Hintergrund Durch die Entwicklung neuer in vivo Bildgebungsmethoden, z.B. der Computertomographie (CT) und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET), konnte in den letzten Jahren das Verständnis über die Pathophysiologie des akuten Lungenversagens (acute respiratory distress syndrome, ARDS) maßgeblich verbessert werden. So zeigten PET/CT-Messungen, dass beim ARDS pathophysiologische Veränderungen von Lungenbelüftung und -durchblutung zu einer Störung des Gasaustausches beitragen. Die deshalb erforderliche mechanische Beatmung kann allerdings zu einer weiteren Schädigung der Lunge führen (ventilator induced lung injury, VILI). Bisher konnten weder die exakten pathophysiologischen Mechanismen des ARDS noch der potentiell schädigende Einfluss der mechanischen Beatmung vollständig geklärt werden. Fragestellung In dieser Doktorarbeit wurden PET/CT-Bildgebungstechniken für die Quantifizierung der pulmonalen Belüftung, neutrophilischen Inflammation und Perfusion im experimentellen Modell des ARDS verwendet. Hierfür wurden zwei Substudien durchgeführt. Ziel der ersten Substudie war es, in einem tierexperimentellen Modell des ARDS den relativen Einfluss der beiden wesentlichen Mechanismen von VILI, das zyklische Öffnen und Schließen von Alveolen (Atelektrauma) und die alveoläre Überdehnung (Volutrauma), auf die pro-inflammatorische Antwort der Lunge zu untersuchen. Die zweite Substudie hatte das Ziel, die Anwendung von Fluoreszenz-markierten Mikrosphären für Messungen der pulmonalen Perfusionsverteilung in akut geschädigten Lungen zu validieren. Es sollte geprüft werden, ob ex vivo Messungen mittels Fluoreszenz-markierten Mikrosphären alternativ zu in vivo PET/CT-Messungen mittels Gallium-68 (68Ga)-markierten Mikrosphären im experimentellen Modell das ARDS herangezogen werden können. Material und Methoden Es wurden zwei Substudien in analgosedierten, intubierten und mechanisch beatmeten Schweinen durchgeführt. Die Induktion des ARDS erfolgte durch repetitives, bronchoalveoläres Lavagieren mit isotonischer Kochsalzlösung. In der ersten Substudie erfolgten Untersuchungen an 10 Tieren. Nach Rekrutierung beider Lungen wurde eine absteigende Titration des positiven, end-exspiratorischen Drucks (positive end-expiratory pressure, PEEP) durchgeführt. Es folgte eine randomisierte Zuordnung der Versuchstiere zu einer vierstündigen Beatmungstherapie der linken, VILI Lunge zur Induktion eines Atelektraumas oder Volutraumas. In beiden Versuchsgruppen wurde ein vergleichbares Tidalvolumen von 3 ml/kg Körpergewicht appliziert. Zur Induktion von Volutrauma wurde ein hoher PEEP gewählt (2 cmH2O oberhalb des Levels, an dem sich die dynamische Compliance während der PEEP-Titration um mehr als 5 % erhöht). Zur Induktion von Atelektrauma wurde ein niedriger PEEP appliziert (PEEP, bei dem eine mit Volutrauma vergleichbare Atemwegsdruckdifferenz (Differenz aus Spitzendruck und PEEP) auftritt). In der rechten Lunge, welche als Kontrolllunge diente, wurde ein kontinuierlicher, positiver Atemwegsdruck von 20 cmH2O aufrechterhalten. Der Gasaustausch, insbesondere die Eliminierung von Kohlenstoffdioxid, wurde extrakorporal unterstützt. Nach vierstündiger Beatmung der linken, VILI Lunge erfolgte die Bildgebung. Für die Quantifizierung von Ausmaß und regionaler Verteilung der pulmonalen Inflammation wurde 2-deoxy-2-[18F]fluoro-D-glucose (18F-FDG) intravenös injiziert und die Aktivität mittels dynamischen PET/CT-Aufnahmen erfasst. Die Erfassung der Lungenperfusion erfolgte mittels intravenös injizierten, 68Ga-markierten Mikrosphären und statischen PET/CT-Aufnahmen. Anschließende CT-Aufnahmen während Atemmanövern am Ende der Inspiration, Exspiration und am mittleren Atemvolumen dienten der Bestimmung von Lungenbelüftung, zyklischer Überdehnung und Rekrutierung. In der zweiten Substudie wurde in 7 Schweinen die Perfusion der linken und rechten Lunge untersucht (n = 14 Lungen). Nach jeweils einstündiger mechanischer Beatmung mittels zweiphasigem, positivem Beatmungsdruck überlagert mit einem Anteil an Spontanatmung am Minutenvolumen von 0 % oder > 60 % wurden Fluoreszenzmarkierte und 68Ga-markierte Mikrosphären intravenös