We used megahertz pulsed ultrasound and studied gene transfection with a human prostate cancer cell line. We first studied the compromise of cell viability and uptake efficiency and found out that increasing sonication temperature or changing US contrast agents could improve drug/gene delivery mediated by US exposure. We also found that accounting for cell debris after sonication was important to correctly determine cell viability. Next, we verified the capability of US to deliver DNA into the cell nuclei, which is necessary for successful gene transfection. Under the optimal sonication conditions, ~ 30% of cells showed DNA uptake right after US exposure and most had a portion of DNA already localized in the cell nuclei. The maximum transfection efficiency was ~ 12% at 8 h post US exposure. From the DNA perspective, ~ 30% of DNA was localized in the cell nuclei immediately after US exposure and ~ 30% was in the autophagosomes/ autophagolysosomes with the rest ¡°free¡± in the cytoplasm. At later time up to 24 h, DNA continued to be distributed ~ 30% in the nuclei and most or all of the rest in autophagosomes/autophagolysosomes. Our results showed that US was able to deliver DNA into the cell nuclei shortly after the treatment and that the rest of DNA was mostly cleared by autophagosomes/autophagolysosomes. To further increase transfection efficiency, we then studied the differences between live cells with DNA uptake and those with successful gene transfection post US exposure using cell sorting, cell cycle and microarray analysis. Cells with gene transfection were found to accumulate at the G1 phase of cell cycle and associate with the up-regulation of 32 genes (e.g., GADD45¦Á) and the down-regulation of 46 genes (e.g., TOP2¦Á). Drugs that regulate the expression levels of GADD45¦Á and TOP2¦Á were found to further enhance the transfection mediated by US. A maximun increase of ~ 2 fold in transfection efficiency was observed when cells were sonicated with 0.6 mg/mL ethyl methanesulfonate to up-regulate GADD45¦Á. These results suggestted that using drugs that regulate certain introcellular processes could further enhance US-mediated gene transfection. Over a broad range of US conditions, the integrity of three common gene delivery vectors, plasmid DNA, siRNA and adeno-associated virus, were not affected by US exposure. This thesis verified that US was able to delivery DNA into the cell nuclei to facilitate rapid gene transfection, and provided a proof of princible that by modulating certain intracellular processes, the efficiency of US-mediated gene transfection could be further increased. US could potentially be a safe and efficient method for gene therapy.

Die Charakterisierung von Nanopartikeln erfordert eine Messung des Dispersitätszustandes bei allen Schritten der Herstellung - von der Synthese bis zum fertigen Produkt. Dafür ist eine leistungsfähige Partikelmesstechnik notwendig, deren Methoden bei der Beschreibung des komplexen Materialverhaltens helfen können. Die Ultraschalldämpfungsspektroskopie ist eine Messmethode, die zur prozessbegleitenden Charakterisierung hochdisperser Pulver und Suspensionen geeignet ist. Mit Vergleichen von Messungen und Modellrechungen wurde festgestellt, dass für die Ultraschalldämpfungs-Modellierung in Dispersionen homogener Partikel ein auf dem Phänomen der elastischen Streuung basierendes Modell praktisch relevant ist. Dies betrifft sowohl die Anwendung zur Messung in Suspensionen als auch in Emulsionen homogener Partikel. Bei einem Vergleich von Modellrechungen und Messungen für ein System poröser Partikel bzw. Aggregate wurde das Modell der Streuung an poroelastischen Kugeln als geeignet zur Beschreibung der Dämpfung disperser Systeme identifiziert. Bei Vorhandensein grober Partikel in Suspensionen nanoskaliger Systeme ist somit eine korrekte Auswertung der Partikelgröße möglich; der bislang übliche Messbereich wurde erweitert. Sekundärer Schwerpunkt der Arbeit ist die Diskussion der numerischen Modellanwendung. Es werden weiterhin Lösungsmöglichkeiten zur Dämpfungsberechnung und zur Berechnung der Größenverteilungen beschrieben. Des Weiteren wurden Anregungen für Entwickler von Ultraschallspektrometern abgeleitet.

