Um die Rolle der Temperatur in biologischen Systemen und bei Krankheiten zu definieren; für die Gewährleistung der Sicherheit, zur Erleichterung der Diagnose und zur sicheren Steuerung der Therapie, wird besseres Verständnis von durch hochfrequente (HF) elektromagnetische Wellen induzierter Erwärmung von Gewebe benötigt. Die Magnetresonanz (MR) ist eine unverzichtbare diagnostische Bildgebung. Eine zentrale Abgrenzung der Ultrahochfeld-MR (UHF-MR) ist der Einsatz höherer Frequenzen und kürzerer Wellenlängen. Die veränderte Ausbreitung von HF-Wellen im menschlichen Körper stellt die MR-Sicherheit vor Herausforderungen. Die kleinere Skala der HF-Erwärmung von elektrisch leitfähigen passiven Implantaten während der UHF-MRT wird in aktuellen Richtlinien nicht erfasst. Ich habe einen, auf die Untersuchung der Implantatsicherheit bei UHF-MRT zugeschnittenen, Ansatz entwickelt, der in Phantomen evaluiert, in Testobjekten validiert und zur Bewertung der MR-Sicherheit von kleinen okularen Tantalmarkern (OTMs) angewandt wurde. OTMs können für die MR bei Magnetfeldstärken ≤ 7,0 T als sicher angesehen werden. Die verkürzte Wellenlänge ermöglicht präzise lokalisierte Temperaturmanipulation wie Hyperthermie-Behandlungen von Krebs. Die Kombination der Stärken der UHF-MRT in diagnostischer Bildgebung und MR-Thermometrie (MRTh) mit spezieller Hardware und Algorithmen zur Hyperthermie-Behandlungsplanung ermöglicht eine einzigartige theranostische Herangehensweise mittels integrierten Geräts (HF-Applikator). Ziel ist die erstmalige Behandlung von Gehirntumoren mittels nicht-invasiver HF-Hyperthermie. Das Ergebnis dieser Arbeit ist die Etablierung des gesamten Arbeitsablaufs von grundlegenden EMF-Simulationen eines HF-Applikators mit patientenspezifischen Simulationsmodellen über die (Multifrequenz-)Behandlungsplanung und Leistungsbewertung bis zur Behandlungsüberwachung mittels MRTh. Für eine Anwendung der Erkenntnisse ist weitere Forschung im HF-Applikator-Design erforderlich. / To better define the role of temperature in biological systems and disease; for ensuring safety, facilitating diagnosis and safe-guiding therapy, we require approaches to study and manipulate temperature and characterize its effects. Better understanding of radiofrequency (RF) induced heating of tissue is therefore required. Magnetic resonance (MR) is an indispensable diagnostic imaging tool. A critical distinction of ultrahigh field MR (UHF-MR) is the use of higher RF and thus shorter wavelengths. The altered RF wave propagation in the human body poses challenges for MR safety considerations. The smaller scale, on which RF heating of electrically conductive passive implants occurs during UHF MRI, is not covered by current guidelines. I proposed a novel approach tailored to examining implant safety in UHF MRI. This approach was evaluated in phantoms, validated in test objects and applied to assess the MR safety of small ocular tantalum markers (OTMs). My results show that OTMs can be considered safe for MRI at magnetic field strengths ≤ 7.0 T. The short wave length regime supports precisely localized temperature manipulation, such as hyperthermia anticancer treatment. Combining the strength of UHF MRI in diagnostic imaging and MR thermometry (MRTh) with dedicated hardware and hyperthermia treatment planning algorithms affords a unique theranostic approach in a single integrated device (RF applicator). The goal is treatment of brain tumors, where to the best of our knowledge no focused RF hyperthermia treatment is currently available. The main accomplishment of this work is establishing the entire workflow from basic EMF simulations of an RF applicator with patient specific simulation models over (multifrequency) treatment planning and performance assessment, to treatment monitoring via MRTh. For translation of the insights obtained during this PhD thesis project, more research is warranted addressing remaining engineering challenges in the RF applicator design.

