Techn. Univ., Diss., 2002--Darmstadt

Universiẗat, Diss., 2003--Freiburg (Breisgau).

Essen, University, Diss., 2004--Duisburg.

Essen, Universiẗat, Diss., 2005--Duisburg.

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Modellierung einer linearen Induktionsmaschine. Nach einer kurzen Einleitungen und einigen Hinweisen zu den mathematischen Grundlagen, wie sie im Weiteren vorausgesetzt werden, folgt die Herleitung der Modellgleichungen. Für die sich anschließenden Aussagen über die Stabilität einer stationären Lösung werden die erhaltenen Gleichungen linearisiert. Schließlich soll an kurzen Fallbeispielen gezeigt werden, wie das Modell numerisch ausgewertet werden kann.

Es wird die prinzipielle Vorgehensweise der stationären und transienten Berechnung thermischer Felder elektrischer Maschinen mittels Mathcad 14 demonstriert. Die konventionelle mathematische Notation der verwendeten Formeln in Mathcad, das Einbinden von Text, Grafiken, Tabellen und Programmablaufplänen machen den Berechnungsablauf leicht verständlich und überprüfbar. Die Weiterentwicklung komplizierter Algorithmen wird somit auch einem Entwicklungsingenieur ohne spezielle Programmierkenntnisse ermöglicht.