injiziert. Unmittelbar im Anschluss erfolgten PET/CT-Messungen der Verteilung der 68Ga-markierten Mikrosphären. Für die Analyse der Verteilung der Fluoreszenz-markierten Mikrosphären wurden die Lungen am Versuchsende entnommen, getrocknet, in Würfel gesägt und die emittierende Fluoreszenz sowie das Gewicht jedes Würfels gemessen. Die in vivo PET-Aktivitätsmessungen wurden auf die mittels CT bestimmte Lungenmasse normalisiert (QRM). Die QRM-Daten wurden auf die Auflösung der Fluoreszenzmessungen herunterskaliert (QRM,downscaled). Die Analyse der ex vivo Fluoreszenzmessungen erfolgte durch Normalisierung auf die Masse der Lungenwürfel (QFM,Mass), auf deren Volumen (QFM,Volume) und auf Würfelmasse und -volumen (QFM,Mass,Volume). Die Auflösung und die äußeren Konturen der Lungen wurden zwischen ex vivo und in vivo Messungen verglichen. Lineare Regressionen von Perfusion und axialer Verteilung jedes Lungenvolumenelementes dienten der Bestimmung von Perfusionsgradienten entlang der ventro-dorsalen und kranio-kaudalen Achse. Die Anstiege der Regressionsgeraden wurden zwischen den Messmethoden verglichen. Für jede Lunge wurde die globale und regionale Perfusionsheterogenität bestimmt und zwischen den Messmethoden verglichen. Ergebnisse In der ersten Substudie verdeutlichten PET/CT-Messungen, dass, trotz vergleichbarer Perfusion, Volutrauma im Vergleich zu Atelektrauma zu einer höheren spezifischen Aufnahme von 18F-FDG in den beatmeten, VILI Lungen führte. Dieser Effekt trat hauptsächlich in zentralen Lungenregionen auf. Weiterhin führte Volutrauma, aber nicht Atelektrauma, zu einer höheren spezifischen 18F-FDG-Aufnahme in den beatmeten, VILI Lungen im Vergleich zu den nicht-ventilierten Kontrolllungen. CT-Aufnahmen verdeutlichten, dass Atelektrauma einen höheren Anteil an nicht belüfteten Lungenkompartimenten und mehr zyklische Rekrutierung zur Folge hatte. Volutrauma bedingte hingegen höhere Anteile an überblähten und normal belüfteten Lungenarealen und mehr zyklische Überdehnung. Die Atemwegsdruckdifferenzen waren anfänglich zwischen den Gruppen vergleichbar, stiegen im Verlauf bei Atelektrauma, aber nicht bei Volutrauma, an. In der zweiten Substudie verdeutlichten sowohl ex vivo QFM,Volume-Messungen, als auch in vivo QRM-Messungen die Existenz von Perfusionsgradienten entlang der ventrodorsalen und kranio-kaudalen Achsen, trotzdem QFM-Messungen eine 21-fach geringere Auflösung aufwiesen und die erforderliche Lungenentnahme und -trocknung eine Lungendeformation bedingte. Beide Messverfahren zeigten stärkere Perfusionen dorsaler und kaudaler im Vergleich zu ventraler und kranialer Lungenareale. Im Vergleich zu QRM,downscaled-Messungen wiesen QRM-Messungen höhere globale Perfusionsheterogenitäten auf. Verglichen mit QRM,downscaled-Messungen wiesen sowohl QFM,Volume-Messungen, als auch QFM,Mass,Volume-Messungen vergleichbare regionale Perfusionsheterogenitäten auf. Schlussfolgerungen In der ersten Substudie führte Volutrauma im Vergleich zu Atelektrauma, trotz vergleichbarem Tidalvolumen, geringerer Atemwegsdruckdifferenz und vergleichbarer Perfusion, zu einer höheren pulmonalen Inflammation. Dies deutet darauf hin, dass in diesem Modell des ARDS die mit Volutrauma assoziierten hohen statischen Drücke im Vergleich zu dynamischen Einflüssen die schädlicheren Mechanismen von VILI sind. Die zweite Substudie verdeutlichte, dass ex vivo Messungen der Verteilung von Fluoreszenz-markierten Mikrosphären bei Volumennormalisierung, trotz geringerer Auflösung und auftretenden Lungendeformationen, vergleichbare Messergebnisse hinsichtlich der Existenz und des Ausmaßes von Lungengradienten mit in vivo PET/CTMessungen aufzeigen. Eine Anpassung der Auflösung der in vivo Perfusionsmessungen an die der ex vivo Messungen verringerte sowohl die globale, als auch die regionale Perfusionsheterogenität. Bei gleicher Auflösung zeigten ex vivo QFM,Volume-Messungen vergleichbare globale und regionale Perfusionsheterogenitäten wie in vivo Messungen. Die Studienergebnisse deuten darauf hin, dass für die Quantifizierung von pulmonalen Perfusionsgradienten ex vivo QFM,Volume-Messungen alternativ zu in vivo PET/CTMessungen durchgeführt werden können.

