Störungen der Schluckfunktion werden im Alter zunehmend diagnostiziert und beeinträchtigen die Lebensqualität der betroffenen Patienten sehr. Ein abnormes Schluckmuster bei Kindern und Jugendlichen kann eine pathologische Wirkung auf die Entwicklung der Zahnstellung haben. In dieser Studie wurde bei einem gesunden Probandenkollektiv von 52 Teilnehmern (40 w; 12 m) im Alter von 20 - 45 (MW: 25.48; SD:4.68) Jahren die orale Phase des Schluckaktes untersucht. Für diese Zwecke, wurde ein intraorales Mundstück angewendet (Silencos®, Bredent, Senden, Deutschland), das aufgrund der Einbringung einer Silikonschlaufe die intraorale Bolusapplikation und Druckmessung erlaubte. Extraoral wurde das Mundstück einerseits an einer mit Flüssigkeit gefüllten Spritze zur Bolusapplikation und andererseits an ein digitales Manometer (GDUSB 1000®, Greisinger electronics, Regenstauf Deutschland) angeschlossen. Das genutzte Messgerät besaß die Fähigkeit, mit einer Frequenz von 1kHz Messungen in einem Bereich von 2000 bis -1000 mbar durchzuführen. Zum Schutz der Probanden und zur Sicherung der Messung wurde am Schlauchsystem ein Bakterienfilter und ein Wasserabscheider angebracht. Mit dieser Versuchsanordnung wurden drei Schluckmodalitäten untersucht. Jede Modalität beinhaltete 10 Schluckvorgänge. Die erste Untersuchung bezog sich auf die aktive Einnahme eines Bolus aus Wasser. Die Probanden führten Saugimpulse aus, indem sie Flüssigkeit aus einer Spritze zogen und diese anschließend schluckten. Die zweite und dritte Untersuchung basierte auf der passiven Gabe eines Bolus, der in einem Volumen von 2 ml appliziert wurde. In diesem Versuch wurde jeweils ein 2-ml-Bolus aus Wasser und aus Gel verabreicht. Bei den erhobenen Daten konnten hauptsächlich negative Druckamplituden beobachtet werden. Dabei wurde ein Mittelwert von -290 mbar bei der aktiven Bolus-Einnahme, -31 mbar während der passiven Gabe eines Bolus aus Wasser und -37 mbar bei der passiven Gabe eines Bolus aus Gel gemessen. Auch die Dauer der Schluckereignisse wurde gemessen. Hierbei ergab sich ein Mittelwert von 5.1 s bei der aktiven Bolus-Einnahme, 1.8 s bei der passiven Gabe eines Bolus aus Wasser und 1.5 s bei der passiven Gabe eines Bolus aus Gel. In Abhängigkeit von der Art der Bolusapplikation und der Boluskonsistenz konnten signifikante Differenzen zwischen den erhobenen Druckamplituden und Druckverläufen beobachtet werden. Die aktive Einnahme eines Bolus zeigte höhere negative Druckverläufe sowie eine längere Dauer als bei der passiven Gabe eines Bolus. Auch signifikante Unterschiede zwischen den Konsistenzen konnten beobachtet werden: die Gabe eines Bolus aus Gel wies polyphasische Kurven auf. Im Vergleich dazu zeigten sich vorwiegend monophasische Kurven beim Schlucken von Wasser. Der vorgeschlagene Schlucktest zeigte eine einfache Anwendbarkeit und konnte bei allen Probanden problemlos durchgeführt werden. Der technische Aufwand war gering und die Untersuchung brachte keine Nebenwirkungen für die Probanden mit sich. Anhand dieses Tests wurden Datensätze zur Schluckfunktion erzeugt, welche qualitativ und quantitativ ausgewertet wurden und als Normwert für zukünftige Untersuchungen dienen. Die Interpretation der erhobenen Daten anhand des biofunktionellen Modells ermöglicht eine methodische Erfassung der Schluckphysiologie. Eine klinische Anwendung bietet sich als diagnostischer Test sowie auch in der Übungstherapie an. Die durchgeführten Untersuchungen konnten die funktionelle Ähnlichkeit der Funktionen Saugen und Schlucken belegen und zeigten, dass das vom biofunktionellen Modell ausgewiesene Kompartiment 2 offensichtlich zum Transport von Flüssigkeiten einen Saugmechanismus und nicht einen Propulsionsmechanismus durch Verdrängen des Bolus bevorzugt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

Ziel der Untersuchung war eine umfassende und vergleichbare Datengrundlage über den Einfluss verschiedener hauptsächlich orthopädischer Beschlagsmodifikationen auf die Ausrichtung der Zehenknochen, Druckverteilungsmuster und die individuelle Fußung unter Berücksichtigung unterschiedlicher klinisch relevanter Bodeneigenschaften zu generieren und mit Standardbeschlägen, sowie dem Barhuf zu vergleichen.:1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Anatomie der distalen Gliedmaße des Pferdes 3 2.1.1 Knochen und Gelenke 3 2.1.2 Sehnen und Bänder 6 2.1.3 Der Huf und seine Segmente 10 2.1.3.1 Definition des Hufs 10 2.1.3.2 Der Hufbeinträger 10 2.1.3.3 Segmente des Hufs 11 2.2 Biomechanische Grundlagen 13 2.2.1 Allgemeine Betrachtungsweisen der Biomechanik 13 2.2.2 Die Statik der distalen Gliedmaße des Pferdes 15 2.2.3 Kinetische Betrachtung der