The present work was carried out within the framework of the priority programme SPP 2045. Technical ultra–fine particle systems (< 10μm) from highly specific separation processes are to be investigated here with regard to multi–dimensional property distributions. Tomographic measurement methods allow a comprehensive 3D description of particle–discrete data sets of statistically relevant size. The focus of the work is on X–ray tomographic analysis by means of micro-computed tomography (micro–CT), which, if necessary, is extended to several size scales by including further measurement methods (nano–CT) and supplemented by suitable elemental analysis (FIB–SEM + EBSD, EDX). Two preparation methods (wax, epoxy resin) for different particle preparations are described methodically, which have already been published in a case study or are the subject of current studies in the outlook of the work. Finally, a networked multiple use of the generated data within an online particle database is shown and its application is explained using three concrete examples.:1 Outline 2 Description of Particle Properties 2.1 Integral or Class–Based Description 2.2 Particle–Discrete Description 2.2.1 2D Description 2.2.2 Full 3D Description 2.3 Multidimensional Characterization on Basis of Particle–Discrete 3D Data 2.3.1 Motivation 2.3.2 Kernel Density Approach 2.3.3 Copula Approach 3 X–ray Tomography 3.1 Historical Context 3.2 X–ray Physics 3.2.1 X–ray Generation 3.2.2 Polychromatic Spectrum 3.2.3 Interaction with Matter 3.3 Tomographic Imaging 3.3.1 Motivation 3.3.2 Basic Idea 3.3.3 X–ray Microscopy Measurement Setup andWorkflow 3.3.4 Tomographic Reconstruction via Filtered Back Projection 3.3.5 Region of Interest Tomography 3.4 Relevant Artefacts Related to Particle Measurement 3.4.1 Temperature Drift 3.4.2 Penumbral Blurring and Shadow 3.4.3 Cone Beam 3.4.4 Out–of–Field 3.4.5 Center Shift 3.4.6 Sample Drift 3.4.7 Beam Hardening 3.4.8 Rings 3.4.9 Noise 3.4.10 Partial Volume 3.4.11 Summary 4 Practical Implementation 4.1 Particle Sample Requirements 4.1.1 Geometry 4.1.2 Dispersity and Homogeneity 4.2 Statistics 4.2.1 Single Particle Properties 4.2.2 Properties of a Limited Number of Particles (10 to several 100) 4.2.3 Particle Populations with Distributed Properties 4.3 2D Validation 4.4 Measurement 4.4.1 X–ray Microscope 4.4.2 Source Filter 4.4.3 Detector Binning 4.4.4 Cone Beam Artefact Compensation 4.4.5 Center Shift Correction 4.4.6 Dynamic Ring Removal 5 Image Analysis 5.1 Image Quality 5.1.1 Grey Value Histogram 5.1.2 Resolution 5.1.3 Signal–to–Noise Ratio 5.1.4 Contrast and Dynamic Range 5.1.5 Sharpness 5.1.6 Summary 5.2 Basic Image Processing Strategies 5.2.1 Threshold–Based Segmentation 5.2.2 Machine Learning Assisted Segmentation 6 Correlative Tomography 6.1 Scouting Approach 6.2 Multiscale Approach 6.3 Multidisciplinary Approach 7 Data Management 7.1 Data Quality 7.2 Data Availability 7.2.1 Tomographic Datasets 7.2.2 Particle Database 8 Outlook on Further Research Activities 9 Publications 9.1 Copyright Declaration 9.2 Overview 9.3 List of Publications Paper A, Preparation techniques for micron–sized particulate samples in X–ray microtomography Paper B, Self–constructed automated syringe for preparation of micron–sized particulate samples in X–ray microtomography Paper C, Preparation strategy for statistically significant micrometer–sized particle systems suitable for correlative 3D imaging workflows on the example of X–ray microtomography Paper D, Multi–scale tomographic analysis for micron–sized particulate samples Paper E, PARROT: A pilot study on the open access provision of particle discrete tomographic