This study aims at the development of materials for biodegradable fiducial markers for X-ray based medical imaging and their anchorage in soft tissue. Towards this goal a degradable polymer matrix of poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) (P[LAcoCL]) was combined with barium sulfate (BaSO₄) and hydroxyapatite (HAp) as radio-opaque fillers. Low pressure plasma treatment was applied to the composite materials to improve cell adhesion and subsequent tissue integration. In particular, the effects of oxygen and ammonia plasmas were evaluated and compared using X-ray photoelectron spectroscopy, atomic force microscopy and dynamic water contact angle measurements as well as in vitro studies using the murine fibroblast cell line L929. To exclude the cytotoxic effects of degradation products of P[LAcoCL] and released BaSO₄ or HAp cytotoxicity assays with the degradation products of the composite materials were conducted. The results obtained by this broad range of analytical techniques suggest the application of composites of P[LAcoCL] with BaSO₄ and HAp as promising material systems for innovative fiducial markers for soft tissue in X-ray based medical imaging.

Krebserkrankungen stellen in Deutschland die zweithäufigste Todesursache dar und die Anzahl der Neuerkrankungen nimmt stetig zu. Frühzeitige Diagnosen und Therapiemöglichkeiten sind daher dringend erforderlich. Cyklinabhängige Proteinkinasen (Cdk) spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulation des Zellzyklus. Viele Tumore zeigen eine deregulierte Cdk4‑Aktivität und/oder ‑Expression. Insgesamt zeigen ca. 80% aller Tumore eine Fehlregulation der für den Zellzyklus zentralen Cdk4/CykD1/INK4/pRb/E2F Signalkaskade. Somit besitzen Cdks ein enormes therapeutisches Potential im Kampf gegen Krebs. Die spezifische Inhibierung der Cdks verhindert die Zellproliferation und damit das Tumorwachstum. In den letzten Jahren wurden verschiedenste Strukturklassen vorgestellt, die als Cdk4-Inhibitor wirken. Im Rahmen der Promotion sollen die Möglichkeiten einer funktionellen Tumordiagnose mittels cyklinabhängiger Kinasen untersucht werden. Die Entwicklung von radioaktiv markierten Inhibitoren der Cdk4/6 als Radiotracer und ihre radiopharmakologische Charakterisierung stellt dabei einen neuen Ansatz dar. Um die Rolle der Cdk4/6 im Zellzyklus von gesunden und deregulierten (z.B. Tumor-) Zellen aufzuklären, sollten mit Iod-124 und Fluor-18 markierte Inhibitoren eingesetzt werden, die hochselektiv diese Cdks blockieren. Zunächst wurden verschiedene Inhibitoren der Cdk4/6 und deren Vorstufen für die Radiomarkierung dargestellt. Die bereits aus den Vorarbeiten von VanderWel et al., 2005 und Toogood et al., 2001 bekannten Syntheserouten mussten dazu optimiert werden und für neue Verbindungen, wie die fluorethylierten Substanzen, wurden neue Reaktionswege gefunden. Die dargestellten Referenzverbindungen CKIA-E wurden anschließend mittels Durchflusszytometrie an den Zelllinien HT-29 und FaDu auf ihre inhibitorischen Wirkung untersucht. Die Untersuchungen der Verbindungen CKIA/B/E zeigte, dass ein Zellzyklusarrest unter Einwirkung der Inhibitoren erreichbar ist. Die weiteren Untersuchungen zur Radiomarkierbarkeit sowie die radiopharmakologische Evaluation sollten daher an den Verbindungen CKIA, CKIB und CKIE stattfinden. Die Darstellung der Verbindungen [124I]CKIA und [124I]CKIB erfolgte in zwei Schritten über die elektrophile Substitution durch regioselektive Destannylierung mit anschließender Entschützung der Seitenkette. Die Darstellung der fluorethylierten Verbindung erfolgte ebenfalls über eine Zweischrittsynthese beginnend mit der Synthese der prosthetischen Gruppe [18F]BFE aus der Tosylmarkierungsvorstufe. Die zur Markierung des sekundären Amins zur Auswahl stehenden prosthetischen Gruppen [18F]Fluorethyltosylat ([18F]FETos) und [18F]Bromfluorethan ([18F]BFE) wurden auf ihre Eignung untersucht, ebenso wie die Auswahl einer geeigneten