distalen Gliedmaße des Pferdes 17 2.3 Analysemethoden biomechanischer Prozesse der distalen Gliedmaße des Pferdes 19 2.3.1 Statische Analysemethoden 20 2.3.1.1 Röntgen 20 2.3.2 Kinetische Analysemethoden 22 2.3.2.1 Druckmessung 22 2.4 Lahmheit und deren Ursachen im Bereich der distalen Gliedmaße 23 2.4.1 Definition des Begriffes Lahmheit und deren Erkennung 24 2.4.2 Risikofaktoren für die Entstehung von Lahmheit 25 2.5 Orthopädischer Beschlag 27 2.5.1 Erkrankungen der distalen Gliedmaße mit Beschlagsindikation 27 2.5.2 Beschlagsmodifikationen 28 2.5.2.1 Beschlagsmodifikationen der dorsopalmaren Ebene 29 2.5.2.2 Beschlagsmodifikationen der mediolateralen Ebene 34 2.5.3 Der Einfluss unterschiedlicher Bodeneigenschaften auf die Wirkung orthopädischer Beschlagsmodifikationen 36 3 Wissenschaftliche Originalarbeiten 38 3.1 Modifying the Surface of Horseshoes: Effects of Eggbar, Heartbar, Open Toe, and Wide Toe Shoes on the Phalangeal Alignment, Pressure Distribution, and the Footing Pattern 38 3.2 Modifying the Height of Horseshoes: Effects of Wedge Shoes, Studs, and Rocker Shoes on the Phalangeal Alignment, Pressure Distribution, and Hoof-Ground Contact During Motion 51 3.3 Modifying Horseshoes in the Mediolateral Plane: Effects of Side Wedge, Wide Branch, and Unilateral Roller Shoes on the Phalangeal Alignment, Pressure Forces, and the Footing Pattern 63 4 Diskussion 73 4.1 Material und Methoden 73 4.1.1 Röntgenuntersuchung 73 4.1.2 Druckmessung 75 4.1.3 Kombination von Röntgenuntersuchungen und Druckmessungen zur Beurteilung biomechanischer Fragestellungen 78 4.2 Die Veränderungen der Zehenknochenausrichtung nach Applikation von orthopädischen Beschlagsmodifikationen 79 4.3 Die Veränderungen des Druckverteilungsmusters unter Hufeisen und Huf nach Applikation von orthopädischen Beschlagsmodifikationen 81 4.4 Der Effekt von orthopädischen Beschlagsmodifikationen auf die individuelle Fußung 84 4.5 Schlussfolgerungen und Ausblick86 5 Zusammenfassung 88 6 Summary 90 7 Literaturverzeichnis 93 / Aim of this study was to establish comprehensive and comparable data groundwork on the influence of a variety of modified horseshoes on the alignment of the bone of the equine distal limb, pressure distribution and individual footing patterns, while considering different practically relevant flooring materials, in comparison to data acquired with standard horseshoes and barefoot examinations.:1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Anatomie der distalen Gliedmaße des Pferdes 3 2.1.1 Knochen und Gelenke 3 2.1.2 Sehnen und Bänder 6 2.1.3 Der Huf und seine Segmente 10 2.1.3.1 Definition des Hufs 10 2.1.3.2 Der Hufbeinträger 10 2.1.3.3 Segmente des Hufs 11 2.2 Biomechanische Grundlagen 13 2.2.1 Allgemeine Betrachtungsweisen der Biomechanik 13 2.2.2 Die Statik der distalen Gliedmaße des Pferdes 15 2.2.3 Kinetische Betrachtung der distalen Gliedmaße des Pferdes 17 2.3 Analysemethoden biomechanischer Prozesse der distalen Gliedmaße des Pferdes 19 2.3.1 Statische Analysemethoden 20 2.3.1.1 Röntgen 20 2.3.2 Kinetische Analysemethoden 22 2.3.2.1 Druckmessung 22 2.4 Lahmheit und deren Ursachen im Bereich der distalen Gliedmaße 23 2.4.1 Definition des Begriffes Lahmheit und deren Erkennung 24 2.4.2 Risikofaktoren für die Entstehung von Lahmheit 25 2.5 Orthopädischer Beschlag 27 2.5.1 Erkrankungen der distalen Gliedmaße mit Beschlagsindikation 27 2.5.2 Beschlagsmodifikationen 28 2.5.2.1 Beschlagsmodifikationen der dorsopalmaren Ebene 29 2.5.2.2 Beschlagsmodifikationen der mediolateralen Ebene 34 2.5.3 Der Einfluss unterschiedlicher Bodeneigenschaften auf die Wirkung orthopädischer Beschlagsmodifikationen 36 3 Wissenschaftliche Originalarbeiten 38 3.1 Modifying the Surface of Horseshoes: Effects of Eggbar, Heartbar, Open Toe, and Wide Toe Shoes on the Phalangeal Alignment, Pressure Distribution, and the Footing Pattern 38 3.2 Modifying the Height of Horseshoes: Effects of Wedge Shoes, Studs, and Rocker Shoes on the Phalangeal Alignment, Pressure Distribution, and Hoof-Ground Contact During Motion 51 3.3 Modifying Horseshoes in the Mediolateral Plane: Effects of Side Wedge, Wide Branch, and Unilateral Roller Shoes on the Phalangeal Alignment, Pressure Forces, and the Footing Pattern 63 4 Diskussion 73 4.1 Material und Methoden 73 4.1.1 Röntgenuntersuchung 73 4.1.2 Druckmessung 75 4.1.3 Kombination von Röntgenuntersuchungen und Druckmessungen zur Beurteilung biomechanischer Fragestellungen 78 4.2 Die Veränderungen der Zehenknochenausrichtung nach Applikation von orthopädischen Beschlagsmodifikationen 79 4.3 Die Veränderungen des Druckverteilungsmusters unter Hufeisen und Huf nach Applikation von orthopädischen Beschlagsmodifikationen 81 4.4 Der Effekt von orthopädischen Beschlagsmodifikationen auf die individuelle Fußung 84 4.5 Schlussfolgerungen und Ausblick86 5 Zusammenfassung 88 6 Summary 90 7 Literaturverzeichnis 93

