfad des Systems eine zweifache Amplitudenmodulation der Träger-Lichtwelle. Durch die erneute Modulation im Rückpfad kommt es zu einer optischen Demodulation, womit ein kompaktes und kostengünstiges Spektrometer zur Detektion des reflektierten Lichtes ausreichend ist. Dies ersetzt die elektrische Demodulation mit einer breitbandigen Photodiode und der Frequenzanalyse mittels eines teuren Netzwerkanalysators in konventionellen iOFDR-Systemen. Die Besonderheit des hier vorgestellten Konzepts ist außerdem die bidirektionale Nutzung des MZM, womit weiter Systemkosten gesenkt werden konnten. Ähnliche Konzepte wurden in der Literatur vorgestellt, welchen es häufig jedoch an (ausreichender) Wellenlängenauflösung mangelt. Das hier erarbeitete Konzept wurde um die Wellenlängenauflösung erweitert, welche zur Temperatursensorik mit FBG notwendig ist, da diese auf Temperaturänderungen in ihrer unmittelbaren Umgebung mit einer spektralen Verschiebung ihres Reflektivitätsprofils reagieren. Daraus bedingt sich die notwendige Wellenlängenauflösung des Gesamtsystems, um diese spektrale Verschiebung detektieren zu können und die Messgröße Temperatur daraus zu extrahieren.
Einen weiteren Aspekt stellte die Erarbeitung entsprechender Signalverarbeitungsalgorithmen dar, um die erhobenen Messdaten entweder in den Zeitbereich mittels inverser Fourier-Transformation (IFT) zu transformieren oder die FBG-Spektren direkt aus den Frequenzbereichsdaten zu rekonstruieren. Letzteres greift eine modellbasierte Auswertemethode, namentlich Transfer-Matrix Methode, aus der Literatur auf, welche für das iOFDR-Konzept angepasst wurde. Im Vergleich zur IFT zeichnet sich die TMM besonders durch ihre Fähigkeit zur Berücksichtigung von Crosstalk aus. Dies ist vor allem bei der Verwendung von vielgliedrigen FBG von Vorteil, um Verzerrungen der Bragg-Wellenlänge auszuschließen. Die IFT dagegen stellt eine einfache und rechenarme Auswertemethode dar.
Das Gesamtsystem aus Messwertaufnahme und Signalverarbeitung wurde mit verschiedenen FBG Ketten verifiziert. Daraus zeigte sich, dass aus den erhobenen Messdaten die gewünschte physikalische Messgröße wie Temperatur extrahiert werden kann. Die Funktionalität des Systems hinsichtlich Temperaturmessungen wurde mit einer FBG-Kette mit insgesamt 10 FBG untersucht, wobei Temperaturschritte von mindestens 1K aufgelöst werden konnten. Im Hinblick auf die Topografie auszulesender Sensoren weist das Gesamtsystem eine hohe Flexibilität auf, da verschiedenste Konfigurationen von FBG-Ketten im Zeit- und Wellenlängenmultiplex, sowie derer Kombination, untersucht werden können. Daraus ergeben sich Möglichkeiten zur Erhöhung der auslesbaren FBG, oftmals ohne Anpassung der Messparameter. Im Rahmen einer Analyse der Systemgrenzen des Gesamtsystems wurde eine Ortsauflösung von ca. 1,7 cm erreicht, während sich der Eindeutigkeitsbereich bis etwa 5,7 km erstreckt. Bezüglich der Anzahl der auslesbaren FBG konnten bislang insgesamt 501 FBG mit sehr niedrigen Reflektivitäten von <0,05% im Zeitmultiplex aufgelöst werden. Die Bestimmung der Präzision des Systems ergab Werte von minimal 2,3 pm, welche mit einer Temperaturempfindlichkeit von etwa 10 pm/K für Standard-Singlemodefasern weniger als 1 K Temperaturauflösung bedeuten.