datasets 10 Appendix 10.1 Application Example 1: Fracture Analysis 10.2 Application Example 2: 3D Contact Angle Measurement 10.3 Influence of the Source Filter 10.4 Influence of the X–rays on the Sample 10.5 Appropriate Filter Settings 10.6 Log File Parser / Die vorliegende Arbeit ist im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 2045 entstanden. Technische Feinstpartikelsysteme (< 10μm) aus hochspezifischen Trennprozessen sollen hier hinsichtlich mehrdimensionaler Eigenschaftsverteilungen untersucht werden. Tomographische Messverfahren erlauben dabei eine vollständige 3D Beschreibung partikeldiskreter Datensätze statistisch relevanter Größe. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der röntgentomographischen Analyse mittels Mikro–Computertomographie (mikro–CT), die im Bedarfsfall unter Einbeziehung weiterer Messmethoden (nano–CT) auf mehrere Größenskalen erweitert und durch geeignete Elementanalytik (FIB–SEM + EBSD, EDX) ergänzt wird. Methodisch werden zwei Präparationsverfahren (Wachs, Epoxidharz) für unterschiedliche Partikelpräparate beschrieben, welche in einer Fallstudie bereits veröffentlicht bzw. im Ausblick der Arbeit Gegenstand aktueller Studien ist. Schließlich wird eine vernetzte Mehrfachnutzung der erzeugten Daten innerhalb einer online-Partikeldatenbank gezeigt und deren Anwendung an drei konkreten Beispielen erläutert.:1 Outline 2 Description of Particle Properties 2.1 Integral or Class–Based Description 2.2 Particle–Discrete Description 2.2.1 2D Description 2.2.2 Full 3D Description 2.3 Multidimensional Characterization on Basis of Particle–Discrete 3D Data 2.3.1 Motivation 2.3.2 Kernel Density Approach 2.3.3 Copula Approach 3 X–ray Tomography 3.1 Historical Context 3.2 X–ray Physics 3.2.1 X–ray Generation 3.2.2 Polychromatic Spectrum 3.2.3 Interaction with Matter 3.3 Tomographic Imaging 3.3.1 Motivation 3.3.2 Basic Idea 3.3.3 X–ray Microscopy Measurement Setup andWorkflow 3.3.4 Tomographic Reconstruction via Filtered Back Projection 3.3.5 Region of Interest Tomography 3.4 Relevant Artefacts Related to Particle Measurement 3.4.1 Temperature Drift 3.4.2 Penumbral Blurring and Shadow 3.4.3 Cone Beam 3.4.4 Out–of–Field 3.4.5 Center Shift 3.4.6 Sample Drift 3.4.7 Beam Hardening 3.4.8 Rings 3.4.9 Noise 3.4.10 Partial Volume 3.4.11 Summary 4 Practical Implementation 4.1 Particle Sample Requirements 4.1.1 Geometry 4.1.2 Dispersity and Homogeneity 4.2 Statistics 4.2.1 Single Particle Properties 4.2.2 Properties of a Limited Number of Particles (10 to several 100) 4.2.3 Particle Populations with Distributed Properties 4.3 2D Validation 4.4 Measurement 4.4.1 X–ray Microscope 4.4.2 Source Filter 4.4.3 Detector Binning 4.4.4 Cone Beam Artefact Compensation 4.4.5 Center Shift Correction 4.4.6 Dynamic Ring Removal 5 Image Analysis 5.1 Image Quality 5.1.1 Grey Value Histogram 5.1.2 Resolution 5.1.3 Signal–to–Noise Ratio 5.1.4 Contrast and Dynamic Range 5.1.5 Sharpness 5.1.6 Summary 5.2 Basic Image Processing Strategies 5.2.1 Threshold–Based Segmentation 5.2.2 Machine Learning Assisted Segmentation 6 Correlative Tomography 6.1 Scouting Approach 6.2 Multiscale Approach 6.3 Multidisciplinary Approach 7 Data Management 7.1 Data Quality 7.2 Data Availability 7.2.1 Tomographic Datasets 7.2.2 Particle Database 8 Outlook on Further Research Activities 9 Publications 9.1 Copyright Declaration 9.2 Overview 9.3 List of Publications Paper A, Preparation techniques for micron–sized particulate samples in X–ray microtomography Paper B, Self–constructed automated syringe for preparation of micron–sized particulate samples in X–ray microtomography Paper C, Preparation strategy for statistically