Eine Herausforderung der Parallelverarbeitung ist das Erreichen von Skalierbarkeit großer paralleler Anwendungen für verschiedene parallele Systeme. Das zentrale Problem ist, dass die Ausführung einer Anwendung auf einem parallelen System sehr gut sein kann, die Portierung auf ein anderes System in der Regel jedoch zu schlechten Ergebnissen führt. Durch die Verwendung des Programmiermodells der parallelen Tasks mit Abhängigkeiten kann die Skalierbarkeit für viele parallele Algorithmen deutlich verbessert werden. Die Programmierung mit parallelen Tasks führt zu Task-Graphen mit Abhängigkeiten zur Darstellung einer parallelen Anwendung, die auch als gemischt-parallele Anwendung bezeichnet wird. Die Grundlage für eine effiziente Abarbeitung einer gemischt-parallelen Anwendung bildet ein geeigneter Schedule, der eine effiziente Abbildung der parallelen Tasks auf die Prozessoren des parallelen Systems vorgibt. Für die Berechnung eines Schedules werden Schedulingalgorithmen eingesetzt. Ein zentrales Problem bei der Bestimmung eines Schedules für gemischt-parallele Anwendungen besteht darin, dass das Scheduling bereits für Single-Prozessor-Tasks mit Abhängigkeiten und ein paralleles System mit zwei Prozessoren NP-hart ist. Daher existieren lediglich Approximationsalgorithmen und Heuristiken um einen Schedule zu berechnen. Eine Möglichkeit zur Berechnung eines Schedules sind layerbasierte Schedulingalgorithmen. Diese Schedulingalgorithmen bilden zuerst Layer unabhängiger paralleler Tasks und berechnen den Schedule für jeden Layer separat. Eine Schwachstelle dieser Schedulingalgorithmen ist das Zusammenfügen der einzelnen Schedules zum globalen Schedule. Der vorgestellte Algorithmus Move-blocks bietet eine elegante Möglichkeit das Zusammenfügen zu verbessern. Dies geschieht durch eine Verschmelzung der Schedules aufeinander folgender Layer. Obwohl eine Vielzahl an Schedulingalgorithmen für gemischt-parallele Anwendungen existiert, gibt es bislang keine umfassende Unterstützung des Schedulings durch Programmierwerkzeuge. Im Besonderen gibt es keine Schedulingumgebung, die eine Vielzahl an Schedulingalgorithmen in sich vereint. Die Vorstellung der flexiblen, komponentenbasierten und erweiterbaren Schedulingumgebung SEParAT ist der zweite Fokus dieser Dissertation. SEParAT unterstützt verschiedene Nutzungsszenarien, die weit über das reine Scheduling hinausgehen, z.B. den Vergleich von Schedulingalgorithmen und die Erweiterung und Realisierung neuer Schedulingalgorithmen. Neben der Vorstellung der Nutzungsszenarien werden sowohl die interne Verarbeitung eines Schedulingdurchgangs als auch die komponentenbasierte Softwarearchitektur detailliert vorgestellt.

Eine Herausforderung der Parallelverarbeitung ist das Erreichen von Skalierbarkeit großer paralleler Anwendungen für verschiedene parallele Systeme. Das zentrale Problem ist, dass die Ausführung einer Anwendung auf einem parallelen System sehr gut sein kann, die Portierung auf ein anderes System in der Regel jedoch zu schlechten Ergebnissen führt. Durch die Verwendung des Programmiermodells der parallelen Tasks mit Abhängigkeiten kann die Skalierbarkeit für viele parallele Algorithmen deutlich verbessert werden. Die Programmierung mit parallelen Tasks führt zu Task-Graphen mit Abhängigkeiten zur Darstellung einer parallelen Anwendung, die auch als gemischt-parallele Anwendung bezeichnet wird. Die Grundlage für eine effiziente Abarbeitung einer gemischt-parallelen Anwendung bildet ein geeigneter Schedule, der eine effiziente Abbildung der parallelen Tasks auf die Prozessoren des parallelen Systems vorgibt. Für die Berechnung eines Schedules werden Schedulingalgorithmen eingesetzt. Ein zentrales Problem bei der Bestimmung eines Schedules für gemischt-parallele Anwendungen besteht darin, dass das Scheduling bereits für Single-Prozessor-Tasks mit Abhängigkeiten und ein paralleles System mit zwei Prozessoren NP-hart ist. Daher existieren lediglich Approximationsalgorithmen und Heuristiken um einen Schedule zu berechnen. Eine Möglichkeit zur Berechnung eines Schedules sind layerbasierte Schedulingalgorithmen. Diese Schedulingalgorithmen bilden zuerst Layer unabhängiger paralleler Tasks und berechnen den Schedule für jeden Layer separat. Eine Schwachstelle dieser Schedulingalgorithmen ist das Zusammenfügen der einzelnen Schedules zum globalen Schedule. Der vorgestellte Algorithmus Move-blocks bietet eine elegante Möglichkeit das Zusammenfügen zu verbessern. Dies geschieht durch eine Verschmelzung der Schedules aufeinander folgender Layer. Obwohl eine Vielzahl an Schedulingalgorithmen für gemischt-parallele Anwendungen existiert, gibt es bislang keine umfassende Unterstützung des Schedulings durch Programmierwerkzeuge. Im Besonderen gibt es keine Schedulingumgebung, die eine Vielzahl an Schedulingalgorithmen in sich vereint. Die Vorstellung der flexiblen, komponentenbasierten und erweiterbaren Schedulingumgebung SEParAT ist der zweite Fokus dieser Dissertation. SEParAT unterstützt verschiedene Nutzungsszenarien, die weit über das reine Scheduling hinausgehen, z.B. den Vergleich von Schedulingalgorithmen und die Erweiterung und Realisierung neuer Schedulingalgorithmen. Neben der Vorstellung der Nutzungsszenarien werden sowohl die interne Verarbeitung eines Schedulingdurchgangs als auch die komponentenbasierte Softwarearchitektur detailliert vorgestellt.