Im Zuge systematisch durchgeführter thermografischer Untersuchungen an 95 Asiatischen Elefanten in europäischen Zoos konnten physiologische Wärmeprofile aller nicht von Fußkrankheiten betroffener Elefanten erstellt werden. Um eine objektivere Befundung zu ermöglichen, wurden dafür definierte Messbereiche an den Füßen festgelegt und deren Temperaturdaten als Wärmekurven für jeden Zeh dargestellt. Es zeigte sich, dass die Bandbreite von Temperaturen gleicher Messbereiche starken individuellen Schwankungen unterliegt, weshalb eine Befundung nicht anhand absoluter Temperaturwerte erfolgen sollte. So wurden über gleichen Messbereichen unterschiedlicher Elefanten Temperaturunterschiede von bis zu 8 °C festgestellt. Auch die Umgebungsfaktoren während der Untersuchung tragen zu dieser Varianz bei. Bei Umgebungstemperaturen zwischen 17,5 °C und 23 °C stellt sich durch Erhöhung der Außentemperatur um 1 °C eine um 0,5 °C erhöhte Wärmeabstrahlung über der Haut dar. Eine Erhöhung der Luftfeuchte um 1 % verursacht eine um 0,03 °C vermehrte Wärmeabstrahlung. Die Wärmeprofile stellten sich für die Kronsaum- und Hufwandbereiche der Zehen eines Fußes von medial nach lateral in einem parabelförmigen Verlauf dar, wobei die höchsten Temperaturen an den kranialen Zehen gemessen wurden. Die Differenz zwischen Kronsaum- und Hufwandbereichen blieb dabei konstant. Die Temperaturen der Zehenregion oberhalb des Kronsaums folgten nicht dieser Parabelform, lagen aber, außer an der jeweils medialen Seite, konstant unterhalb der Kronsaumtemperaturen. Bei Vergleich mit thermografischen Befunden erkrankter Zehen zeigte sich meist ein starker Anstieg der Zehenregiontemperatur weit über die Kronsaumtemperaturen hinaus, weshalb sich dieses Verhältnis als Indiz für ein akutes Enzündungsgeschehen nutzen lässt. Ein gleichmäßiges Wärmeprofil, welches möglichst dicht dem in dieser Arbeit entwickelten Profil gleicht und konstante Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Messbereichen aufweist, ist ein gutes Indiz für einen gesunden Fuß. Thermografische Befundungen sollten immer mit Hilfe herkömmlicher visueller Auswertung und zusätzlich der Erstellung eines Wärmeprofils vorgenommen werden, um die Subjektivität zu minimieren. Erstmalig wurden in dieser Arbeit drei Elefanten mittels Pedografie untersucht, um Aufschlüsse über die Druckverteilung unter dem Elefantenfuß zu erhalten. Wie bei Menschen und pedografisch vermessenen Rindern fanden sich auch beim Elefanten charakteristische Druckprofile. Druckspitzenwerte tauchten hierbei vor allem im kranialen Bereich der Füße als Druckleiste, aber auch im kaudalen Bereich in Form zweier Druckpfeiler auf. Experimente mit einer Methode zur Simulierung weicheren Untergrundes schienen die Druckspitzenwerte etwas abzuschwächen und das allgemeine Druckprofil einzuebnen, waren aber nur schwer auszuwerten. Die Methode eignet sich ebenso zur Erfassung der tatsächlich belasteten Fläche der Füße, welche sich bei stärkerer Belastung, beispielsweise dreibeinigem Stehen, vergrößerte. Trotz noch einiger methodischer und technischer Probleme, eröffnet sich mit der Pedografie ein sicherlich lohnenswertes Forschungsfeld für weitere Studien, die einen besseren Einblick in die Druckphysiologie des Elefantenfußes gewähren könnten. Weiterhin wurden in dieser Arbeit Daten der Elefantenhaltungssysteme von 17 besuchten europäischen Zoos, sowie Daten über Häufigkeit und Art der Gliedmaßenkrankheiten und anderer gesundheitlicher Parameter aller 95 untersuchter Elefanten ausgewertet. Hierbei zeigte sich immer noch starker Verbesserungsbedarf im Hinblick auf Innengehegegrößen und die verwendeten Bodenmaterialien. Auch Bewegungsprogramme für den Aufenthalt im Außengehege wurden nur in weniger als der Hälfte der Zoos eingesetzt. Positiv fiel auf, dass die Elefanten in den besuchten Zoos kaum noch angekettet werden und falls doch, nur kurzzeitig zu Untersuchungszwecken. Den Daten der Haltungsanalysen entsprechend, fielen die Auswertungen zur Fußgesundheit aus: Nur 36 % der untersuchten Elefanten litten bisher noch niemals unter Fußerkrankungen. Allein zum Zeitpunkt der Untersuchung wurden bei 27 % der Tiere akute Erkrankungen festgestellt, die unter Behandlung standen. Hierbei handelte es sich hauptsächlich um Abszesse oder andere entzündliche Veränderungen im Bereich des Nagelbetts. Weiterhin wurden 30 % der Elefanten als übergewichtig eingeschätzt und 36 % der Tiere zeigten stereotype Bewegungsmuster. / A