significant micrometer–sized particle systems suitable for correlative 3D imaging workflows on the example of X–ray microtomography Paper D, Multi–scale tomographic analysis for micron–sized particulate samples Paper E, PARROT: A pilot study on the open access provision of particle discrete tomographic datasets 10 Appendix 10.1 Application Example 1: Fracture Analysis 10.2 Application Example 2: 3D Contact Angle Measurement 10.3 Influence of the Source Filter 10.4 Influence of the X–rays on the Sample 10.5 Appropriate Filter Settings 10.6 Log File Parser

Low valent nickel (less than +1) complexes are rare in nature, however they are regularly encountered in nitridonickelate chemistry. Ternary alkaline earth nitridonickelates exhibit a variety of interesting crystal structures with respect to their covalently bonded nitridonickelate anionic framework. The coordination geometry of low valent nickel in these compounds presents a unique structural feature with nickel being in linear coordination by nitrogen atoms. The nitridonickelate frameworks of compounds investigated in this work are: Ba2[Ni3N2]: The first ternary alkaline earth nitridonickelates with 2D Ni-N anionic network. The formal oxidation state of Ni is +0.67. Ba2(Ba6N)[NiN]6: The structure is made of o1D helical Ni-N anionic chains. Also, the structural stability of this compound´s structure type was found to occur over a wide range of substitution of Ba by Ca and Sr; a max. of 70 percent Ba could be successfully replaced by Sr and Ca atoms retaining the same structure type. The formal oxidation state of Ni is +0.83. Ba[NiN] and the solid solution series Ba[CuxNi1-xN]: The structure is made of 1D zig-zag Ni-N chains. The solid-solution series is isostructural to Ba[NiN] at lower content of Cu while, at higher content it resembles Ba[CoN] structure type, however at very high Cu content it again transforms to Ba[NiN] structure type. The formal oxidation state of Ni is +1.0. Sr2[Ni(CN)N]: The structure consists of N-Ni-(CN) dumbbells. The compound is the first example of cyano-nitridonickelate. The formal oxidation state of Ni is 0. The handling of the ternary alkaline earth nitridonickelates in specific and also of the other nitridometalates in general suffers greatly due to their being air and moisture sensitive. This requires synthetic methods suitable for air and moisture sensitive samples and also the respective instrumental setup for the measurement of their physical properties under inert atmosphere. Up to now no comprehensive investigation of the physical properties of the ternary alkaline earth nitridonickelates has been made. In this work an emphasis was given to systematically investigate the physical properties of the ternary alkaline earth nitridonickelates and to understand their structure specific physical properties. The common features of the investigated ternary alkaline earth nitridonickelates are: 1. the low valency of nickel. 2. the linear coordination of Ni and octahedral coordination of N. During this investigation the low valent character of nickel was experimentally confirmed with the help of X-ray absorption spectroscopy and the interpretation of magnetic susceptibility data where the magnetic moments of the nickel atoms were always consistent with that of a low valent nickel species. The results obtained from the magnetic measurements and electrical conductivity shows that the alkaline earth nitridonickelates order antiferromagnetically at low temperatures and show temperature dependent metallic conductivity whereas the cyano-nitridonickelate Sr2[Ni(CN)N] does not order at low temperature, is paramagnetic, and exhibits semiconducting behaviour. This investigation has provided a better understanding of ternary alkaline earth nitridonickelates with respect to the different structure they exhibit and their associated physical properties. This work motivates to extend the investigations of the physical properties of other nitridometalates. These also exhibit different crystal structures with respect to their nitridometalate anionic framework and thus, structure specific physical properties are also to be expected.

