Machine learning has the potential of significantly improving daily operations in health care institutions but many persistent barriers are to be faced in order to ensure its wider acceptance. Among such obstacles are the accuracy and reliability. For a decision support system to be entrusted by the medical staff in clinical situations, it must perform with an accuracy comparable to or surpassing that of human medics, as well ashaving a universal applicability and not being subject to any bias. In this paper the MIMIC-IV Clinical Database will be utilized in order to: (1) Predict patient mortality and its associated risk factors in intensive care units (ICU) and: (2) Assess the reliability of utilizing the database as a basis for a clinical decision system. The cohort consisted of 523,740 hospitalizations, matched with each respective admitting diagnoses in ICD-9 format. The diagnoses were then converted from code to text-format, with the most frequently occurring factors (words) observed in deceased and surviving patients being analyzed with an Natural language Processing (NLP) algorithm. The results concluded that many of the observed risk factors were self-evident while others required further explanation, and that the performance was highly by selection of hyperparameters. Finally, the MIMIC-IV database can serve as a stable foundation for a clinical decision system but its reliability and universality shall also be taken into consideration. / Maskininlärninstekniker har en stor potential att gynna sjukvården men står inför ett flertal hinder för att fullständigt kunna tillämpas. Framförallt bör modellernas tolkningsbarhet och reproducerbarhet beaktas. För att att ett kliniskt beslutstodssystem skall vara fullständigt anförtrott av sjukvårdspersonal måste det kunna prestera med en jämförbar eller högre träffsäkerhet än sjukvårdspersonal, samt kunna tillämpas i åtskilliga sammanhang utan någon subjektivitet. Syftet med denna studie är att: (1) Förutspå patientdödsfall i intensivvårdsavdelningar och utreda dess riskfaktorer genom journalförd information från databasen MIMIC-IV och: 2) Bedöma databasens tillförlitlighet som underlag för ett kliniskt beslutstödssystem. Kohorten bestod av 523,740 insjuknanden som matchades med de diagnoser som ställdes vid deras sjukhusintag. Eftersom diagnoserna inskrevs i ICD-9-format omvandlades dessa till ord och de mest förekommande faktorerna (orden) för avlidna och överlevande patienter analyserades med en NLP-model (Natural Language Processing). Resultaten konkluderade att många av de förutspådda riskfaktorerna var uppenbara medan andra krävde ytterligare klargöranden. Dessutom kunde val av hyperparametrar stort påverka modellens kvalitet. MIMIC-IV-databasen kan utgöra ett gediget underlag för ett kliniskt beslutsystem men dess tillförlitlighet och relevans bör även tas i beaktande. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

The surfactant protein-G (SP-G) has recently been discovered in the brain and linked to fluid balance regulations. Stroke is characterized by impaired vessel integrity, promoting water influx and edema formation. The neurovascular unit concept (NVU) has been generated to cover not only ischemic affections of neurons or vessels but also other regionally associated cells. This study provides the first spatio-temporal characterization of SP-G and NVU elements after experimental stroke. Immunofluorescence labeling was applied to explore SP-G, vascular and cellular markers in mice (4, 24, and 72 h of ischemia), rats (24 h of ischemia), and sheep (two weeks of ischemia). Extravasated albumin indicated vascular damage within ischemic areas. Quantifications revealed decreasing SP-G signals in the ischemia-affected neocortex and subcortex. Inverse immunosignals of SP-G and vascular elements existed throughout all models. Despite local associations between SP-G and the vasculature, a definite co-localization was not seen. Along with a decreased SP- G-immunoreactivity in ischemic areas, signals originating from neurons, glial elements, and the extracellular matrix exhibited morphological alterations or changed intensities. Collectively, this study revealed regional alterations of SP-G, vascular, and non-vascular NVU elements after ischemia, and may thus stimulate the discussion about the role of SP-G during stroke.