total of 95 Asiatic Elephants in 17 European zoos were systematically examined using a high resolution thermographic camera and physiologic heat profiles of elephant’s feet without known foot diseases were established. To allow a more objective evaluation of thermographic findings, the feet and toes were divided schematically into defined areas for measurement purposes, based on anatomical features for which the temperature data was then plotted to produce heat curves for each area. Measurements of temperatures pertaining to similar areas of different elephants showed strong individual fluctuation. Temperature variation was as high as 8 °C in similar areas between elephants. Thus, evaluation of thermographic findings should never be based on absolute temperature readings alone. This strong variation is partly caused by environmental factors during the examination. With environmental temperatures between 17,5 °C and 23 °C, a one degree increase of this temperature will cause a 0,5 °C increase of the heat radiation of the feet. An increase of air humidity by 1 % will cause an increase of 0,03 °C of the measured thermographical heat radiation. The physiological heat profiles for coronary and hoof wall areas of the toes showed an arched, parable-like shape when plotted from the medial over the cranial to the lateral toes. The highest temperature readings were found on the cranial toes. The difference between coronary and hoof wall temperatures of similar toes were constant all over the foot. The physiological heat profiles of the toe areas above the coronary region did not show this arched shape but stayed below the coronary temperature readings except on the medial toe. On comparison with thermographic findings of inflammated toes, a strong increase of this area above the coronary band was found which exceeded the temperature of the coronary region. This characteristic can be used as an indicator for acute inflammations. A regular heat profile, which resembles closely the physiological heat profile created in this study and which shows constant temperature differences between the defined areas of the single toes, is a good indicator of healthy foot. It is recommended that thermographic examinations always are evaluated using conventional observation of the heat patterns in conjunction with the additional creation of a heat profile to minimize subjectivity by the clinician. For the first time three elephants were examined in this study using a new pedographic method to gain information on the pressure distribution below the elephant’s foot. As found in humans as well as in pedographically examined cows, the pressure distribution in elephant’s feet showed a characteristic profile. Pressure peaks showed up especially in the cranial area of the foot, possibly the border between sole and pad, as well as in the caudal region in the shape of two pressure pillars. Experiments with a method to simulate softer ground seemed to lower the pressure peaks slightly in favor of a broader distribution, but were very difficult to evaluate, especially considering the small sample size. This method is also suited to register the actual area size put under pressure by the elephant, which was shown to rise under increased pressure, e. g. three legged standing. Despite some encountered methodical and technical problems, pedography of elephants is going to be a very promising field for further scientific studies in order to acquire more information on the physiology of pressure distribution. Data on husbandry conditions of the 17 visited zoos and as well as data on frequency and type of foot diseases and other health parameters of all 95 examined elephants were also collected and evaluated. A strong need for improvement was observed in terms of enclosure sizes and the surface materials used in indoor enclosures. Also, daily routines to increase activity of the elephants in the outdoor enclosures were found to be carried out only in half of the visited zoos. On a positive note, elephants in the evaluated zoos were hardly ever chained and if so, only for examination purposes. According to the data of the husbandry evaluation the information on the current status of foot health showed the need for improvement: Only in 36 % of the examined elephants foot problems were so far not encountered. On the time of examination 27 % of the animals were found to be under ongoing treatment for foot diseases. Mostly these were abscesses or other inflammation processes in the area of the nail’s laminar tissue. Out of the study sample, 30 % of the elephants were estimated to be overweight and 36 % showed stereotypic movement patterns.