Markierungsvorstufe für die Darstellung der prosthetischen Gruppe. Die optimierten Syntheserouten ermöglichten die Isolierung von ausreichenden Mengen an Produktaktivität für die radiopharmakologischen Untersuchungen. Es fanden, neben der Bestimmung der spezifischen Aktivität und der Lipophilie der Verbindungen, Zellaufnahmeuntersuchungen und Bestimmungen zur Stabilität der Verbindungen in vitro, ex vivo und in vivo statt. Die radioiodierten Verbindungen konnten des Weiteren zur Untersuchungen der Bioverteilung in normalen männlichen Wistar-Ratten eingesetzt werden. Für alle drei Verbindungen konnte eine sehr hohe in vitro-Stabilität festgestellt werden. Die Zellaufnahmeuntersuchungen zeigten vor allem für die Verbindungen [124I]CKIA und [124I]CKIB eine beträchtliche Zellaufnahme von über 1000% ID/mg Protein nach 2 h. Die Zellaufnahme der Verbindung CKIE ist geringer, sollte allerdings für eine in vivo-Anwendung ausreichend sein. Die Untersuchung der in vivo‑Stabilität der Verbindungen [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE im Blut von Wistar Ratten ergab allerdings, dass alle Verbindungen schnell metabolisiert werden. Die Untersuchung der Bioverteilung der radioiodierten Verbindungen belegen eine in vivo Radiodeiodierung sowie eine hohe hepatobliliäre Auscheidungsrate. Im Hinblick auf eine Anwendung als Radiotracer konnten im Rahmen dieser Arbeit neue Erkenntnisse gewonnen werden. Die dargestellten Inhibitoren sind in der Lage am Zellmodell den Zellzyklusarrest in der G1-Phase zu induzieren. Eine Radiomarkierung der ausgewählten Strukturen liefert das Produkt mit reproduzierbarer Ausbeute in hoher radiochemischer Reinheit und ausreichender spezifischer Aktivität, allerdings ist eine Herstellung der fluorethylierten Verbindung unter GMP-Bedingungen nur schwer realisierbar. Die radiomarkierten Verbindungen zeigen eine hohe in vitro-Stabilität und werden energieabhängig in die Zelle aufgenommen. Anhand der Stabilitätsuntersuchungen in vivo wurde gezeigt, dass alle drei Verbindungen in vivo instabil sind und sehr schnell hepatobiliär eliminiert.

The early non-invasive diagnosis of epithelial tissue alterations in daily clinical routine is still challenging. Since optical coherence tomography (OCT) shows the potential to differentiate between benign and malignant tissue of primal endothelium, OCT could be beneficial for the early diagnosis of malignancies in routine health checks. In this research, a new handheld endoscopic scanning unit was designed and connected to a spectral domain OCT system of our workgroup for the in vivo imaging of the human oral mucosa.

Intravital microscopy (IVM) is a well-established imaging technique for real-time monitoring of microscale lung tissue dynamics. Although accepted as a gold standard in respiratory research, its characteristic image features are scarcely understood, especially when trying to determine the actual position of alveolar walls. To allow correct interpretation of these images with respect to the true geometry of the lung parenchyma, we analyzed IVM data of alveoli in a mouse model in comparison with simultaneously acquired optical coherence tomography images. Several IVM characteristics, such as double ring structures or disappearing alveoli in regions of liquid filling, could be identified and related to the position of alveoli relative to each other. Utilizing a ray tracing approach based on an idealized geometry of the mouse lung parenchyma, two major reflection processes could be attributed to the IVM image formation: partial reflection and total internal reflection between adjacent alveoli. Considering the origin of the reflexes, a model was developed to determine the true position of alveolar walls within IVM images. These results allow thorough understanding of IVM data and may serve as a basis for the correction of alveolar sizes for more accurate quantitative analysis within future studies of lung tissue dynamics.