This study evaluated alternative sulfide treatment processes for potable water systems that rely on groundwater supplies. Research for this study was conducted at the Imperial Lakes (IL) and Turner Road (TR) water treatment plants (WTPs) in Polk County, Florida. These WTPs are in the process of refurbishment and expansion, and will require the installation of a new groundwater well. The IL and TR WTPs both rely upon groundwater sources that contain total sulfide at concentrations ranging from 1.4 to 2.6 mg/L. Sulfide is a concern because if left untreated it can impact finished water quality, corrosivity, create undesirable taste and odor, and oxidize to form visible turbidity. For this reason, the raw water will require treatment per Florida Department of Environmental Protection (FDEP) "Sulfide Rule" 62-555.315(5)(a). This rule does not allow the use of conventional tray aeration (currently in use at the IL and TR WTPs) for wells that have significant total sulfide content (0.6 to 3.0 mg/L). This research was commissioned because the potential water treatment method identified in the Sulfide Rule (i.e. forced-draft aeration) would not adequately fit within the confines of the existing sites and would pose undue burden to neighboring residents. In addition, an effective sulfide treatment process was desired that offered a low profile, did not necessitate the need for additional complex chemical feed systems, minimized the extent of electrical infrastructure upgrades, and was inexpensive to construct and operate. To meet these goals, several alternative technologies were evaluated at the desktop and bench-scale; these included anion exchange, various oxidation methods, and alternative media filtration processes. From that effort, several processes were selected for evaluation at the pilot scale: bleach (NaOCl) oxidation preceding electromedia filtration; manganese (IV) oxide (MnO2) filtration continuously regenerated with bleach; and ferrate (Fe(VI)) oxidation. Electromedia and MnO2 filtration were shown to be effective for total sulfide treatment. Both processes reduced total sulfide content to below detection levels ( > 0.1 mg/L) for groundwater supplies containing as much as 2.6 mg/L of total sulfide. The use of bleach oxidation ahead of media filtration also produced finished water with low turbidity ( > 1.0 NTU) as compared to conventional tray aeration and chlorination processes (6-16 NTU, as observed in this study). It was determined that the media filtration approach (electromedia and MnO2) was effective for sulfide treatment and met the County's site objectives established at the outset of the project. Ferrate was also shown to reduce total sulfide content to below detection levels ( > 0.1 mg/L) for groundwater supplies containing as much as 2.6 mg/L of total sulfide. An opinion of probable capital costs for installing a sulfide oxidation/filtration process at either the Imperial Lakes or Turner Road WTP was estimated to range from roughly $830,000 to $1,100,000. That equates to a $/kgal capital cost of $0.10 to $0.32 (at 8% for 20 years). An opinion of annual probable bleach chemical costs was estimated to range from $3,500 to $9,800 for the IL WTP and $3,500 to $5,800 for the TR WTP.

During the launch sequence of the United Launch Alliance Delta IV launch vehicle, large amounts of pure hydrogen are introduced into the launch table and ignited by Radial-Outward-Firing-Igniters (ROFIs). This ignition results in a significant flame, or plume, that rises upwards out of the launch table due to buoyancy. The presence of the plume causes increased and unwanted heat loads on the surface of the vehicle. A proposed solution is to add a series of fans and structures to the existing launch table configuration that are designed to inject ambient air in the immediate vicinity of the launch vehicle's nozzles to suppress the plume rise. In addition to the air injection, secondary fan systems can be added around the launch table openings to further suppress the hydrogen plume. The proposed air injection solution is validated by computational fluid dynamics simulations that capture the combustion and compressible flow observed during the Delta IV launch sequence. A solution to the hydrogen plume problem will have direct influence on the efficiency of the launch vehicle: lower heat loads result in thinner vehicle insulation and thus allow for a larger payload mass. Current results show that air injection around the launch vehicle nozzles and air suppression around the launch table openings significantly reduces the size of the plume around the launch vehicle prior to liftoff.