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Manufacturing process development is under constant pressure to achieve a good yield for stable processes. The development of new technologies, especially in the field of photomask and semiconductor development, is at its phys- ical limits. In this area, data, e.g. sensor data, has to be collected and analyzed for each process in order to ensure process quality. With increasing complexity of manufactur- ing processes, the volume of data that has to be evaluated rises accordingly. The complexity and data volume exceeds the possibility of a manual data analysis. At this point, data mining techniques become interesting. The application of current techniques is complex because most of the data is captured with sensor measurement tools. Therefore, every measured value contains a specific error. In this paper we propose an error-aware extension of the density-based al- gorithm DBSCAN. Furthermore, we present some quality measures which could be utilized for further interpretation of the determined clustering results. With this new cluster algorithm, we can ensure that masks are classified into the correct cluster with respect to the measurement errors, thus ensuring a more likely correlation between the masks.

Im Zuge systematisch durchgeführter thermografischer Untersuchungen an 95 Asiatischen Elefanten in europäischen Zoos konnten physiologische Wärmeprofile aller nicht von Fußkrankheiten betroffener Elefanten erstellt werden. Um eine objektivere Befundung zu ermöglichen, wurden dafür definierte Messbereiche an den Füßen festgelegt und deren Temperaturdaten als Wärmekurven für jeden Zeh dargestellt. Es zeigte sich, dass die Bandbreite von Temperaturen gleicher Messbereiche starken individuellen Schwankungen unterliegt, weshalb eine Befundung nicht anhand absoluter Temperaturwerte erfolgen sollte. So wurden über gleichen Messbereichen unterschiedlicher Elefanten Temperaturunterschiede von bis zu 8 °C festgestellt. Auch die Umgebungsfaktoren während der Untersuchung tragen zu dieser Varianz bei. Bei Umgebungstemperaturen zwischen 17,5 °C und 23 °C stellt sich durch Erhöhung der Außentemperatur um 1 °C eine um 0,5 °C erhöhte Wärmeabstrahlung über der Haut dar. Eine Erhöhung der Luftfeuchte um 1 % verursacht eine um 0,03 °C vermehrte Wärmeabstrahlung. Die Wärmeprofile stellten sich für die Kronsaum- und Hufwandbereiche der Zehen eines Fußes von medial nach lateral in einem parabelförmigen Verlauf dar, wobei die höchsten Temperaturen an den kranialen Zehen gemessen wurden. Die Differenz zwischen Kronsaum- und Hufwandbereichen blieb dabei konstant. Die Temperaturen der Zehenregion oberhalb des Kronsaums folgten nicht dieser Parabelform, lagen aber, außer an der jeweils medialen Seite, konstant unterhalb der Kronsaumtemperaturen. Bei Vergleich mit thermografischen Befunden erkrankter Zehen zeigte sich meist ein starker Anstieg der Zehenregiontemperatur weit über die Kronsaumtemperaturen hinaus, weshalb sich dieses Verhältnis als Indiz für ein akutes Enzündungsgeschehen nutzen lässt. Ein gleichmäßiges Wärmeprofil, welches möglichst dicht dem in dieser Arbeit entwickelten Profil gleicht und konstante Temperaturdifferenzen zwischen den einzelnen Messbereichen aufweist, ist ein gutes Indiz für einen gesunden Fuß. Thermografische Befundungen sollten immer mit Hilfe herkömmlicher visueller Auswertung und zusätzlich der Erstellung eines Wärmeprofils vorgenommen werden, um die Subjektivität zu minimieren. Erstmalig wurden in dieser Arbeit drei Elefanten mittels Pedografie untersucht, um Aufschlüsse über die Druckverteilung unter dem Elefantenfuß zu erhalten. Wie bei Menschen und pedografisch vermessenen Rindern fanden sich auch beim Elefanten charakteristische Druckprofile. Druckspitzenwerte tauchten hierbei vor allem im kranialen Bereich der Füße als Druckleiste, aber auch im kaudalen Bereich in Form zweier Druckpfeiler auf. Experimente mit einer Methode zur Simulierung weicheren Untergrundes schienen die Druckspitzenwerte etwas abzuschwächen und das allgemeine Druckprofil einzuebnen, waren aber nur schwer auszuwerten. Die Methode eignet sich ebenso zur Erfassung der tatsächlich belasteten Fläche der Füße, welche sich bei stärkerer Belastung, beispielsweise dreibeinigem Stehen, vergrößerte. Trotz noch einiger methodischer und technischer Probleme, eröffnet sich mit der Pedografie ein sicherlich lohnenswertes Forschungsfeld für weitere Studien, die einen besseren Einblick in die Druckphysiologie des Elefantenfußes gewähren könnten. Weiterhin wurden in dieser Arbeit Daten der Elefantenhaltungssysteme von 17 besuchten europäischen Zoos, sowie Daten über Häufigkeit und Art der Gliedmaßenkrankheiten und anderer gesundheitlicher Parameter aller 95 untersuchter Elefanten ausgewertet. Hierbei zeigte sich immer noch starker Verbesserungsbedarf im Hinblick auf Innengehegegrößen und die verwendeten Bodenmaterialien. Auch Bewegungsprogramme für den Aufenthalt im Außengehege wurden nur in weniger als der Hälfte der Zoos eingesetzt. Positiv fiel auf, dass die Elefanten in den besuchten Zoos kaum noch angekettet werden und falls doch, nur kurzzeitig zu Untersuchungszwecken. Den Daten der