Since optical coherence tomography (OCT) provides three-dimensional high-resolution images of biological tissue, the benefit of polarization contrast in the field of dentistry is highlighted in this study. Polarization-sensitive OCT (PS OCT) with phase-sensitive recording is used for imaging dental and mucosal tissues in the human oral cavity in vivo. An enhanced polarization contrast of oral structures is reached by analyzing the signals of the co- and crosspolarized channels of the swept source PS OCT system quantitatively with respect to reflectivity, retardation, optic axis orientation, and depolarization. The calculation of these polarization parameters enables a high tissue-specific contrast imaging for the detailed physical interpretation of human oral hard and soft tissues. For the proof-of-principle, imaging of composite restorations and mineralization defects at premolars as well as gingival, lingual, and labial oral mucosa was performed in vivo within the anterior oral cavity. The achieved contrast-enhanced results of the investigated human oral tissues by means of polarizationsensitive imaging are evaluated by the comparison with conventional intensity-based OCT.

Introduction: Prostate-specific membrane antigen (PSMA)-based imaging and theranostics have played an important ole in the diagnosis, staging, and treatment of prostate cancer (PCa). We aimed to evaluate the acceptance and use of PSMA theranostics among German urologists.- Methods: An anonymous online questionnaire was sent via survio.com to the members of the German Society of Urology (DGU). - Results: Seventy-two percent of participants performed PSMA positron emission tomography (PET) imaging regularly in biochemically recurrent PCa. Overall, 61% of participants considered PSMA-radioligand therapy to be very useful or extremely useful. PSMA PET imaging in high-risk PCa is more often considered by urologists working in a university setting than in nonuniversity settings or medical practices (51% vs. 25%, p < 0.001). Most perform PSMA-radioligand therapy as an option after all approved systemic treatments for metastatic metastatic castration-resistant PCa (56%) or after cabazitaxel (14%). A total of 93.9% and 70.3% of respondents consider the lack of reimbursement by health insurance to be the main obstacle to using PSMA PET imaging or radioligand therapy, respectively. - Discussion/Conclusion: PSMA-based maging/theranostics are already widely applied but would find even more widespread use if reimbursement is clearly regulated by health insurance in Germany.

The juxtaglomerular niche occupied by renin cells (RCN) plays an important role in glomerular repair but the precise temporal and spatial interrelations remain unclear. This study proposes the hypothesis of a local intra-extraglomerular regenerative feedback system and establishes a new quantifiable system for RCN responses in individual glomeruli in vivo. A strictly intraglomerular twophoton laser-induced injury model was established. Labeled renin cells (RC) in transgenic renin reporter mice were fate-traced in healthy and injured glomeruli over several days by intravital microscopy and quantified via new three-dimensional image processing algorithms based on ray tracing. RC in healthy glomeruli demonstrated dynamic extraglomerular protrusions. Upon intraglomerular injury the corresponding RCN first increased in volume and then increased in area of dynamic migration up to threefold compared to their RCN. RC started migration reaching the site of injury within 3 hours and acquired a mesangial cell phenotype without losing physical RCN-contact. During intraglomerular repair only the corresponding RCN responded via stimulated neogenesis, a process of de novo differentiation of RC to replenish the RCN. Repeated continuous intravital microscopy provides a state-of-the-art tool to prove and further study the local intraglomerular RCN repair feedback system in individual glomeruli in vivo in a quantifiable manner.

Spontaneous Raman spectroscopy (SR) is a versatile method for analysis and visualization of ferroelectric crystal structures, including domain walls. Nevertheless, the necessary acquisition time makes SR impractical for in situ analysis and large scale imaging. In this work, we introduce broadband coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (B-CARS) as a high-speed alternative to conventional Raman techniques and demonstrate its benefits for ferroelectric domain wall analysis. Using the example of poled lithium niobate, we compare the spectral output of both techniques in terms of domain wall signatures and imaging capabilities. We extract the Raman-like resonant part of the coherent anti-Stokes signal via a Kramers–Kronigbased phase retrieval algorithm and compare the raw and phase-retrieved signals to SR characteristics. Finally, we propose a mechanism for the observed domain wall signal strength that resembles a Cerenkov-like behavior, in close analogy to domain wall signatures obtained by secondharmonic generation imaging.We, thus, lay here the foundations for future investigations on other poled ferroelectric crystals using B-CARS.