Eine weitere Untersuchung im Rahmen dieser Arbeit stellte die optische Sensoridentifikation dar. In der Literatur ließ sich noch kein etabliertes Konzept zur optischen Identifikation speziell von FBG-Sensoren finden. Daher wurde ein Design für sogenannte Marker entwickelt, um Sensorfasern eindeutig identifizieren zu können. In Zuge dessen wurde ein Identifikations- bzw. Zuordnungsalgorithmus entwickelt, welcher zuverlässig Marker erkennt und die entsprechenden Sensorfaserparameter enthält.
Insgesamt wurde damit in dieser Arbeit ein Gesamtsystem entwickelt, welches sich für Temperatursensorik mit FBG eignet und eine Vielzahl von FBG auslesen kann. Die Einbettung von Sensoridentifikation legt einen ersten Grundstein zur Erhöhung der Messdatenqualität, indem die individuelle Historie von Sensoren bei der Auswertung miteinbezogen wird.
ATR-Spektroskopie im mittleren infraroten Spektralbereich ist eines der wichtigsten Werkzeuge in der analytischen Chemie und Sensorik. Die hohe Absorption vieler Substanzen im mittleren infraroten Spektralbe- reich erschwert eine Messung in Transmission oder macht sie gänzlich unmöglich. In Verbindung mit FTIR-Spektrometern kommt hier der Vorteil der ATR-Technik zum Tragen, um in einem breiten Spektralbe- reich Untersuchungen an stark absorbierenden Stoffen durchzuführen. Ist die Messaufgabe in einem anwendungsspezifischen Fall enger gefasst, reicht ein schmalerer spektraler Bereich aus, um bestimmte Substan- zen nachzuweisen. Hier stellen QCL inzwischen eine gute Alternative zu thermischen Strahlern dar. Mittels Vernier-Abstimmung sind relativ breitbandige QCL realisierbar, welche ausreichend sind, um auch in Flüs- sigkeiten Absorptionsmaxima vollständig abzudecken. In Kombination mit Infrarotdetektoren auf Halbleiterbasis, die zuletzt recht unkompli- ziert in der Handhabung geworden sind, eröffnen sich neue Möglichkeiten Messsysteme kompakter und kostengünstiger zu realisieren.
Die Theorie der frustrierten Totalreflexion, als grundlegendes Thema dieser Arbeit, wurde ausgehend von den Maxwellschen Gleichungen hergeleitet. Insbesondere die Polarisationsabhängigkeit der frustrierten Totalreflexion, die eine wichtige Grundlage für die spätere Entwicklung des spektroskopischen Aufbaus darstellt, wurde umfassend behandelt. Eine polarisationssensitive Detektion des, durch das ATR-Element trans- mittierten, Lichts erlaubt es Intensitätsrauschen der Lichtquelle sowie Drift auf längeren Zeitskalen effektiv zu unterdrücken.
Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein optischer Aufbau zum Nachweis von Ethanol bzw. p-Nitrophenol konzipiert und umgesetzt. Aus Kostengründen wurde eine Polarisationsoptik auf Basis des Brewster- Winkels eingesetzt. Das mechanische Design wurde mithilfe eines ei- gens entwickelten 2D ray-tracing Programms optimiert. In mehreren Schritten wurde aus einem Laboraufbau ein kompaktes, mechanisch und optisch stabiles Messsystem entwickelt. Ein flüssigkeitsbasiertes Kühlsystem sorgte für die Entwärmung des Aufbaus und garantierte eine stabile Temperatur über Tage hinweg. Dieses Kühlsystem wurde basierend auf thermoelektrischen Kühlern und Komponenten aus dem PC-Wasserkühlungsbereich entwickelt, da kommerziell erhältliche Geräte entweder sehr teuer oder für die Anwendung ungeeignet waren. Messungen zeigten, dass mit diesem System die Temperatur des optischen Aufbaus auf ±0,01 °C bei konstanter Verlustleistung im zu temperierenden Volumen gehalten werden konnte. Bei schwankender Verlustleistung durch z.B. Laserbetrieb wurde eine Stabilität von ±0,1 °C erreicht.