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Surfactant-Proteine (SP) sind von kritischer Bedeutung für die physiologische Atmung und besitzen vielfältige Verknüpfungen zur Genese pulmonaler Pathologien. Dagegen ist das Wissen über die Rolle von SP bei Erkrankungen des Gehirns begrenzt. Surfactant-Protein-G (SP-G) als zuletzt bekanntgewordener Vertreter der SP-Familie wird vermutlich als hirneigenes und rheologisch aktives Protein in räumlicher Nähe zur Blut-Hirn-Schranke (BHS) exprimiert. Im Rahmen verschiedener akuter und chronischer zerebraler Pathologien werden die Bedeutung von SP-G-Profilveränderungen und seine möglichen regulatorischen Aufgaben in der zerebralen Flüssigkeitshomöostase bereits vielfältig diskutiert. Naheliegend ist eine räumliche und pathophysiologische Beziehung von SP-G zu Komponenten der Neurovaskulären Einheit (NVU) und zum glymphatischen System (GS) auch bei der fokalen zerebralen Ischämie. Dabei ist die Entwicklung neuer therapeutischer Angriffspunkte und die Überwindung des „translational roadblock“ gerade bei dieser Erkrankung von entscheidender Bedeutung für eine zukünftig bessere klinische Versorgung von Schlaganfall-Patient:innen. Diese Studie stellt die erste räumliche und zeitliche Charakterisierung von SP-G zusammen mit vaskulären, glialen und neuronalen Komponenten der NVU nach fokaler zerebraler, Ischämie in verschiedenen Modellen in Maus, Ratte und Schaf dar. Im Zentrum der Untersuchungen standen immunfluoreszenzbasierte qualitative und quantitative Analysen ischämiebedingter Veränderungen von SP-G und dessen regionale Assoziationen zu Elementen der NVU an unterschiedlichen Zeitpunkten nach zerebraler Ischämie. Mit dem Ziel einer verbesserten Übertragbarkeit wurden mehrere Spezies und Modelle berücksichtigt: ein Filamentmodell in der Maus, ein thromboembolisches Modell in der Ratte und ein koagulationsbasiertes Großtiermodell im Schaf. Um mögliche zeitabhängige Prozesse zu berücksichtigen, wurden mehrere postischämische Beobachtungspunkte gewählt mit einer Spannbreite von 4 h bis 72 h für die Nagermodelle und 14 d für das Schafmodell. Qualitative Dreifach-Fluoreszenzfärbungen kortikaler und subkortikaler Hirnregionen zeigten SP-G als sensitiven Marker der Ischämie mit einem Verlust der Signalintensität sowie charakteristischen morphologischen Signalveränderungen über alle Zeitpunkte, Tiermodelle und Hirnregionen hinweg – in enger Assoziation zu ischämisch veränderten NVU-Elementen und Gefäßen. Bildgestützte quantitative statistische Analysen der inter-hemisphäriellen, im Zusammenhang mit der Ischämie stehenden, Veränderungen der Fluoreszenzsignale von SP-G und dem ischämiesensitiven Basalmembranbestandteil Kollagen IV zu verschiedenen Zeitpunkten untersuchten die zeitliche Dynamik der qualitativen Signalveränderungen von SP-G eingehender. Im Mausmodell zeigte sich eine statistisch signifikante, verminderte SP-G-Immunreaktivität (Ir) in von der Ischämie betroffenen neo- und subkortikalen Hirnregionen, mit einem maximalen Verlust der Signalintensität im Infarktkern 4 h und 24 h nach fokaler zerebraler Ischämie. Beginnend in der ischämischen Grenzzone zeigte sich entlang des Neokortex ein gradueller Verlust der SP-G-Ir, bereits 4 h nach Insult mit zunehmender Effektstärke bei länger andauernder Ischämie von 24 h. SP-G-Ir zeigte zwar keine