Der zunehmende Einsatz regenerativer Energiequellen erfordert die Nutzung von Energiezwischenspeichern, die umweltfreundlich, günstig und skalierbar sein sollten. Die Zink-Luft-Flussbatterie (ZLFB) kann perspektivisch diese Anforderungen erfüllen, wobei zur Bereitstellung der gespeicherten Energie eine Suspension aus Zinkpartikeln in einem gelierten Elektrolyt durch eine elektrochemische Zelle gepumpt wird. Um die Strömungsstruktur der ZLFB auszulegen und Fehlfunktionen zu vermeiden, ist ein grundlegendes Verständnis der Rheologie der Zinksuspension notwendig. Außerdem kann über die Einstellung einer geeigneten Strömung die bei der Entladung erreichte elektrische Leistungsdichte gesteigert werden. Bereits die Flüssigphase der Zinksuspension weist eine komplexe nicht-Newtonsche Rheologie auf, welche durch die Zugabe der Partikel komplexer wird. Für das grundlegende Verständnis der Rheologie werden daher Modellexperimente durchgeführt, wobei in dieser Arbeit ein L-förmiger Kanal mit Strömungsaufweitung untersucht wurde, um die komplexen strömungsmechanischen Eigenschaften der Zinksuspension abzubilden. Zur Erfassung des Strömungsfeldes ist eine Ortsauflösung von 1 … 2 mm in einem Messbereich von 20 × 15 mm2 erforderlich. Ultraschall ist prinzipiell geeignet, um das Strömungsfeld in der opaken Suspension zu erfassen, wobei die wesentliche Herausforderung in den starken Wellenfrontverzerrungen besteht, welche durch die Zinkpartikel eingebracht werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Ultrasound Imaging Velocimetry (UIV) robuster gegenüber diesen Störungen ist, als die Ultraschall-Doppler-Velozimetrie (UDV). Die UIV wurde daher mittels Geschwindigkeitsnormal an die messtechnischen Randbedingungen der Zinksuspension angepasst und charakterisiert. Bei einer Ortsauflösung von 1,6 mm wurde eine Gesamtmessunsicherheit von 2,5 % axial und 4,1 % lateral zur Schallausbreitungsrichtung erreicht. Das im Modellexperiment gemessene Strömungsfeld weist eine Totzone an der Strömungsumlenkung auf, deren Auftreten durch eine von der Scherhistorie abhängige Viskosität erklärt werden kann. Dieser Effekt wird als Thixotropie bezeichnet. Durch die In-situ-Messung der Strömung in einer aktiven ZLFB kann eine Korrelation von Strömung und elektrischer Leistung erfolgen und die erzielte Leistungsdichte perspektivisch durch eine Anpassung der Strömung gesteigert werden. Bei der Messung im 2,6 mm hohen Anodenspalt muss aufgrund der komplexen Rheologie der Suspension und der daraus resultierenden hohen Geschwindigkeitsgradienten eine Ortsauflösung von unter 100 µm bei gleichzeitig kleiner Ultraschallfrequenz realisiert werden, da der Ultraschall für hohe Frequenzen nicht in die Zinksuspension eindringt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) genutzt, welche Ortsauflösungen unterhalb des Beugungslimits ermöglicht. Einzelne nichtlineare Streupartikel werden mittels Harmonic Imaging isoliert abgebildet und verfolgt, wobei die durch die Zinkpartikel eingebrachten Wellenfrontstörungen durch einen kohärenzgewichteten Strahlformer kompensiert werden. Es wurde eine Ortsauflösung von 67 µm axial und 30 µm lateral zur Schallausbreitungsrichtung bei einer Anregungswellenlänge von 330 µm erreicht. Trotz der stark streuenden Zinksuspension, konnte so eine Messung in der aktiven ZLFB mit einer maximalen Messunsicherheit von 12,5 % durchgeführt werden. Dabei wurde eine Wandgleitgeschwindigkeit von 3 mm s−1 bei einer maximalen Geschwindigkeit von etwa 8 mm s−1 festgestellt. Die SRPTV kann darüber hinaus in anderen technischen Prozessen eingesetzt werden, in denen Suspensionsströmungen in kleinen Geometrien auftreten.:Symbolverzeichnis xiii Abkürzungsverzeichnis xv 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1 1.2 Stand der Technik 4 1.3 Lösungsansatz und Struktur der Arbeit 8 2 Theoretische Grundlagen 11 2.1 Grundlagen der Schallausbreitung 11 2.1.1 Schallausbreitung in homogenen Medien 11 2.1.2 Schallausbreitung in inhomogenen Medien 13 2.2 Ultraschall Bildgebung 14 2.2.1 Phased-Array-Prinzip 15 2.2.2 Plane wave imaging 16 2.2.3 Grenzen der Schallfeldfokussierung 16 2.3 Messung von Strömungsfeldern 17 2.3.1 Ultraschall-Doppler-Velozimetrie 18 2.3.2 Ultrasound Imaging Velocimetry 19 2.3.3 Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 19 2.4 Nichtlineare akustische Effekte 20 2.4.1 Beschreibung von Linearität 20 2.4.2 Interaktion von nichtlinearen Streupartikeln und Schallwelle 20 2.4.3 Harmonic Imaging 21 3 Experimentelle Grundlagen 25 3.1 Charakterisierung der Zinksuspension 25 3.1.1 Zusammensetzung der Zinksuspension 25 3.1.2 Bestimmung von Dämpfung und Schallgeschwindigkeit 26 3.1.3 Bestimmung der spezifischen akustischen Impedanz 29 3.2 Messtechnik 30 3.2.1 Ultraschallforschungsplattform: Phased Array Ultrasound Dopp- ler Velocimeter 30 3.2.2 Ultraschallwandler 32 4 Verfahren zur Strömungsmessung im Modellexperiment 37 4.