Das Gesamtsystem aus optischem Aufbau und Temperaturstabilisierung wurde in etlichen Messungen charakterisiert und erfüllte die Anforderungen an Empfindlichkeit und Langzeitstabilität. So ließen sich im thermisch eingeschwungenen Zustand verlässliche Messungen, im konkreten Fall über 3 Stunden hinweg, durchführen. Bei der Mitverfolgung von länger andauernden Prozessen, wie in der beschriebenen Anwendung gefordert, war dies essenziell. Die Drift über den genannten Zeitraum lag bei lediglich 0,2 · 10−3 a.u..
Der Einsatz von QCL in der obig genannten Anwendung eröffnete die Möglichkeit kohärente optische Frequenzbereichsreflektometrie in einem eher ungewöhnlichen Spektralbereich umzusetzen. Als Vorarbeit wurde der Laser in seinen grob abstimmbaren Wellenlängenbereichen und weiter in seinem statischen/thermischen Abstimmverhalten charakterisiert. Dazu wurde ein Wellenlängenmessgerät auf Basis eines Michelson-Interferometers mit einem linear verfahrbaren Spiegel aufgebaut. Als Referenzlaser diente ein HeNe-Laser. Mithilfe dieses Messaufbaus gelang es, die genauen Emissionswellenlängen zu messen und mit den Herstellerangaben zu vergleichen. Die Abweichung zwischen Herstellerangabe und durchgeführter Messung betrug lediglich 0,1cm−1. Die Standardabweichung zwischen Einzelmessungen lag bei nur 0,05cm−1. Eine Bestimmung des statischen Chirps durch Variation des Laserstroms war mit diesem Aufbau daher ebenfalls möglich. Es zeigte sich, dass die Emissionsfrequenz bei linearer Laserstromvariation einem leicht quadratischen Zusammenhang folgt.
Als zweiter Aufbau zur Messung des statischen Chirps wurde ein Michelson-Interferometer mit definiertem Weglängenunterschied zwischen den Interferometerarmen benutzt. Die Justage des Aufbaus und vor allem die Einrichtung des exakt zu definierenden Weglängenunterschiedes wurde mit einer roten Fabry-Perot Laserdiode bewerkstelligt. Im Vergleich zum Interferometer mit beweglichem Spiegel und konstantem Laserstrom wurde hier nun der Laserstrom moduliert. Die Messung des statischen Chirps ist in sehr guter Übereinstimmung mit der vorherigen Messung mit beweglichem Spiegel. Ebenso konnte der quadratische Zusammenhang zwischen Laserstrom und Emissionsfrequenz in gleicher Weise gezeigt und formelmäßig festgehalten werden. Die maximale Abstimmbarkeit des untersuchten Lasers betrug etwa 45 GHz bei einer Mittenwellenlänge von 9,2 μm (1088 cm−1).
Mit diesen Vormessungen wurde ein COFDR-System mit ATR-Elementen, dessen Facetten als Teilreflektoren dienten, aufgebaut. Über die Stärke der Teilreflexionen konnte eine Aussage über die Absorption, die an den ATR-Oberflächen stattgefunden haben muss, getroffen werden. Obwohl das Chirpverhalten des QCL nur leicht nichtlinear ist, war es notwendig eine nachträgliche digitale Linearisierung des Chirps durchzuführen. Dadurch wurde die Ortsauflösung bzw. die Schärfe des Ortes eines Teilreflexes erheblich verbessert und lag nahe am theoretischen Maximum von 3,3 cm. Das Verfahren bietet die Möglichkeit mehrere ATR-Elemente zu multiplexen. Der Vorteil ist hierbei, dass zwei Messstellen simultan erfasst werden können, ohne dass Komplexität und Kosten des optischen Aufbaus erheblich steigen. Es wurden mehrere Konfigurationen des Aufbaus mit einem und zwei ATR-Elementen aufgebaut und verglichen. Bei den Aufbauten mit nur einem ATR-Element wurden stets hohe Empfindlichkeiten erreicht. Der Nachweis einer Absorbanz von nur 5 · 10−3 a.u. gelang problemlos. Dies entsprach einer Konzentration des Analyten (hier Ethanol) von etwa 1 % vol. Damit kann die Empfindlichkeit dieses Verfahrens mit etablierten FTIR-Spektrometern konkurieren.