Die außerordentlichen Steigerungen der Funktionalität und Produktivität in der Halbleiterindustrie sind zum wesentlichen Teil auf eine Verkleinerung der Strukturdetails auf einer logarithmischen Skala über die letzten Jahrzehnte zurückzuführen. Sowohl zur Kontrolle des Fertigungsergebnisses als auch zur Klärung von Fehlerursachen ist die Nutzung transmissionselektronenmikroskopischer Methoden unabdingbar. Für die Zielpräparation von Halbleiterstrukturen sind Techniken unter Nutzung der Focused Ion Beam Geräte etabliert, die je nach der konkreten Aufgabenstellung variiert werden. Die Abbildung von Strukturdetails mit Abmessungen von wenigen Nanometern erfordert die Anwendung unterschiedlicher Kontrastmechanismen. Die Ergänzung der Abbildung durch die analytischen Techniken der energiedispersiven Röntgenmikroanalyse und der Elektronenenergieverlustanalyse ist ein wertvolles Werkzeug bei der Klärung von Fehlerursachen oder bei prozesstechnischen Fragestellungen. Die Nutzung der Rastertransmissionselektronenmikroskopie erlaubt die unmittelbare Kombination von Abbildung und Elementanalyse. Die lokale Verteilung von Dotierstoffen als wesentliche Grundlage für die Funktion von Bauelementen in der Halbleiterindustrie ist nur über ihre Auswirkung auf die Phase der transmittierten Elektronenwelle nachweisbar. Mittels Elektronenholographie kann dieser Einfluss gemessen werden und das Prozessergebnis von Implantationen dargestellt werden. Für die Charakterisierung von Details, die kleiner als die Probendicken sind, die im TEM genutzt werden, ist die Anwendung der Elektronentomographie ein geeignetes Werkzeug. Dazu sind spezielle Präparations- und Abbildungsstrategien erforderlich.:0. Gliederung Danksagung 3 Kurzfassung / Abstract 5 Abkürzungsverzeichnis 7 Verzeichnis der Symbole 9 0 Gliederung 13 1 Einleitung 15 1.1 Rahmenbedingungen der Halbleiterindustrie 15 1.2 Typische Strukturen und Fragestellungen in Halbleiterbauelementen 17 1.3 Analytische Untersuchungen an Halbleiterstrukturen 19 2 Einordnung der TEM in die Analytik von Halbleiterbauelementen 23 2.1 Einsatz struktur- und elementanalytischer Verfahren in der Halbleiterindustrie 23 2.2 Beitrag der Transmissionselektronenmikroskopie zu den Fragestellungen 25 2.3 Beispiele typischer Halbleiterstrukturen 27 2.4 Anforderungen an ein TEM für den Einsatz an einem Halbleiterproduktionsstandort 31 3 Präparation von Halbleiterstrukturen Untersuchung im TEM 35 3.1 Mechanische Vorbereitung 35 3.2 Endabdünnung größerer Bereiche 36 3.3 Zielpräparationen mittels Focused Ion Beam Technik 37 3.4 Lift-Out Techniken 40 4 Abbildende Untersuchungen und strukturanalytische Charakterisierung 45 4.1 Abbildungstechniken für mittlere Ortsauflösungen 46 4.2 Hochauflösende Abbildung kristalliner Bestandteile 56 4.3 Rastertransmissionselektronenmikroskopie 59 4.4 Elektronenbeugung 61 5 Elementanalytische Untersuchungen 65 5.1 Energiedispersive Röntgenanalyse im TEM 65 5.2 Nutzung von Energieverlusten der Elektronen zur Materialcharakterisierung 71 5.2.1 Ansatz und technische Lösungen 71 5.2.2 Elektronenenergiverlustspektroskopie 73 5.2.3 Energiegefilterte Abbildung 76 5.3 Spezielle