direkte Überlappung mit dem Gefäßsystem, jedoch eine signifikante negative Korrelation zur invers erhöhten Kollagen IV-Ir in der Ischämie, die analog zu SP-G mit einem Maximum der Signalveränderungen im ischämischen Kerngebiet und gradueller Zunahme der Immunsignale über den Neokortex reagierte. Besonders für die ischämische Grenzzone präsentierte sich SP-G als frühzeitiger sensitiver Marker mit einem signifikanten Verlust der Immunmarkierung noch vor der Demarkierung des Infarkts durch erhöhte Kollagen IV-Ir ischämisch geschädigter Gefäße. Auch für subkortikale Regionen bestätigte sich die statistisch signifikante, negative Korrelation beider Marker in vergleichbarem Ausmaß. SP-G zeigte im nicht von der Ischämie betroffenen Gewebe eine ausgeprägte peri-nukleäre neuronale Zellassoziation und homogene Expression im Neuropil der untersuchten Vorderhirne von Mäusen und Ratten. Im Zusammenhang mit dem ischämischen Insult resultierten zuverlässig Signalveränderungen von SP-G-Ir entlang der subkortikalen ischämischen Grenzzone. Auch war ein Verlust der parenchymatösen Neuropil-Färbung sowie der auffälligen peri-nukleären SP-G-Markierung in allen analysierten ischämischen Hirnregionen erkennbar. Ischämiebedingte Veränderungen der SP-G-Ir gingen einher mit einer Störung der Permeabilitätsbarriere der BHS, bei der SP-G in enger räumlicher Beziehung zu extravasalem Serumalbumin detektiert wurde. Weitere Assoziation zu Komponenten der NVU zeigten sich im ischämiebedingten Signalverlust von SP-G bei gleichzeitigem Anstieg der CNP-Ir von Oligodendrozyten ebenso wie mit gemeinsamen ischämisch-morphologischen Veränderungen von Mikro- und Astroglia (visualisiert durch Iba- bzw. GFAP-Ir). Veränderungen von Aquaporin 4- und SP-G-Ir markierten in gleicher Weise die ischämische Grenzzone, von der aus sich ein Verlust der Fluoreszenzsignale beider Marker in der von maximaler Ischämie betroffenen Zone anschloss. Die ermittelten ischämisch-morphologischen Signalveränderungen der NVU-Marker stimmten mit Beobachtungen früherer Untersuchungen überein. Trotz der engen räumlichen Assoziationen konnte eine sichere Ko-Expression von SP-G mit glialen oder Gefäß-Markern jedoch in keinem Tiermodell gezeigt werden – ein Aspekt, der durch Laserscanning-Mikroskopie verifiziert wurde. Die charakteristischen SP-G-Signalalterationen und ischämiebedingten Veränderungen der NVU im Filamentmodell der Maus bestätigten sich im thromboembolischen Modell der Ratte weitgehend. Untersuchungen im Großtiermodell des Schafs zeigten den Verlust der SP-G-Ir im Infarkt auch 14 d nach koagulationsbedingter Ischämieinduktion und verifizierten SP-G als Marker der Ischämie über einen langen post-ischämischen Zeitraum. Kombinierte Immunmarkierungen von SP-G und Fibronektin zeigten eine regionale Assoziation ischämischer Veränderungen beider Marker und deuteten auf mögliche Verbindungen von SP-G zum extrazellulären Raum auch über klassische NVU-Komponenten hinaus. Die mutmaßlichen rheologischen Eigenschaften von SP-G, seine in früheren Untersuchungen gezeigte Präsenz in perivaskulären bzw. glymphatischen Räumen und bekannte Verknüpfungen zu pathologischen Veränderungen des Liquorsystems suggerierten im Vorfeld mögliche Verknüpfungen von SP-G und flüssigkeitsregulatorischen Systemen im Gehirn. Die beobachteten ischämischen Veränderungen von SP-G sowie