Im Fall von zwei ATR-Elementen stellte sich heraus, dass bereits eine große Anzahl von Mischprodukten entsteht, die zu etlichen realen und scheinbaren Teilreflexionen nach der Rekonstruktion führen. Hier zeigte sich, dass die Empfindlichkeit des Verfahrens nicht durch Rauschen der elektrischen Komponenten limitiert ist, sondern durch die Anordnung und Justage der optischen Komponenten im Aufbau. Bei manchen Aufbauten zeigte sich eine Kreuzempfindlichkeit zwischen den ATR-Elementen. Als Faustregel kann gesagt werden, dass weniger optische Komponenten bzw. Teilreflexionen zu besseren Ergebnissen führen. Mit dieser Erkenntnis gelang es Messungen mit zwei ATR-Elementen durchzuführen, bei denen die zweifache Standardabweichung unter 10−2 a.u. lag, bei gleichzeitig geringer Kreuzempfindlichkeit zwischen den ATR-Elementen. Ein Nachweis des Analyten in einer Konzentration von 5 % vol wurde demonstriert.
Single instrument recognition is a research topic that is worked on for many years. After the AI winter the approaches switched from feature based methods to artificial neural networks. When the recognition rates increased the community moved on to harder problems, at the latest when the community announced that the single instrument recognition is solved.
In this thesis I am going to show that the assumptions that are the basis for this statement are erroneous. The main reason is the misbelief of the comparability of accuracies. To approach this problem I will introduce an evaluation method that is less prone to external factors and a well obtainable data base that enables a better comparison of algorithms.
To evaluate the actual level of the resolving of single instrument recognition and to push this frontier, I refined, combined, and evaluated the feature and the artificial neural network based approach. During this process a new feature was developed and well known features were improved, and artificial neural network architectures were optimized and compared by applying evolutionary programming.
Eine Methodik zur Entwicklung eines detaillierten Anlagenmodells für die Trennung stark-adsorbierender Gasgemische wird präsentiert. Das Modell besteht aus einem kompressiblen, nichtisothermen Transport-Dispersions-Modell für den Adsorber und einem axial-dispersen, kompressiblen Modell für die peripheren Volumina. Die Methodik beschreibt die systematische Auswahl der Bedingungen von Adsorptionsgleichgewichtsmessungen, die zur korrekten Parametrisierung von Adsorptionsisothermenmodellen erforderlich ist. Dabei werden die Oberflächenheterogenität sowie die Abhängigkeit der isosteren Adsorptionswärme von Beladung und Temperatur mit dem Virial-Ansatz im Detail untersucht. Gleichermaßen werden zur Parametrisierung der Wärme- und Stoffübertragung Richtlinien zur Auslegung dynamischer Versuche in Form von Adsorptions-Desorptionszyklen mit möglichst hohem Informationsgehalt. In diesem Zusammenhang wird ein Kompetitivitätsgrad eingeführt, anhand dessen die Ausprägung nichtlinearer dynamischer Effekte in binären und pseudobinären Systemen untersucht werden kann. Eine erweiterte Korrelation des Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen dem Adsorberbett und der Adsorberwand, die die lokalen Änderungen der Wärmeleitfähigkeit in der fluiden Phase mit einem pseudostatischen Beitrag berücksichtigt, wird vorgeschlagen. Die Methodik wird auf das Modellsystem H2/N2/CH4/CO2 auf einem Kohlenstoffmolekularsieb angewendet. Das entwickelte Modell kann mit hoher Genauigkeit Temperatur-, Zusammensetzungs- und Volumenstromverläufe binärer und pseudobinärer Adsorptions-Desorptionszyklen in einem breiten Bereich an Temperaturen, Zusammensetzungen, Drücken und Volumenströmen vorhersagen. Weiterhin kann das Modell ternäre und Einkomponentensysteme beschreiben. Durch Simulationsstudien wird die Relevanz der Kompetitivität, Adsorptionskinetik, Wärmeübertragung und Totvolumina evaluiert.