Tb6FeSb2 and Tb6FeBi2 are novel rare earth compounds with little prior research. These compounds show high and variable curie temperatures for rare-earth compounds. This has lead to a literature review which includes the discussion of: elasticity, resonance, and magnetism. This review is used to discuss the theory and methodology which can relate these various properties to each other. Furthermore, synthesis, x-ray analysis, and RUS sample preparation of Tb6FeSb2 and Tb6FeBi2 were completed. Resonant Ultrasound Spectroscopy (RUS) elastic studies were taken for Tb6FeSb2 and Tb6FeBi2 as a function temperature from 5-300K, in various magnetic fields ranging from 0-9T. Tb6FeSb2’s and Tb6FeBi2’s elastic moduli are related to their magnetic properties. Magnetization data, primarily M v. H, provides another measure the magnetic properties are used to help correlate the data to elasticity. Tb6FeSb2 and Tb6FeBi2 Curie temperatures are 253(3)K and 246(5)K respectively. The low temperature magnetic transition of Tb6FeSb2 is 65-90K and Tb6FeBi2 is 55-75K. RUS suggests that this low temperature transition is somehow related to a structural transition but this transition does not occur in these two compounds. Co-substitution of Tb6FeSb2 and Tb6FeBi2 seem to greatly affect this lower temperature transition in RUS. It does not greatly effect the curie temperature. Low temperature XRD shows that Co-substitution also creates a structural transition in this family of compounds.

Speech errors have been utilized since the beginning of the last century to learn more about how speech is produced, both physically and cognitively. Collection of speech errors has progressed from writing down naturally occurring speech errors to recording experimentally induced speech errors to current studies, which are using instrumentation to record acoustic and kinematic information about experimentally induced speech errors. One type of instrumentation being used in articulatory research is ultrasound. Ultrasound is gaining popularity for use by those interested in learning how speech is physically produced because of its portability and noninvasiveness. Ultrasound of the tongue during speech provides visual access to the articulatory movements of the tongue. This study utilizes ultrasound recordings of speech errors in two ways. In Experiment 1, ultrasound images of participants’ tongues were recorded while they read tongue twisters designed to elicit speech errors. The tongue twisters were CVC words or CV syllables with onset velar or alveolar stops. Within the ultrasound video, the angle of the tongue blade and elevation of the tongue dorsum were measured during the onset stop closure. Measurements of tongue twisters were compared to baseline production measures to examine the ways in which erroneous productions differ from normal productions. It was found that an error could create normal productions of the other category (i.e., categorical errors) or abnormal productions that fell outside the normal categories (i.e., gradient errors). Consonant productions extracted from ultrasound video were presented auditory only to naïve listeners in Experiment 2. Listeners heard a variety of normal, gradient error, and categorical error productions. Participants were asked to judge what they heard as the onset sound. Overwhelmingly, the participants heard normal productions as well as gradient error productions as the target sound. Categorical error productions were judged to be different from the target (e.g., velar for alveolar). The only effect of erroneous production appears to be a slight increase in reaction time to respond with a choice of percept, which may suggest that error tokens are abnormal in some way not measured in this study.