Haltungsanalysen entsprechend, fielen die Auswertungen zur Fußgesundheit aus: Nur 36 % der untersuchten Elefanten litten bisher noch niemals unter Fußerkrankungen. Allein zum Zeitpunkt der Untersuchung wurden bei 27 % der Tiere akute Erkrankungen festgestellt, die unter Behandlung standen. Hierbei handelte es sich hauptsächlich um Abszesse oder andere entzündliche Veränderungen im Bereich des Nagelbetts. Weiterhin wurden 30 % der Elefanten als übergewichtig eingeschätzt und 36 % der Tiere zeigten stereotype Bewegungsmuster. / A total of 95 Asiatic Elephants in 17 European zoos were systematically examined using a high resolution thermographic camera and physiologic heat profiles of elephant’s feet without known foot diseases were established. To allow a more objective evaluation of thermographic findings, the feet and toes were divided schematically into defined areas for measurement purposes, based on anatomical features for which the temperature data was then plotted to produce heat curves for each area. Measurements of temperatures pertaining to similar areas of different elephants showed strong individual fluctuation. Temperature variation was as high as 8 °C in similar areas between elephants. Thus, evaluation of thermographic findings should never be based on absolute temperature readings alone. This strong variation is partly caused by environmental factors during the examination. With environmental temperatures between 17,5 °C and 23 °C, a one degree increase of this temperature will cause a 0,5 °C increase of the heat radiation of the feet. An increase of air humidity by 1 % will cause an increase of 0,03 °C of the measured thermographical heat radiation. The physiological heat profiles for coronary and hoof wall areas of the toes showed an arched, parable-like shape when plotted from the medial over the cranial to the lateral toes. The highest temperature readings were found on the cranial toes. The difference between coronary and hoof wall temperatures of similar toes were constant all over the foot. The physiological heat profiles of the toe areas above the coronary region did not show this arched shape but stayed below the coronary temperature readings except on the medial toe. On comparison with thermographic findings of inflammated toes, a strong increase of this area above the coronary band was found which exceeded the temperature of the coronary region. This characteristic can be used as an indicator for acute inflammations. A regular heat profile, which resembles closely the physiological heat profile created in this study and which shows constant temperature differences between the defined areas of the single toes, is a good indicator of healthy foot. It is recommended that thermographic examinations always are evaluated using conventional observation of the heat patterns in conjunction with the additional creation of a heat profile to minimize subjectivity by the clinician. For the first time three elephants were examined in this study using a new pedographic method to gain information on the pressure distribution below the elephant’s foot. As found in humans as well as in pedographically examined cows, the pressure distribution in elephant’s feet showed a characteristic profile. Pressure peaks showed up especially in the cranial area of the foot, possibly the border between sole and pad, as well as in the caudal region in the shape of two pressure pillars. Experiments with a method to simulate softer ground seemed to lower the pressure peaks slightly in favor of a broader distribution, but were very difficult to evaluate, especially considering the small sample size. This method is also suited to register the actual area size put under pressure by the elephant, which was shown to rise under increased pressure, e. g. three legged standing. Despite some encountered methodical and technical problems, pedography of elephants is going to be a very promising field for further scientific studies in order to acquire more information on the physiology of pressure distribution. Data on husbandry conditions of the 17 visited zoos and as well as data on frequency and type of foot diseases and other health parameters of all 95 examined elephants were also collected and evaluated. A strong need for improvement was observed in terms of enclosure sizes and the surface materials used in indoor enclosures. Also, daily routines to increase activity of the elephants in the outdoor enclosures were found to be carried out only in half of the visited zoos. On a positive note, elephants in the evaluated zoos were hardly ever chained and if so, only for examination purposes. According to the data of the husbandry evaluation the information on the current status of foot health showed the need for improvement: Only in 36 % of the examined elephants foot problems were so far not encountered. On the time of examination 27 % of the animals were found to be under ongoing treatment for foot diseases. Mostly these were abscesses or other inflammation processes in the area of the nail’s laminar tissue. Out of the study sample, 30 % of the elephants were estimated to be overweight and 36 % showed stereotypic movement patterns.