In strömungsführenden Kanälen werden zur Schalldämpfung unter anderem mikroperforierte Absorber (MPA) verwendet. Diese bestehen in der Regel aus einem mikroperforierten Paneel (MPP) in Kombination mit einem Rückvolumen. Die Dämpfungsmaxima treten dabei im Bereich der Resonanzfrequenzen auf, die mit zunehmendem Rückvolumen sinken. Das ist insbesondere bei Anwendungen mit begrenztem Bauraum eine Herausforderung, wenn tiefe Frequenzen gedämpft werden sollen. In der Literatur wird die Kombination aus MPP und porösen oder faserigen Absorbern als Möglichkeit genannt, den erforderlichen Bauraum zu reduzieren.
Das Ziel dieser Arbeit war deshalb die Auslegung von schalldämpfenden Wandauskleidungen als Double‐Layer MPA bestehend aus einem geschlitzten MPP, einem passiven Absorber unterhalb des MPP und einem mit Luft gefüllten Rückvolumen. In vergleichbaren Untersuchungen in der Literatur werden faserige oder poröse Absorber verwendet, deren akustische Eigenschaften nicht oder nur bedingt beeinflusst werden können. Dies reduziert die Freiheitsgrade bei der Auslegung. Deshalb wurden in dieser Arbeit additiv gefertigte Absorber in Form periodischer Gitterstrukturen verwendet, deren akustische Eigenschaften in Abhängigkeit der Gitterkonstante gezielt angepasst werden können.
Ein zentraler Bestandteil dieser Arbeit war deshalb die akustische Modellierung der additiv gefertigten porösen Absorber als Funktion der Gitterkonstante. Darauf aufbauend erfolgte die Auslegung und Gestaltung der Wandauskleidungen als Double-Layer MPA. Gegenüber vergleichbarer Wandauskleidungen ohne additiv gefertigte poröse Absorber gelingt es den erforderlichen Bauraum um über zehn Prozent zu reduzieren. Validierende Messungen bestätigen die Modellbildung und Auslegung der Wandauskleidungen.
This thesis is a comprehensive study of piezoelectric energy harvesting circuits in response to human gait. The main goal of this work is to take advantage of ambient mechanical vibration to power a gait based wearable device integrated in a shoe.
Most wearable devices are battery operated,which is followed by unsustainable course of action as the battery life expires. To meet the growing demand of
wearable devices with environment friendly approaches, walking is one of
the ways. The stress generated from walking has the potential to convert mechanical energy into electrical energy via piezoelectric elements. In this work, the piezoelectric element is used not only as an energy harvester but also
as a sensor. We take advantage of the foot-strike to collect gait information
and obtain electrical energy simultaneously. This brings a paradigm shift from
wrist-based wearables to foot-based wearables.
There are several energy harvesting circuits discussed in this work to under
stand their response to a gait signal. The circuits studied were standard energy harvesting circuit (SEH), Self-powered Parallel Synchronous Switch Harvesting on Inductor (sp-p-SSHI), Self-powered Synchronous Electric
Charge Extraction (sp-SECE), Self-powered Optimized Synchronous Electric
Charge Extraction (sp-OSCE) and Full wave Voltage Doubler (VD), and then
implemented in the proposed shoe application. Their working principles are
assessed and rated against the used case of gait-excited piezoelectric elements.
The advantages and disadvantages of these circuit topologies incorporating
non-linear techniques are also discussed.
Thesystem based-investigation is presented discussing the power consumption of each stage from sensor data collection to data transmission. Athorough
analysis of the extent to which piezoelectric elements can contribute to the
application with and without battery is presented in this thesis. The role
of battery as back-up in simultaneous sensing and energy harvesting is also
investigated.