This study uses ultrasound to image onset velar stop consonant articulation in words. By examining tongue body placement, the extent of velar closure variation across vowel contexts provides for the measurement of anticipatory coarticulation while productions within the same vowel context provide measurement of extent of token-to-token variation. Articulate Assistant Advanced 2.0 software was used to semi-automatically generate midsagittal tongue contours at the initial point of maximum velar closure and was used to fit each contour to a curved spline. Patterns of lingual coarticulation and measures of speech motor stability, based on curve-to-curve distance (Zharkova, Hewlett, & Hardcastle, 2011), are investigated to compare the speech of typically fluent speakers to the speech of people who stutter. Anticipatory coarticulation can be interpreted as a quantitative measure indicating the maturity of the speech motor system and its planning abilities. Token-to-token variability is examined from multiple velar vowel productions within the same vowel context, describing the accuracy of control, or stability, of velar closure gestures. Measures for both speaking groups are examined across the lifespan at stages during speech development, maturation, and aging. Results indicate an overall age effect, interpreted as refinement, with increased speech stability and progressively more segmental (less coarticulated) productions across the lifespan. A tendency toward decreased stability and more coarticulated speech was found for younger people who stutter, but this difference was small and absent among older adults. Outcomes of this study suggest the articulatory maturation trajectories of people who stutter may be delayed, but overall maturation of the speech mechanism is evident by older adulthood for typically fluent speakers and those who stutter. Applications to intervention are discussed in closing.

The recent increase in survival rates of most cancers is due to early detection greatly aided by medical imaging modalities. Combined ultrasound and photoacoustic imaging provide both morphological and functional/molecular information which can help to detect and diagnose cancer in its earliest stages. However, both modalities can benefit from the use of contrast agents. The objective of this thesis was to design, synthesize, and test a nano-sized, dual contrast agent for combined ultrasound and photoacoustic imaging named Photoacoustic nanoDroplets. This agent consists of liquid perfluorocarbon nanodroplets with encapsulated plasmonic nanoparticles. These dual contrast agents utilize optically triggered vaporization for photoacoustic signal generation, providing significantly higher signal amplitude than that from the traditionally used mechanism, thermal expansion. Upon pulsed laser irradiation, liquid perfluorocarbon undergoes a liquid-to-gas phase transition generating giant photoacoustic transients from these dwarf nanoparticles. Once triggered, the gaseous phase provides ultrasound contrast enhancement. Demonstrated in this work are the design, synthesis, characterization, and testing of Photoacoustic nanoDroplets in phantom and animal studies, and preliminary work into adapting these agents into targeted, drug delivery vehicles for simultaneous detection, diagnosis, and treatment of diseases. / text

Nano-sized particles are widely regarded as a tool to study biological events at cellular and molecular levels. However, there are only a few imaging modalities that can visualize interactions between nanoparticles and living cells. A new technique -- pulsed magneto-motive ultrasound imaging, capable of in-vivo imaging of magnetic nanoparticles at improved depth and in real-time is introduced in this study. In pulsed magneto-motive ultrasound imaging, an external high-strength pulsed magnetic field is applied to induce motion within magnetically labeled tissue and ultrasound is used to detect the induced internal tissue motion. A laboratory prototype of a pulsed magneto- motive ultrasound imaging system was built, tested and optimized through modeling and experimental studies using tissue-mimicking phantoms, ex-vivo tissue samples and in- vivo mouse tumor model. The results demonstrated a sufficient contrast between normal and iron-laden tissue labeled with ultra-small magnetic nanoparticles. Finally, further modifications and research directions are discussed which can eventually lead to development of a clinically applicable pulsed magneto-motive ultrasound imaging system. / text