Anwendungen von EELS und Energiefilterung 80 5.3.1 Energiegefilterte Abbildung unter Nutzung der Plasmonenmaxima 80 5.3.2 Nachweis der Bildung von Verbindungen 84 5.3.3 Abbildung mit reduziertem Energiefenster auf der elementspezifischen Kante 86 5.4 Energiegefilterte Abbildung im STEM-HAADF Modus 87 5.5 Kombination von Abbildung und Elementanalytik („Spectrum Imaging“) 93 14 6 Elektronenholographie 101 6.1 Prinzipielle Fragestellung 101 6.2 Physikalisches Prinzip der Elektronenholographie 109 6.3 Technische Umsetzung bei der Off-axis Holographie 112 6.4 Besonderheiten der Probenpräparation für elektronenholographische Untersuchungen 116 6.5 Hologrammaufnahme und numerische Auswertung 120 6.6 Anwendungen der Elektronenholographie an Halbleiterstrukturen 124 6.7 Elektronenholographische Untersuchungen ohne Einsatz einer Lorentzlinse 130 6.8 Möglichkeiten der Inline Holographie 134 7 Elektronentomographie 137 7.1 Prinzipielle Fragestellung 137 7.2 Theoretischer Ansatz zur Lösung 138 7.3 Praktische Umsetzung 143 7.4 Beispielhafte Ergebnisse 148 7.4.1 Charakterisierung von Diffusionsbarrieren 148 7.4.2 Geometrie des Substrates nach komplexer Prozessierung 150 7.4.3 Beschreibung und Messmöglichkeiten an 3-dimensional aufgebauten Transistoren 151 7.4.4 Fehleranalyse an Transistoren größerer Dimension 154 8 Zusammenfassung und Ausblick 157 8.1 Präparative Aspekte 157 8.2 Neue Herausforderungen an die Abbildungstechnik 158 8.3 Elementanalytische Arbeitstechniken 160 8.4 Elektronenholographie 161 8.5 Elektronentomographie 162 8.6 Weitere Fragestellungen 163 9 Literaturverzeichnis 165 / The strong improvements in functionality and productivity in the semiconductor industry are mostly a result of the decrease of structural details on a logarithmic scale during the last decades. The monitoring of the production process, as well as failure analyses, utilize methods of transmission electron microscopy. For targeted preparations of semiconductor structures, techniques based on focused ion beams are established, with adaptions to the current task. The imaging of structural details with dimensions of a few nanometers requires the application of different contrast techniques, depending on the detailed request. Different opportunities of elemental analysis, such as energy dispersive X-ray analysis or electron energy loss analysis, deliver additional information about the chemical composition and binding states on a nanoscale. The use of scanning transmission electron microscopy enables a direct combination of imaging and elemental analysis. The local distribution of dopants, as one of the major basics for the function of semiconductor devices, can be observed via the phase shift of the transmitted electron wave only. This influence requires the application of electron holography, a technique which enables the visualization of the process result of implantations or diffusion processes. The characterization of details which are smaller than the thickness of a TEM-sample is enabled through the use of electron tomography. This technique requires special strategies for preparation and imaging and delivers a 3D-dataset, describing the structure.:0. Gliederung Danksagung 3 Kurzfassung / Abstract 5 Abkürzungsverzeichnis 7 Verzeichnis der Symbole 9 0 Gliederung 13 1 Einleitung 15 1.1 Rahmenbedingungen der Halbleiterindustrie 15 1.2 Typische Strukturen und Fragestellungen in Halbleiterbauelementen 17 1.3 Analytische Untersuchungen an Halbleiterstrukturen 19 2 Einordnung der TEM in die Analytik von Halbleiterbauelementen 23 2.1 Einsatz struktur- und elementanalytischer Verfahren in der Halbleiterindustrie 23 2.2 Beitrag der