Background: Autonomous navigation of catheters and guidewires in endovascular interventional surgery can decrease operation times, improve decision-making during surgery, and reduce operator radiation exposure while increasing access to treatment.
Objective: To determine from recent literature, through a systematic review, the impact, challenges, and opportunities artificial intelligence (AI) has for the autonomous navigation of catheters and guidewires for endovascular interventions.
Methods: PubMed and IEEEXplore databases were searched to identify reports of AI applied to autonomous navigation methods in endovascular interventional surgery. Eligibility criteria included studies investigating the use of AI in enabling the autonomous navigation of catheters/guidewires in endovascular interventions. Following Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analysis (PRISMA), articles were assessed using Quality Assessment of Diagnostic Accuracy Studies 2 (QUADAS-2). PROSPERO: CRD42023392259.
Results: Four hundred and sixty-two studies fulfilled the search criteria, of which 14 studies were included for analysis. Reinforcement learning (RL) (9/14, 64%) and learning from expert demonstration (7/14, 50%) were used as data-driven models for autonomous navigation. These studies evaluated models on physical phantoms (10/14, 71%) and in-silico (4/14, 29%) models. Experiments within or around the blood vessels of the heart were reported by the majority of studies (10/14, 71%), while non-anatomical vessel platforms “idealized” for simple navigation were used in three studies (3/14, 21%), and the porcine liver venous system in one study. We observed that risk of bias and poor generalizability were present across studies. No procedures were performed on patients in any of the studies reviewed. Moreover, all studies were limited due to the lack of patient selection criteria, reference standards, and reproducibility, which resulted in a low level of evidence for clinical translation.
Conclusion: Despite the potential benefits of AI applied to autonomous navigation of endovascular interventions, the field is in an experimental proof-of-concept stage, with a technology readiness level of 3. We highlight that reference standards with well-identified performance metrics are crucial to allow for comparisons of data-driven algorithms proposed in the years to come.
Systematic review registration: identifier: CRD42023392259.
Droplet thermometry based on an optimized two dye two-color laser-induced fluorescence concept
(2023)
In this work two-color laser-induced fluorescence (2c-LIF) is applied to calibrate and measure the temperature in a micrometric monodisperse ethanol droplet chain. A dye mixture of fluorescein disodium (FL) and sulforhodamine 101 (SRh) is used, in order to form a sensitive signal ratio of one temperature dependent and one independent fluorophore. Spectral and planar fluorescence detection via a fiber-coupled spectrometer and a camera system, consisting of two sCMOS cameras, is set up around the droplet chain. Additionally, absorption measurements of the dye mixture in ethanol are conducted using a photo-spectrometer to analyze the temperature sensitivity of the dyes as well as potential re-absorption and fluorescence cross-talk effects. The spectral setup allowed an investigation of the wavelength range in which morphology dependent resonances (MDR) occur at the phase boundary of the droplet. Thus, the optical filters, determining the color channels in the camera system, are chosen to avoid detection of the lasing signal and providing maximal temperature sensitivity at the same time. The calibrated signal ratios are applied in temperature measurements of evaporating heated droplets in the droplet chain, showing the cooling with larger distance from the nozzle.
Advances in Deep Learning-Based Speech Enhancement and Mask-Based Acoustic Parameter Estimation
(2023)
Speech constitutes the primary way of human communication and is increasingly used as a human-machine interface. Speech enhancement is crucial in communication or control applications as degradations caused by processing, or other sounds can reduce the quality of speech or the ability of humans and machines to estimate environment-specific properties. These properties are encoded in so-called acoustic parameters, enabling machines, for example, to estimate the sound source distance, classify indoor/outdoor environments, or localize sound sources. State-of-the-art speech enhancement is typically based on deep neural networks (DNNs), which estimate a mask from and apply it element-wise to a feature representation of the microphone signal to reduce undesired components like interfering sources, noise, or processing artifacts. Knowledge of acoustic parameters often helps to improve the enhancement. In this thesis, we use masking-based approaches to improve speech enhancement performance and acoustic parameter estimation algorithms.