Accurate detection of the spread of cancer is critical for planning the best treatment strategy for a patient. Currently, an invasive sentinel lymph node biopsy is commonly used to detect metastases after a primary tumor is detected. This procedure results in patient morbidity, requires weeks of waiting, and is prone to sampling error. This dissertation presents new developments in an emerging biomedical imaging modality – photoacoustic imaging – and their application to improving the detection of metastases in the lymphatic system in a metastatic mouse model of squamous cell carcinoma of the oral cavity. Label-free spectroscopic photoacoustic imaging is demonstrated to detect hypoxia that results from the development of sub-millimeter cancer foci in the lymph node. In order to improve the sensitivity to micrometastases, molecularly-activated plasmonic nanosensers which are targeted to the epidermal growth factor receptor are introduced. The nanosensors are demonstrated to detect metastases consisting of only a few tens of cells. Improvements to spectroscopic photoacoustic imaging are then demonstrated by selecting imaging wavelengths based on the spectral properties of the optical absorbers. Finally, a new contrast agent – silica-coated gold nanoplates – are used to map the sentinel lymph node with high contrast. The final result is a set of tools that can be used to noninvasively detect micrometastases and improve molecular photoacoustic imaging. / text

The persistence of high global mortality rates directly attributable to cardiovascular disease drives ongoing research into novel approaches for improved diagnosis and treatment of its primary underlying cause, atherosclerosis. Combined intravascular ultrasound and photoacoustic (IVUS/IVPA) imaging is one such modality, actively being developed as a tool for improved characterization of high-risk atherosclerotic plaques. The pathophysiology associated with progression and destabilization of atherosclerotic plaques leads to characteristic changes in arterial morphology and composition. IVUS/IVPA imaging seeks to expand upon the ability of clinically utilized intravascular ultrasound (IVUS) imaging to assess vessel anatomy by adding improved sensitivity to image the underlying cellular and molecular composition through intravascular photoacoustic (IVPA) imaging of either endogenous chromophores (e.g. lipid) or exogenously delivered contrast agents. This dissertation focuses on the expansion of IVUS/IVPA imaging using exogenous contrast agents to enable the detection and subsequent optically-triggered therapy of atherosclerotic plaques. The passive extravasation and aggregation of systemically injected plasmonic gold nanorods absorbing within the near infrared tissue optical window within plaques of atherosclerotic rabbit models is first demonstrated, along with the ability to localize the contrast agents using ex vivo IVUS/IVPA imaging. The motivation for nanoparticle labeling of atherosclerosis is then expanded from that of purely image contrast agents to vehicles for image-guided, dual-modality phototherapy. The integrated IVUS/IVPA imaging catheter is utilized for photothermal delivery with simultaneous IVPA temperature monitoring using the high optical absorption of gold nanorod contrast agents to enable localized heating. Subsequently, the potential role for IVUS/IVPA-guided phototherapy is further expanded through the characterization and in vitro assessment of novel multifunctional theranostic nanoparticles comprised of a gold nanorod core with a degradable, photosensitizer-doped silica shell. Together, the results presented within this dissertation provide a framework for ongoing research into the expansion of IVUS/IVPA imaging as a platform for complimentary diagnosis and local treatment of atherosclerotic plaques using multifunctional theranostic nanoparticle contrast agents. / text