Transmissionselektronenmikroskopie zu den Fragestellungen 25 2.3 Beispiele typischer Halbleiterstrukturen 27 2.4 Anforderungen an ein TEM für den Einsatz an einem Halbleiterproduktionsstandort 31 3 Präparation von Halbleiterstrukturen Untersuchung im TEM 35 3.1 Mechanische Vorbereitung 35 3.2 Endabdünnung größerer Bereiche 36 3.3 Zielpräparationen mittels Focused Ion Beam Technik 37 3.4 Lift-Out Techniken 40 4 Abbildende Untersuchungen und strukturanalytische Charakterisierung 45 4.1 Abbildungstechniken für mittlere Ortsauflösungen 46 4.2 Hochauflösende Abbildung kristalliner Bestandteile 56 4.3 Rastertransmissionselektronenmikroskopie 59 4.4 Elektronenbeugung 61 5 Elementanalytische Untersuchungen 65 5.1 Energiedispersive Röntgenanalyse im TEM 65 5.2 Nutzung von Energieverlusten der Elektronen zur Materialcharakterisierung 71 5.2.1 Ansatz und technische Lösungen 71 5.2.2 Elektronenenergiverlustspektroskopie 73 5.2.3 Energiegefilterte Abbildung 76 5.3 Spezielle Anwendungen von EELS und Energiefilterung 80 5.3.1 Energiegefilterte Abbildung unter Nutzung der Plasmonenmaxima 80 5.3.2 Nachweis der Bildung von Verbindungen 84 5.3.3 Abbildung mit reduziertem Energiefenster auf der elementspezifischen Kante 86 5.4 Energiegefilterte Abbildung im STEM-HAADF Modus 87 5.5 Kombination von Abbildung und Elementanalytik („Spectrum Imaging“) 93 14 6 Elektronenholographie 101 6.1 Prinzipielle Fragestellung 101 6.2 Physikalisches Prinzip der Elektronenholographie 109 6.3 Technische Umsetzung bei der Off-axis Holographie 112 6.4 Besonderheiten der Probenpräparation für elektronenholographische Untersuchungen 116 6.5 Hologrammaufnahme und numerische Auswertung 120 6.6 Anwendungen der Elektronenholographie an Halbleiterstrukturen 124 6.7 Elektronenholographische Untersuchungen ohne Einsatz einer Lorentzlinse 130 6.8 Möglichkeiten der Inline Holographie 134 7 Elektronentomographie 137 7.1 Prinzipielle Fragestellung 137 7.2 Theoretischer Ansatz zur Lösung 138 7.3 Praktische Umsetzung 143 7.4 Beispielhafte Ergebnisse 148 7.4.1 Charakterisierung von Diffusionsbarrieren 148 7.4.2 Geometrie des Substrates nach komplexer Prozessierung 150 7.4.3 Beschreibung und Messmöglichkeiten an 3-dimensional aufgebauten Transistoren 151 7.4.4 Fehleranalyse an Transistoren größerer Dimension 154 8 Zusammenfassung und Ausblick 157 8.1 Präparative Aspekte 157 8.2 Neue Herausforderungen an die Abbildungstechnik 158 8.3 Elementanalytische Arbeitstechniken 160 8.4 Elektronenholographie 161 8.5 Elektronentomographie 162 8.6 Weitere Fragestellungen 163 9 Literaturverzeichnis 165

A prospective, non-randomized observational study involving forty-nine patients undergoing coronary artery bypass surgery (CABG) with a unilateral harvesting of the internal thoracic artery (ITA) was carried out at the Department of Cardiac Surgery, Herzzentrum Dresden University hospital. Using a commercially available industrial-grade RGB camera and normal indoor lighting, the chest wall of the patients was scanned before surgery and in three follow-up measurements. The primary aim of this thesis was to show whether iPPG is sensitive enough to detect global signal changes after a major surgery – CABG in this case – and local signal changes due to the removal of the ITA, the main supply vessel of the chest wall. As a secondary aim, the thesis looked at subgroups of data to show if differences in signal existed between the colour channels of the RGB camera, subdivisions of the thorax and the surgical technique used as well as to show if demographic factors had an impact on signal strength. With mathematical programs developed by the Technical University Dresden, the scanned