For developing the available hydrocarbon reserves and for exploring new reservoirs, deeper and more complex wells are drilled. Drilling such deeper and complex wells requires a constant monitoring and controlling of the well paths. Therefore, the bottom hole assembly, the lower section of the drill string above the drill bit, is equipped with numerous measuring sensors for collecting geological and directional data while drilling. The collected data have to be transmitted to the surface in real time. Prior to transmit the data measured downhole to the surface, they are processed and translated into a binary code. Accordingly, the data will be represented as a series of zeroes and ones. The most common method for data transmission in boreholes is the so called mud pulse telemetry which sends the information through the drilling mud inside the drill string by means of coded pressure pulses. There are two types of devices available for downhole pressure pulses generation. The first type is the (positive or negative) pressure pulser which transmits the data by quasi-static variations of the pressure level inside the drill string. The second type is the (rotating or oscillating) mud siren which transmits the data by generating continuous pressure waves at specific frequencies. The main disadvantage of the mud pulse telemetry is its low data transmission rate which is about 10 bps. This data rate is very low compared to the measured amount of raw data. Therefore, the efficiency of the mud pulse telemetry must be improved, so that the data could be transmitted at higher rates. The present research work presents different developed and tested concepts for increasing the efficiency and the data transmission rate of the mud pulse telemetry. Both, the transmitter and the receiver end, were taken into consideration by developing the new concepts. Different hardware and software tools were used for performing the present research work. The available flow loop test facility and the experimental prototypes of the mud siren and positive pulser were used. The test facility was extended in order to enable the investigation of the new concepts. The available 3D numerical model (ANSYS CFX) was modified and extended in order to study the new concepts. At the transmitter end, a novel concept for a hybrid mud pulse telemetry system was developed and successfully tested. Here, two different types of mud pulse telemetry could be used in a combination, such as a mud siren and a pressure pulser. The developed concept was registered at the German Patent and Trade Mark Office for a patent in 2018. Two concepts for a multi-frequency mud siren were developed for simultaneous generation of two frequencies. In the first approach, two sets of stator/rotor were installed in a row connection, while they were installed in a parallel connection in the second approach. The two concepts were registered at the German Patent and Trade Mark Office for patents in 2015. An experimental multi-frequency generator was built and used for testing of several new ideas, such as transmitting the data using several carrier frequencies at the same time, transmitting the data with different wave forms (sine, sawtooth, triangle and rectangle), or transmitting the data using the chirp modulation. The innovative design of the experimental multi-frequency generator was registered at the German Patent and Trade Mark Office for patents in 2016. At the receiver end, two different methods for processing and analyzing the received multi-frequency signals using the Wavelet and Fourier analysis were drafted and tested. A novel concept for the use of a multi-sensor receiver was developed and successfully tested. The use of a multi-sensor receiver could strongly improve the detection of the received signals.:Table of Contents Declaration ii Abstract iii Acknowledgements v Table of Contents vi List of Abbreviations x List of Symbols xii CHAPTER 1 Introduction 1 CHAPTER 2 Modern Drilling Technology and Low Data Transmission Rate as a Limitation 5 2.1 Introduction to the modern drilling technology 5 2.1.1 Directional drilling technology 5 2.1.2 Steering technology 6 2.1.3 Measuring technology 8 2.1.4 Technology of data transmission in boreholes 9 2.2 Low data transmission rate as a problem with respect to the whole drilling process 13 CHAPTER 3 Fundamentals of Communication Technology 16 3.1 Modulation techniques for data transmission in baseband 16 3.2 Modulation techniques for data transmission in passband 17 3.3 Multiple frequency and chirp spread spectrum modulation techniques 19 3.4 Digital signal processing 21 3.4.1 Fourier transformation 21 3.4.2 Continuous wavelet transformation 23 3.4.3 Filtering 24 CHAPTER 4 State of the Art for Mud Pulse Telemetry Systems 26 4.1 Historical development of mud pulse telemetry including latest improvements applied for increasing its data transmission rate 26 4.2 Available types of mud pulse telemetry devices 30 4.2.1 Negative pulser 31 4.2.2 Positive pulser 32 4.2.3 