Aufgrund der zunehmenden komplexen Verzahnung zwischen Operateur und technischen Komponenten bei Hirntumoroperationen, werden innovative Trainingslösungen und standardisierte Evaluationsmethoden in der neurochirurgischen Facharztausbildung angestrebt. Phantombasierte Trainingssysteme können die derzeitige Ausbildung sinnvoll ergänzen, indem sie eine risikoarme Umgebung außerhalb des Operationssaal schaffen. Dabei können praktische und theoretische Komponenten der Hirntumorchirurgie in wiederholbaren Trainingseinheiten ohne Risiko für den Patienten miteinander verbunden werden. Innerhalb eines EFRE (Europäischer Fond für regionale Entwicklung) geförderten Kooperationsprojektes mit der Firma Phacon GmbH wurde ein Prototyp eines solchen Trainingssystems entwickelt. Das enthaltene Kopfphantom besteht aus einer dreiteiligen Konstruktion mit wieder verwendbarem Basissystem und Adapter in Kopfform, sowie einem austauschbaren Modul für die einmalige Verwendung je Trainingseinheit. Eine zweiarmige Kamera zeichnet Trackingdaten auf, während ein Laptop inklusive zugehöriger Software als Navigationsplattform dient. Die Grundlage für die Navigation bilden reale MRT Patientendatensätze, die entsprechend auf die Anatomie des Kopfphantoms adaptiert wurden. Ein Trainingslauf deckt die chirurgische Planung des optimalen Zugangsweges, die Kopflagerung, die Einstellung der Trackingkameras, die Registrierung des Kopfphantoms, sowie die navigierte Kraniotomie mit realen OP-Instrumenten ab. Der entwickelte Prototyp wurde hinsichtlich seiner Anwendbarkeit in der neurochirurgischen Facharztausbildung in einer ersten Proof-of-Concept- Studie evaluiert, wobei fünf Assistenzärzte verschiedenen Ausbildungsgrades jeweils ein komplettes Training auf dem gleichen Patientendatensatz durchführten. Anschließend war ein Fragebogen zur Bewertung der einzelnen Systemkomponenten auszufüllen. Die Auswertung der Fragebögen ergab im Mittel das Resultat gut für die Phantomkonstruktion und die verwendeten Materialien. Der Lerneffekt bezüglich der navigierten Planung wurde genauso wie der Effekt auf das Sicherheitsgefühl des Operateurs vor Ausführung der ersten eigenständig durchgeführten Kraniotomien als sehr gut eingeschätzt. Konstruktive Verbesserungsvorschläge wurden nach Studienabschluss bereits umgesetzt [23]. In einer zweiten Evaluationsstudie lag der Fokus auf potentiell erreichbaren Lernkurven durch wiederholte Trainingseinheiten auf verschiedenen Datensätzen. Dazu führten neun Assistenzärzte verschiedener Ausbildungsgrade jeweils drei Trainings auf Datensätzen mit differenten Tumorlokalitäten durch. Während des Trainings wurden durch einen Facharzt die einzelnen Ausführungsschritte beobachtet und bewertet. Insgesamt konnten in einem Trainingsdurchlauf 23 Punkte erreicht werden, welche für Kriterien wie Tumoridentifikation, Kopflagerung, Registrierungsgenauigkeit, Schonung vordefinierter Risikostrukturen, Planungs- und Ausführungsgenauigkeit, Tumorerreichbarkeit und Hautnaht vergeben wurden. Für alle Schritte wurde die benötigte Zeit aufgezeichnet. Im Mittel wurde ein Punktanstieg zwischen dem ersten und dem dritten Training von 16.9 auf 20.4 Punkte verzeichnet. Die mittlere Zeit bis zur Kraniotomie verbesserte sich von rund 29 Minuten auf rund 21 Minuten zwischen dem ersten und dem dritten Trainingsdurchlauf. Die benötigte Zeit bis zur Hautnaht sank im Mittel von rund 38 Minuten auf rund 27 Minuten zwischen dem ersten und dem dritten Training. Signifikante Korrelationen wurden zwischen Zeit bis zur Kraniotomie und Trainingsanzahl (p < .05), zwischen Zeit bis zur Hautnaht und Trainingsanzahl (p < .05) sowie zwischen erreichter Punktzahl und Trainingsanzahl (p < .01) gefunden. Die Ergebnisse beider Studien weisen darauf hin, dass das entwickelte Trainingssystem einen vielversprechenden Ansatz für die Ergänzung der derzeitigen Facharztausbildung in der Neurochirurgie darstellt. Durch die risikoarme