optical data was transformed into signal to noise ratios (SNR) used in imaging photoplethysmographic (iPPG) studies. The signal data was analysed in R and, based on a stepwise deletion, a multivariable mixed effects model was constructed. Adjusted versions of this model were used for the analysis of the subgroups of the data. Analysis of the data showed a significant decrease of iPPG signal strength after the CABG surgery with a steeper decrease and an attenuated recovery on the side of the ITA harvesting. Even though the signal variations were relatively small, using the models in this thesis, the differences were reliably detected by iPPG. The analysis of the data from the subdivisions of the chest and from patients’ groups determined by the surgical technique showed a caudo-cranial signal gradient on the ITA side twenty-four hours after the surgery and a stronger signal in the Pedicled group within twenty-four hours after the surgery. The latter calculations, however, were based on a possibly biased sample and should be verified using a controlled sample in prospective randomised study designs. Demographic factors showed no significant correlation with iPPG signal strength. iPPG was able to detect relatively small signal variations that could be associated with changes of cutaneous perfusion after major surgery. Future development could lead to non-invasive monitoring devices in the clinical practice of post-surgery care.:1. Introduction 1 1.1. Coronary Artery Bypass Grafting (CABG) 1 1.1.1. Historical Overview 1 1.1.2. Coronary Grafts 3 1.1.2.1. Pedicled vs. Skeletonised Grafts 4 1.2. Plethysmography 5 1.2.1. Air-Displacement Plethysmography (APG) 5 1.2.2. Strain Gauge Plethysmography (SGP) 6 1.2.3. Impedance Plethysmography (IPG) 6 1.2.4. Photoplethysmography (PPG) 7 1.2.5. Imaging Photoplethysmography (iPPG) 8 1.3. Hypothesis and Aim of the Thesis 11 2. Methods 13 2.1. Study Setting and Patients 13 2.2. Camera and Technical Setup 14 2.3. Recording Area and Regions of Interest 15 2.4. Signal Processing 16 2.5. Statistical Analysis 17 3. Results 19 3.1. Descriptive Properties of the Data 19 3.2. Signal Strength in the Three Colour Channels 20 3.3. Choosing a Multilevel Model 21 3.4. The Effect of the Major Surgery on the Signal Strength in the Three Colour Channels 22 3.5. The Effect of the Unilateral Resection of the Internal Thoracic Artery 25 3.6. Results from the Model Fitted to the Data 27 3.7. The Effect of Cofactors 28 3.8. Data from the Subdivisions of the Chest 29 3.9. The Effect of the Surgical Technique 31 4. Discussion 34 4.1. Signal Strength in the Red, Green and Blue Colour Channels 34 4.2. Signal from the Entire Chest Area 36 4.3. Signal from the Subdivisions of the Chest 37 4.4. The Influence of the Surgical Technique on Signal Strength 38 5. Conclusion 39 6. Abstract 41 7. Zusammenfassung 42 8. References 44 9. Appendix 60 10. Acknowledgements 82 11. Resume 83 Anlage 184 Anlage 2 85 / Eine prospektive, nicht randomisierte Studie mit neunundvierzig Patienten geplant für eine koronare Bypassoperation (CABG) mit einseitiger Präparation der Arteria thoracica interna (ITA) wurde im Herzzentrum Dresden, Universitätsklinikum durchgeführt. In einer präoperativen und in drei postoperativen Messungen wurde die Brustwand bei den untersuchten Patienten unter normaler Innenbeleuchtung mit Hilfe einer handelsüblichen, industriellen RGB Kamera untersucht. Das primäre Ziel der Arbeit war zu zeigen, ob iPPG als Messmethode genug Sensitivität besitzt um globale Signal-Veränderungen nach einem großen Eingriff – die CABG in diesem Fall – und lokale Signaländerung nach der Abnahme der ITA, die