seine Assoziation mit vaskulären und glialen Komponenten der NVU weisen auf eine mögliche Beteiligung von SP-G an regulatorischen Aufgaben in der NVU hin, speziell im Kontext mit vaskulärer Integrität, Schutz des Endothels sowie Erhalt der Barrierefunktion der BHS. Eine Beteiligung von SP-G an der Flüssigkeitshomöostase und der Regulation von Fließeigenschaften scheint auch im ischämischen Parenchym denkbar – mit Implikationen im Hinblick auf das klinisch besonders relevante post-ischämische zerebrale Ödem. Die Assoziation von SP-G mit AQP4, sowie Hinweise auf eine Beteiligung in der Beseitigung von Abfallprodukten und der Regulation von Entzündungsreaktionen weisen auf SP-G als möglichen neuen Angriffspunkt in der Schlaganfalltherapie hin. Allerdings ist die Ableitung funktioneller SP-G-Aspekte aus den größtenteils morphologischen Ergebnissen dieser Studie begrenzt und birgt die Gefahr der Überinterpretation von Daten. Weitere Limitationen sind die vorhandene Datenquantifizierung in nur einem Tiermodell sowie die auf die Immunfluoreszenz-mikroskopie beschränkte Methodik. Zusätzliche Untersuchungen weiterer ischämierelevanter Marker, die Erweiterung von Tier- und Ischämiemodellen, die Untersuchung auch deutlich längerer oder transienter Ischämiezeiten sowie die Analyse humaner Proben werden nötig sein, um die Rolle von SP-G in der zerebralen Ischämie genauer einordnen zu können. Insgesamt bietet die vorliegende Studie eine erste regionale und zeitliche Charakterisierung von SP-G nach experimenteller fokaler zerebraler Ischämie mit Hinweisen auf mögliche regulatorische Funktionen von SP-G im Rahmen der ischämisch veränderten NVU sowie der Flüssigkeitsregulation des Gehirns. Die Ergebnisse geben somit Anlass, SP-G im Kontext des ischämischen Schlaganfalls künftig noch eingehender zu untersuchen.:1 Abkürzungsverzeichnis 1 2 Einführung 3 2.1 Surfactant und Surfactant-Proteine 3 2.2 Surfactant-Proteine im Zentralen Nervensystem 5 2.3 Surfactant-Protein-G (SP-G) 6 2.4 Ischämischer Schlaganfall 8 2.5 Neurovaskuläre Einheit und Blut-Hirn-Schranke 12 2.6 Glymphatisches System und zerebrales Ödem 15 3 Zielsetzung 17 4 Material und Methoden 18 4.1 Material 18 4.1.1 Primärantikörper 18 4.1.2 Versuchstiere 19 4.2 Methoden 19 4.2.1 Ischämieinduktion und Tiermodelle 19 4.2.2 Gewebeaufarbeitung 21 4.2.3 Fluoreszenzmehrfachfärbungen 22 4.2.4 Histologische Kontrollen 24 4.2.5 Fluoreszenzmikroskopie 25 4.2.6 Bildgestützte Analyse und semiquantitative Auswertung 25 5 Ergebnisse 30 5.1 SP-G und Elemente des Gefäßsystems nach Ischämie in der Maus 30 5.1.1 Semiquantitative Analysen ischämischer Veränderungen von SP-G und Kollagen IV 37 5.2 SP-G und Komponenten der Neurovaskulären Einheit (NVU) nach Ischämie in der Maus 41 5.3 SP-G, Elemente des Gefäßsystems und der NVU nach Ischämie in der Ratte 46 5.4 SP-G und Elemente der NVU nach Ischämie im Schaf 51 6 Diskussion 53 6.1 SP-G und das Gefäßsystem in der Ischämie 53 6.2 Störungen der Blut-Hirn-Schranke und zerebrales Ödem 55 6.3 Aquaporin 4 und glymphatisches System 56 6.4 SP-G im Kontext von NVU und extrazellulärer Matrix 58 6.5 SP-G in verschiedenen Ischämiemodellen 60 6.6 Methodenbedingte Limitationen 61 7 Zusammenfassung 63 8 Literaturverzeichnis 67 9 Selbstständigkeitserklärung 79 10 Verzeichnis der wissenschaftlichen Veröffentlichungen 80 11 Danksagung 81