The first part of the thesis is about single-channel speech enhancement methods. We propose the first DNN-based estimation method for multi-dimensional filters, a generalization of masks, for speech enhancement. We show that destructive degradations caused, e.g., by notch filters, can be reconstructed better with the filters than masks. Additionally, we show that the proposed filters can be used to declip speech signals. If not speech in general but a specific speaker is to be extracted, speaker-specific embeddings can be used to inform a DNN for mask estimation. We extend this concept to acoustic echo and noise reduction, where we propose to inform the DNN via time-variant embeddings (estimated from a time-variant reference signal) about the echo characteristics such that the DNN can estimate a mask to reduce the echo and noise. We investigate different training objectives, schedulers, and a combination with a partitioned-block frequency-domain adaptive Kalman filter which further improves the performance. Additionally, we propose a mask-based dereverberation method that outperforms a strong signal processing baseline.
In the second part of the thesis, we propose masking-based methods to estimate acoustic parameters. Firstly, we propose a single-channel direct-to-reverberation ratio (DRR) estimation method. The DRR is based on the energy ratio of the direct over the reflected acoustic paths from source to receiver and can be used to estimate source-receiver distances or to improve speech enhancement algorithms. The presented method is based on masks and achieves state-of-the-art results on the Acoustic Characterization of Environments challenge test set. Secondly, we propose methods to estimate the direction-of-arrival (DOA) of speech signals. Exemplary use-cases of the DOA are speech enhancement, e.g., in beamformers or source tracking. Our first DOA-based proposition is a statistical model-based lightweight training-data generation method for phase-based DOA estimation with DNNs. We show that DNNs trained with training data from the proposed method perform comparably to DNNs trained with data from a state-of-the-art method. However, the proposed method is lighter, so online data generation and generation of data for dynamic scenarios or arrays is possible. Furthermore, we propose and compare masking-based methods to tailor DOA estimators towards speech sources such that other directional sources are neglected. We show that masks in combination with signal-processing or DNN-based DOA estimators perform comparably for localizing a single speech source in the presence of directional non-speech interference and noise. However, the latter ones are computationally more expensive. Our proposed DNN-based DOA estimator for speech source localization achieves the best results.
Common Mode Transient Immunity (CMTI) is one of the most important key characteristics of an isolator. CMTI is defined as the ability of an isolation barrier to tolerate fast common mode transients and thus to maintain the system integrity. Measuring CMTI requires creating very fast voltage changes between two isolated circuit reference grounds. Furthermore, the capability of the isolator to resist temporary high voltage, named isolation voltage, represents another main characteristic of isolators. Today’s state-of-the-art measurement methods require a high voltage pulse generator such as an ESD surge generator to generate fast high voltage pulses to measure CMTI. To test the isolation voltage, extra equipment is used for stressing the device with the specified voltage, which would increase the production testing cost. Moreover, working with high voltages in production environments needs higher safety requirements. That’s why, in this thesis, a new method was developed to test both CMTI and isolation voltage in the same environment together with other parameters.
In fact, this work investigates the methodology used for testing digital isolators. The emphasis of this thesis lies in the implementation of a new method to characterize the key parameters of an isolation barrier during the production testing. For the CMTI measurement, a signal with the corresponding slope is produced and fed into the Device Under Test (DUT). To verify the isolation voltage, the proposed concept utilizes a DC-DC converter to supply the device explicitly with 120% of the specified isolation voltage. This voltage is applied for 1 second during the production testing. The same voltage converter is used together with a high voltage switch and an appropriate regulation circuit using passive elements to generate transients with predefined levels and slopes. Additionally, the other characteristics of the digital isolator are tested with the same board and during the same test sequence.
The proposed method was tested successfully using a test board and an evaluation board. The CMTI measurements showed high accuracy in the slope. In addition, integrating the high voltage tests together with other characterizations into one single Printed Circuit Board (PCB), used to fully characterize the devices, reduces test time and thus cost. The results of the measurements demonstrate the good performance of the proposed concept.