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2 Untersuchung geeigneter Verfahren zur Messung von Strömungsfel- dern in der Zinksuspension 38 4.3 Optimierung der Signalverarbeitung und Charakterisierung der Messei- genschaften 44 4.3.1 Geschwindigkeitsnormal 44 4.3.2 Optimierung der Messsystemparameter 45 4.3.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 48 4.3.4 Validierung 49 4.4 Messung der Suspensionsströmung im Modellexperiment 55 4.4.1 Messergebnisse 55 4.4.2 Vergleich von Simulation und Messung 58 4.5 Fazit 61 5 Verfahren zur In-situ-Strömungsmessung in einer Zink-Luft-Flussbatterie 63 5.1 Experimenteller Aufbau 63 5.2 Strömungsmessung unterhalb des Beugungslimits - Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) 65 5.2.1 Nutzung nichtlinearer Streupartikel 68 5.2.2 Trennung von linearem und nichtlinearem Signalanteil 72 5.2.3 Strahlformung mit Kompensation der Streuung 76 5.2.4 Particle Tracking 80 5.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 81 5.3.1 Vorgehen zur Charakterisierung der Messeigenschaften 82 5.3.2 Untersuchung der Positionsunsicherheit 83 5.3.3 Untersuchung der Geschwindigkeitsunsicherheit 92 5.4 Messung an einer aktiven Zink-Luft-Flussbatterie 95 5.4.1 Aufbau und Durchführung 95 5.4.2 Messergebnisse 97 5.4.3 Vergleich von Simulation und Messung 97 5.5 Fazit 102 6 Zusammenfassung und Ausblick 103 6.1 Erkenntnisse und Fortschritt 103 6.1.1 Ultrasound Imaging Velocimetry 103 6.1.2 Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 104 6.1.3 Fazit 106 6.2 Ausblick und weiterführende Arbeiten 106 6.2.1 Messtechnik 106 6.2.2 Anwendung 107 Literaturverzeichnis 109 Publikationsverzeichnis 117 Artikel in Zeitschriften mit peer-review 117 Tagungsbeiträge 117 Patente 119 / For the efficient use of renewable energies, energy storage systems are required that are environmentally friendly, low priced and scalable. The zinc-air flow battery (ZAB), which is operated by pumping an opaque suspension of zinc particles in an gelled electrolyte through an electrochemical cell, is a promising candidate as energy storage system for these requirements. To design the fluidic structures and avoid malfunction, a fundamental understanding of the rheology of the zinc suspension is required. Additionally, the electrical performance of the cell can be imporved by optimizing the flow in the electrochemical cell. The liquid phase of the suspension itself has complex non-Newtonian properties, which are even more complex when the particles are considered. For the fundamental understanding of the suspension rheology, model experiments are conducted. In this work an L-shaped channel with a widening is used to represent relevant effects from the complex rheology of the suspension. To measure the flow field, a spatial resolution of 1 … 2 mm and a measurement area of 20 × 15 mm2 are required. Ultrasound can be used to measure the flow in opaque liquids, but wavefront distortions are introduced by the zinc particles. Established measurement methods for homogeneous opaque fluids, the Ultrasound Imaging Velocimetry (UIV) and the Ultrasound Doppler Velocimetry (UDV), were compared for the application at the suspension. The UIV has a 50 % lower random deviation, which makes it more suitable for the flow measurement in the suspension and it was adapted to the measurement conditions in the suspension. At a spatial resolution of 1.66 mm, a velocity uncertainty of 2.5 % axial and 4.1 % lateral to the ultrasound propagation were achieved. The application of the UIV to the suspension flow in the model experiment revealed a thixotropic behavior of the fluid, which resulted in a dead flow zone opposite to the inlet of the channel. The in situ measurement of the flow in an active ZAB, allows