Simulationsumgebung können theoretische und praktische Aspekte der Hirntumorchirurgie sinnvoll verbunden werden. Dem Assistenzarzt wird die Möglichkeit gegeben, sich mit den komplexen Strukturen von eigenständig durchgeführten Kraniotomien vertraut zu machen und damit die anfängliche Lernkurve in die Trainingsumgebung zu verlagern. Hinterfragt werden muss, inwieweit es das Trainingssystem ermöglicht, die chirurgischen Fähigkeiten so zu verbessern, dass diese auch in die reale OP-Umgebung unter realen Bedingungen übertragbar sind und wie diese potentielle Verbesserung zu messen ist [3]. Natürlich unterscheidet sich das haptische Feedback am Trainingsphantom gegenüber der realen menschlichen Anatomie. Weiterhin sind die psychologische Situation und der Erwartungsdruck im OP-Saal nicht mit einer Trainingsumgebung vergleichbar. Es ist daher nicht einfach, ein geeignetes Messinstrument für die Übertragbarkeit des Lerneffektes auf reale OP-Bedingungen zu finden. Nichts desto trotz konnten die beiden durchgeführten Studien bereits zeigen, dass eine Trainingsumgebung Vorteile gegenüber der Situation im OP-Saal bietet. Gerade die Anfangszeit der Facharztausbildung ist größtenteils durch Assistieren im OP-Saal gekennzeichnet, was den Lerneffekt bezüglich autonomer Entscheidungen und Schlussfolgerungen aus begangenen Fehlern begrenzt. Am Phantom hingegen kann die direkte Konsequenz, beispielsweise am Ergebnis der Nichterreichbarkeit des Tumors, direkt erfahren werden. Die theoretischen Konzepte für die Kopflagerung des Patienten in Abhängigkeit von der Tumorlokalisation können als übertragbar auf die OP-Situation angesehen werden, wenngleich das haptische Feedback am Phantom ein anderes ist. Der dadurch erreichbare Lerneffekt bietet das Potential, Lagerungen häufiger selbstständig durch den Assistenzarzt im OP-Saal vorbereiten zu lassen. Die Handhabung des Navigationssystems ist ebenfalls sehr nahe an den technischen Bedingungen im OP-Saal und trägt damit zu einem besseren Verständnis bei. Gegenüber virtuellen Systemen bieten phantom-basierte Trainingssysteme den Vorteil des taktilen Kopfphantoms welches mit realen Instrumenten bearbeitet werden kann und damit eine realistische Hand-Auge-Koordination während des Trainings gewährleistet. Die geringeren Investitionskosten für die Anschaffung ermöglicht auch kleineren Kliniken, eine Simulationsumgebung in die Facharztausbildung zu integrieren. Nachteilig gegenüber virtuellen Systemen ist die auf einmalige Verwendung begrenzte Modulverfügbarkeit, welche permanent laufende Kosten und Materialverlust verursacht. Das vorgestellte Trainingssystem soll nicht als Konkurrenzprodukt zu virtuellen Systemen, sondern vielmehr als sinnvolle Ergänzung innerhalb der verfügbaren Trainingsmethoden verstanden werden. Die derzeitige und zukünftige Weiterentwicklung des Systems fokussiert sich auf die Implementierung des automatisierbaren Evaluationskonzeptes basierend auf vordefinierten, verschiedenen Master-Zugängen, sowie auf die Simulation von Risikostrukturen und Einbezug entsprechender Verletzungen in das Evaluationskonzept. Die getrackten Instrumente während der Simulation können so zusammen mit den vordefinierten Zugangswegen die zukünftige Basis für ein essentielles objektives Trainingsfeedback bilden. Auch in der Entwicklung befindet sich die Umsetzung des Ultraschall-Simulationstools, welches eine finale transdurale Identifikation des Tumors bei korrekt ausgeführter Kraniotomie ermöglichen soll. Aus den intraoperativ akquirierten Patienten-Ultraschalldaten können aufgrund des getrackten Ultraschalldummy’s die korrespondierenden Ultraschallschichten berechnet und visualisiert werden. Dadurch bekommt der Trainierende den Eindruck einer realen Ultraschalluntersuchung und kann die Handhabung und Koordination einer Ultraschallaufnahme sowie die Orientierung im resultierenden Ultraschallvolumen trainieren. Generell haben phantom-basierte Trainingssysteme durch effektive Trainingseinheiten das Potential, die neurochirurgische Facharztausbildung zu bereichern und hinsichtlich Risikomanagement, Patientensicherheit und OP-Verfügbarkeit zu verbessern.