Der lagerlose reluktante Rotations-Linear-Motor (BRLRM) ermöglicht die aktive Kontrolle eines schwebenden ferromagnetischen Rotors in allen 6 Bewegungs-Freiheitsgraden. Durch eine zweidimensionale Rotorverzahnung sind axiale Verschiebungen und Verdrehungen über beliebig lange Verfahrwege möglich. Es lassen sich zwei Verzahnungsarten unterscheiden, deren Krafterzeugung theoretisch modelliert und analysiert wird. Für eine Grundbauform aus zwei Statoren, deren gegenüberliegende Pole gleichartigen Versatz zur Rotorverzahnung aufweisen, erfolgt für beide Verzahnungsarten der Nachweis der Steuerbarkeit. Für den jeweiligen Fall ist eine Mindestanzahl an Polpaaren nötig. Die Versetzungen der Verzahnungen müssen Steuerbarkeitsbedingungen erfüllen. Die optimalen Versetzungsanordnungen, welche diese erfüllen, werden mit Hilfe eines speziell entwickelten Algorithmus ermittelt. Für ausgewählte Motorbauformen erfolgt eine Analyse der theoretisch erreichbaren Gesamtkräfte des Motors. Der Betrieb des BRLRM erfordert ein 6-Achs-Lagemesssystem, wofür eine differenzielle kapazitive Sensoranordnung und Auswerteelektronik entwickelt werden. Ein messtechnischer Nachweis zeigt, dass damit eine wirksame Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen möglich ist. Für die Lageregelung wird eine einfache Struktur vorgestellt sowie ein effizienter Algorithmus zur Ermittlung der Sollströme entwickelt. Zu einer ausgewählten Motorbauform wird ein Versuchsstand entwickelt und aufgebaut. Durch analytische Betrachtungen, numerische Simulationen und Messungen erfolgt der Nachweis der Stabilität des Gesamtsystems. Mittels Simulationen sowie mit Messungen am Versuchsaufbau werden das dynamische Verhalten des BRLRM charakterisiert sowie einige theoretische Aspekte verifiziert. Ein Schwerpunkt ist die Betrachtung von Verkopplungseffekten aufgrund von Nichtlinearitäten und parasitären Effekten des Lagemesssystems. / The bearingless rotary linear reluctance motor (BRLRM) enables active control of a levitating ferromagnetic rotor in all 6 degrees of freedom of movement. Two-dimensional rotor toothing allows axial translation and rotation over any length of travel. Two types of toothing can be distinguished, and their force generation is theoretically modelled and analysed. For a basic design consisting of two stators, where the opposite poles have the same offset with respect to the rotor toothing, the controllability is verified for both types of toothing. A minimum number of pole pairs is required for each case. The offsets of the toothings must fulfil controllability conditions. The optimal offset arrangements that fulfil these conditions are determined using a specially developed algorithm. For several motor designs, an analysis of the theoretically achievable total forces of the motor is carried out. The operation of the BRLRM requires a 6-axis position measurement system, for which a differential capacitive sensor configuration and evaluation electronics are developed. A metrological proof shows that an effective suppression of electromagnetic disturbances is achieved. A simplified structure is presented for the position control and an efficient algorithm is developed for determining the setpoint currents. An experimental setup is constructed and built for a selected motor design. Analytical considerations, numerical simulations as well as measurements are used to prove the stability of the overall system. The dynamic behaviour of the BRLRM is characterised and some theoretical aspects are verified using simulations and measurements on the experimental setup. One focus is on the consideration of coupling effects due to non-linearities and parasitic effects of the position measurement system.