Hauptversorgungsarterie der Brustwand, zu erkennen. Als sekundäres Ziel der Arbeit war zu eruieren, ob iPPG Signaldifferenzen zwischen den Farbkanälen der RGB Kamera, den Brustwandaufteilungen und den Arten der ITA Präparation sowie nach den demographischen Faktoren detektieren konnte. Die gemessenen Daten wurden unter Verwendung von Eigentumsprogrammen der Technischen Universität Dresden in den, bei plethysmographischen Studien genutzten, Signal zu Geräusch Quotienten (SNR - signal to noise ratios) umgewandelt. Die gewonnenen Signaldaten wurden in R verarbeitet und durch Verwendung der Methode schrittweise Löschung wurde ein multivariables gemischte Effekte Modell erstellt. Angepasste Versionen dieses Modells wurden für die Analyse von Patientensubgruppen verwendet. Die Datenanalyse ergab eine signifikante Abschwächung des Signals nach der CABG, wobei die Thorax-Seite mit der ITA Präparation zeigte, im Vergleich mit der anderen Thorax-Seite, eine stärkere Abnahme und eine gedämpfte Rückbildung der Signalstärke. Obwohl die detektierte Signaländerungen relativ klein waren, sie konnten durch die entwickelten Modelle mittels iPPG zuverlässig detektiert werden. Die weitere Analyse der Daten aus den Brustwandaufteilungen und von Patientensubgruppen definiert nach Präparationsart der ITA zeigte auf der ITA Seite eine caudo-craniale Zunahme der Signalstärke ab vierundzwanzig Stunden und ein stärkeres Signal in der pedikulierten Präparationsgruppe bis vierundzwanzig Stunden nach der Operation. Allerdings, diese letztere Berechnungen wurden auf einem möglicherweise unausgewogenen Muster durchgeführt und sollten dementsprechend auf kontrollierten Mustern in prospektiven randomisierten Studien verifiziert werden. Die demographischen Faktoren hatten keiner signifikanten Korrelation mit der iPPG Signalstärke. Die iPPG war geeignet kleine Signaländerungen assoziiert mit den erwarteten Änderungen der dermalen Perfusion bei einem großen chirurgischen Eingriff zu detektieren. Weitere Entwicklung der Technologie kann die Anwendung dieses nicht-invasive Monitoringsverfahren in der klinischen postoperativen Patientenversorgung ermöglichen.:1. Introduction 1 1.1. Coronary Artery Bypass Grafting (CABG) 1 1.1.1. Historical Overview 1 1.1.2. Coronary Grafts 3 1.1.2.1. Pedicled vs. Skeletonised Grafts 4 1.2. Plethysmography 5 1.2.1. Air-Displacement Plethysmography (APG) 5 1.2.2. Strain Gauge Plethysmography (SGP) 6 1.2.3. Impedance Plethysmography (IPG) 6 1.2.4. Photoplethysmography (PPG) 7 1.2.5. Imaging Photoplethysmography (iPPG) 8 1.3. Hypothesis and Aim of the Thesis 11 2. Methods 13 2.1. Study Setting and Patients 13 2.2. Camera and Technical Setup 14 2.3. Recording Area and Regions of Interest 15 2.4. Signal Processing 16 2.5. Statistical Analysis 17 3. Results 19 3.1. Descriptive Properties of the Data 19 3.2. Signal Strength in the Three Colour Channels 20 3.3. Choosing a Multilevel Model 21 3.4. The Effect of the Major Surgery on the Signal Strength in the Three Colour Channels 22 3.5. The Effect of the Unilateral Resection of the Internal Thoracic Artery 25 3.6. Results from the Model Fitted to the Data 27 3.7. The Effect of Cofactors 28 3.8. Data from the Subdivisions of the Chest 29 3.9. The Effect of the Surgical Technique 31 4. Discussion 34 4.1. Signal Strength in the Red, Green and Blue Colour Channels 34 4.2. Signal from the Entire Chest Area 36 4.3. Signal from the Subdivisions of the Chest 37 4.4. The Influence of the Surgical Technique on Signal Strength 38 5. Conclusion 39 6. Abstract 41 7. Zusammenfassung 42 8. References 44 9. Appendix 60 10. Acknowledgements 82 11. Resume 83 Anlage 184 Anlage 2 85