Mud siren 32 4.2.4 Oscillating shear valve 33 4.3 Limitations of data transmission via mud pulse telemetry 34 4.3.1 Effect of noise sources in the mud channel on the transmission signal 34 4.3.2 Effect of attenuation in the mud channel on the transmission signal 36 4.3.3 Effect of reflections and their interference with the main transmission signal 37 4.3.4 Pass and stop bands 38 4.4.5 Minimum transmission time slot 38 CHAPTER 5 Novel Concepts and Tools for Increased Data Transmission Rates of Mud Pulse Telemetry 40 5.1 Transmitter end 41 5.1.1 Hybrid mud pulse telemetry (HMPT) 41 5.1.2 Multi-frequency generator 43 5.2 Receiver end 45 5.2.1 Investigation of the Wavelet analysis suitability for multi-frequency signal detection 45 5.2.2 Flexible placement of multi-sensor receiver 46 CHAPTER 6 Laboratory Test Facility and Used Hard and Soft Tools 49 6.1 Laboratory test facility for hydraulic data transmission in boreholes 49 6.2 Experimental prototypes of the pressure pulsers and mud siren 53 6.3 3D numerical simulation model for the test facility and mud siren 55 6.4 MATLAB software 58 CHAPTER 7 Hybrid Mud Pulse Telemetry (HMPT) System 59 7.1 Combination of mud siren and negative pressure pulser 60 7.2 Combination of mud siren and positive pressure pulser 63 7.3 Evaluating the laboratory investigations of the hybrid mud pulse telemetry (HMPT) system 66 CHAPTER 8 Mathematical and Numerical Investigation of the Concept of the Multi-Frequency Mud Siren 68 8.1 Preliminary considerations for the concept of the multi-frequency mud siren 69 8.2 Mathematical model investigation of different approaches for the multi-frequency mud siren concept 71 8.2.1 Multi-frequency mud siren with stators and rotors in a row 72 8.2.2 Multi-frequency mud siren with parallel connection of stators and rotors 74 8.3 Numerical model investigation of multi-frequency mud siren with two sets of stator/rotor in a row 77 8.3.1 Numerical simulations for data transmission with a multi-frequency mud siren using two carrier frequencies 79 8.3.2 Evaluation of the simulation results 81 8.3.3 Increasing the transmission reach of the mud siren for deep drilling operations 83 CHAPTER 9 Laboratory Investigations of Multi-Carrier Hydraulic Data Transmission Using an Experimental Multi-Frequency Generator 85 9.1 Laboratory multi-carrier frequency transmission tests 87 9.2 Investigation of the Wavelet analysis suitability for the detection of multi-frequency signal transmitted in boreholes 95 9.3 Initial investigations of hydraulic data transmission using chirp modulation and different pressure wave forms 100 9.3.1 Data transmission using chirp modulation (Chirp Spread Spectrum, CSS) 100 9.3.2 Data transmission using different wave forms 101 CHAPTER 10 Investigation of the Use of a Multi-Sensor Receiver for Improving the Hydraulic Data Transmission in Boreholes 104 10.1 Numerical model investigation of the use of a multi-sensor receiver 104 10.1.1 Data transmission using single-input and multiple-output (SIMO) 104 10.1.2 Data transmission using multiple-input and multiple-output (MIMO) 107 10.2 Laboratory investigations of the use of a multi-sensor receiver 108 10.3 Evaluating the use of a multi-sensor receiver for improving the hydraulic data transmission in boreholes 112 CHAPTER 11 Conclusion and Outlook 116 11.1 Conclusion 116 11.2 Outlook 120 References 122 List of Figures 129 List of Tables 136 List of Publications 137 List of Patents 138 Appendix- Chapter 7 139 Appendix- Chapter 8 141 Appendix- Chapter 9 142 Appendix- Chapter 10 146

Telemedical methods enable remote patient monitoring and healthcare at a distance. Besides, fitness tracker and sport watches are currently trending electronic products to generate awareness of health parameters in daily life. Especially, the long-term and continuous measurement of electrophysiological signals such as electrocardiogramm (ECG) becomes increasingly attractive for telemedical applications. Typically used disposable Ag/AgCl wet electrodes for good skin-electrode contact can potentially cause skin irritation and rashes. This paper presents a low cost, individual and flexible substrate for skin electrodes to be applied in future consumer electronic or professional applications. It enables an alternative contact method of the electrode to the skin by applying a pressure during the measurement and hence good contact. If no measurement is needed pressure can be released and the electrode loses skin contact. The 3D printed polymer module is 4 mm thick and comprises a pressure chamber, silver electrodes and insulation layer. The airtight printed membrane of flexible filament, which expands when inflating the chamber, may be printed in different thicknesses and shapes, much thinner than the present 4mm. This enables a high individuality for various applications. Pressure up to 150 kPa was applied and leads to dilatation of 1400 μm. First tests on skin when measuring electrodermal activity (EDA) show promising results for future applications.