to correlate electrical performance and flow and thereby an improvement of the cell performance by adapting the flow. For the measurement in the anodic channel with a width of 2.6 mm, a spatial resolution of 100 µm is required because of the high velocity gradients due to the non-Newtonian rheology of the suspension. The high spatial resolution has to be achieved at low ultrasound frequencies, since the ultrasound does not penetrate into the suspension for high frequencies. To achieve this, the Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) was used, which allows a spatial resolution beyond the diffraction limit. Harmonic Imaging is used to image isolated non-linear tracer particles, which are tracked for velocity estimation. The speckle and image distortion due to the induced wavefront distortions are compensated with a coherence weighting beamformer. A spatial resolution of 67 µm axial and 30 µm lateral to the ultrasound propagation were achieved. Despite the strong scattering of the ultrasound at the zinc particles, a maximum velocity uncertainty of 12.5 % referred to the maximum velocity was achieved for the measurement in the active ZAB. A slip velocity of 3 mm at a maximum velocity of 8 mm was observed. The SRPTV can be applied to other technical processes, where suspension flows in small geometries play an important role.:Symbolverzeichnis xiii Abkürzungsverzeichnis xv 1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1 1.2 Stand der Technik 4 1.3 Lösungsansatz und Struktur der Arbeit 8 2 Theoretische Grundlagen 11 2.1 Grundlagen der Schallausbreitung 11 2.1.1 Schallausbreitung in homogenen Medien 11 2.1.2 Schallausbreitung in inhomogenen Medien 13 2.2 Ultraschall Bildgebung 14 2.2.1 Phased-Array-Prinzip 15 2.2.2 Plane wave imaging 16 2.2.3 Grenzen der Schallfeldfokussierung 16 2.3 Messung von Strömungsfeldern 17 2.3.1 Ultraschall-Doppler-Velozimetrie 18 2.3.2 Ultrasound Imaging Velocimetry 19 2.3.3 Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 19 2.4 Nichtlineare akustische Effekte 20 2.4.1 Beschreibung von Linearität 20 2.4.2 Interaktion von nichtlinearen Streupartikeln und Schallwelle 20 2.4.3 Harmonic Imaging 21 3 Experimentelle Grundlagen 25 3.1 Charakterisierung der Zinksuspension 25 3.1.1 Zusammensetzung der Zinksuspension 25 3.1.2 Bestimmung von Dämpfung und Schallgeschwindigkeit 26 3.1.3 Bestimmung der spezifischen akustischen Impedanz 29 3.2 Messtechnik 30 3.2.1 Ultraschallforschungsplattform: Phased Array Ultrasound Dopp- ler Velocimeter 30 3.2.2 Ultraschallwandler 32 4 Verfahren zur Strömungsmessung im Modellexperiment 37 4.1 Experimenteller Aufbau 37 4.2 Untersuchung geeigneter Verfahren zur Messung von Strömungsfel- dern in der Zinksuspension 38 4.3 Optimierung der Signalverarbeitung und Charakterisierung der Messei- genschaften 44 4.3.1 Geschwindigkeitsnormal 44 4.3.2 Optimierung der Messsystemparameter 45 4.3.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 48 4.3.4 Validierung 49 4.4 Messung der Suspensionsströmung im Modellexperiment 55 4.4.1 Messergebnisse 55 4.4.2 Vergleich von Simulation und Messung 58 4.5 Fazit 61 5 Verfahren zur In-situ-Strömungsmessung in einer Zink-Luft-Flussbatterie 63 5.1 Experimenteller Aufbau 63 5.2 Strömungsmessung unterhalb des Beugungslimits - Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry (SRPTV) 65 5.2.1 Nutzung nichtlinearer Streupartikel 68 5.2.2 Trennung von linearem und nichtlinearem Signalanteil 72 5.2.3 Strahlformung mit Kompensation der Streuung 76 5.2.4 Particle Tracking 80 5.3 Charakterisierung der Messeigenschaften 81 5.3.1 Vorgehen zur Charakterisierung der Messeigenschaften 82 5.3.2 Untersuchung der Positionsunsicherheit 83 5.3.3 Untersuchung der Geschwindigkeitsunsicherheit 92 5.4 Messung an einer aktiven Zink-Luft-Flussbatterie 95 5.4.1 Aufbau und Durchführung 95 5.4.2 Messergebnisse 97 5.4.3 Vergleich von Simulation und Messung 97 5.5 Fazit 102 6 Zusammenfassung und Ausblick 103 6.1 Erkenntnisse und Fortschritt 103 6.1.1 Ultrasound Imaging Velocimetry 103 6.1.2 Super Resolution Ultrasound Particle Tracking Velocimetry 104 6.1.3 Fazit 106 6.2 Ausblick und weiterführende Arbeiten 106 6.2.1 Messtechnik 106 6.2.2 Anwendung 107 Literaturverzeichnis 109 Publikationsverzeichnis 117 Artikel in Zeitschriften mit peer-review 117 Tagungsbeiträge 117 Patente 119