Zusammenfassung Hintergrund Die Interscalenäre Blockade des Plexus brachialis (ISB) ist ein weit verbreitetes regionalanästhesiologisches Verfahren zu postoperativen Schmerzkontrolle bei Operationen an der Schulter. Ungeachtet der suffizienten Analgesie kommt es bei der ISB fast immer zur akzessorischen Blockade des Nervus phrenicus mit konsekutiver Lähmung des Zwerchfells sowie zu einer motorischen Blockade der betroffenen Extremität. Eine nebenwirkungsärmere Alternative könnte die ultraschallgestützte anteriore Blockade des Nervus suprascapularis (NSSB) darstellen. Methoden 55 für eine ambulante arthroskopische Schulteroperation vorgesehene Patienten wurden nach dem Zufallsprinzip der Gruppe ISB oder NSSB zugeteilt. Für beide Verfahren wurden jeweils 10 ml 1 %iges Ropivacain verwendet. Primärer Endpunkt war die prozentuale Lungenventilation auf der zu operierenden Seite, welche mittels Elektrischer Impedanz-Tomographie (EIT) gemessen wurde. Zur Beurteilung der hemidiaphragmatischen Parese erfolgte zusätzlich die sonographische Darstellung des Zwerchfells auf der ipsilateralen Seite im M-Mode. Als sekundäre Endpunkte wurden der postoperative Schmerzmittelverbrauch, Schmerz-Scores, die Handkraft, die sensorische Blockade der Hand sowie die Patientenzufriedenheit untersucht. Ergebnisse Insgesamt konnten die Daten von 48 Patienten analysiert (24 NSSB, 24 ISB, durchschnittliches Alter 51 Jahre, 22 Frauen, 26 Männer) werden. Technische Probleme bei der Durchführung der EIT-Messung sowie die fehlerhafte Aufzeichnung der EIT-Daten führten zum Ausschluss von 7 Patienten. Vor der Nervenblockade wurde die zu untersuchende Lungenhälfte mit durchschnittlich 51 % des gesamten Lungenvolumens belüftet. Postoperativ fielen die Werte auf 34 % (NSSB) vs. 10 % (ISB) ab, dies entsprach einer Differenz von 23 % (95 % KI = 13 bis 34 %, p < 0,001). Eine Zwerchfellparese wurde bei 21 % (NSSB) vs. 88 % (ISB) der Patienten nachgewiesen (p < 0,001). Die Handkraft war bei der NSSB um 11,2 kg (95 % KI = 3,6 bis 18,9 kg, p = 0,0024) höher und eine eingeschränkte Sensorik der Hand wurde bei 0 % (NSSB) vs. 46 % (ISB) der Patienten beobachtet (p < 0,001). Die angegebenen Schmerzen waren in den ersten 6 h nach der Operation in beiden Gruppen niedrig, mit leichtem Vorteil zugunsten der ISB. Hinsichtlich des postoperativen Opioid-Verbrauchs und der Patientenzufriedenheit zeigten sich keine signifikanten Unterschiede. Schlussfolgerung Die anteriore Blockade des Nervus suprascapularis führt zu einer weniger ausgeprägten postoperativen Ventilationseinschränkung und geht seltener mit einer Parese des Zwerchfells einher. In Bezug auf Analgesie, Schmerzmittelverbrauch und Patientenkomfort ist sie der Interscalenären Blockade gleichwertig.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 1 Einleitung 3 1.1 Anatomie 4 1.1.1 Schultergelenk 4 1.1.2 Plexus brachialis 5 1.1.3 Nervus suprascapularis 9 1.1.4 Innervation der Schulter 10 1.2 Regionalanästhesie 11 1.2.1 Geschichte der Regionalanästhesie 11 1.2.2 Verfahren der Regionalanästhesie 12 1.2.3 Periphere Nervenblockaden des Plexus brachialis 15 1.3 Die Elektrische Impedanz-Tomographie (EIT) 25 1.3.1 Technisches Prinzip 26 1.3.2 Einsatzmöglichkeiten der EIT im klinischen Alltag 27 1.4 Ambulante Operationen 28 1.4.1 Entwicklung des tagesklinischen Bereiches 28 1.4.2 Vorteile ambulanter Operationen 30 1.4.3 Voraussetzungen für einen ambulanten Eingriff 30 1.4.4 Anforderungen an das Anästhesieverfahren 31 2. Zielsetzung der Doktorarbeit 33 3. Material und Methoden 34 3.1 Studie 34 3.1.1 Stichprobenberechnung, Gruppeneinteilung und Randomisierung 34 3.1.2 Einschluss- und Ausschlusskriterien 35 3.2 Punktionsprozedere und -technik 36 3.2.1 Durchführung der Interscalenären Blockade 37 3.2.2 Durchführung der anterioren N. suprascapularis Blockade 38 3.2.3 Rescue-Medikation, Procedere bei unzureichender Analgesie sowie Verfahrensweise bei Verdacht auf neurologische Schäden 40 3.3 EIT-Messung und sonographischen Darstellung des Zwerchfells 41 3.3.1 Durchführung der EIT-Messung 41 3.3.2 Sonographie des Zwerchfells 42 3.4 Datenerhebung 44 3.5 Studienendpunkte 46 3.6 Statistik 47 4. Ergebnisse 48 4.1 Demographische Daten 48 4.2 OP-Indikationen und Nebendiagnosen 51 4.2.1 OP-Indikationen 51 4.2.2 Komorbiditäten 51 4.3 OP-Daten, Anästhesieverfahren und Punktionsdaten 53 4.3.1 OP-Daten 53 4.3.2 Anästhesieverfahren und intraoperativer Medikamentenverbrauch 54 4.3.3 Punktionsdaten 54 4.4 EIT-Messung und Zwerchfellsonographie 56 4.5 Evaluation der Schmerzintensität und postoperativer Schmerzmittelverbrauch 60 4.5.1 Schmerzintensität 60 4.5.2 Postoperativer Analgetikaverbrauch 61 4.6 Daten zur Handkraftmessung, Blockadequalität, Blockadedauer, Nebenwirkung und Komplikationen sowie Patientenzufriedenheit 63 4.6.1 Bestimmung der Handkraft, sensorische Blockadequalität und Blockadedauer 63 4.6.2 Nebenwirkungen und Komplikationen 65 4.6.3 Patientenzufriedenheit 66 5 Diskussion 68 5.1 Zusammenfassung der Hauptergebnisse 68 5.2 Diskussion der Ergebnisse 69 5.2.1 EIT und Sonographie zur Detektion der N. phrenicus Parese 69 5.2.2 Parese des N. phrenicus und Zwerchfellparese 71 5.2.3 Schmerztherapie und periphere Nervenblockaden bei ambulanten Operationen 73 5.2.4 Sensomotorische Blockadequalität 75 5.2.5 Blockadedauer 76 5.2.6 Methodenimmanente Nebenwirkungen und Komplikationen 77 5.2.7 Patientenzufriedenheit und erneute Entscheidung 77 5.2.8 Limitationen 77 5.2.9 Ausblick 78 Zusammenfassung 80 Literaturverzeichnis 82 Abbildungsverzeichnis 93 Tabellenverzeichnis 95 Anhang 96 Eigenständigkeitserklärung 98 Publikationen 99

This dissertation investigates the possibility of using compact and heaterless calcium aluminate electride hollow cathodes in different electric propulsion systems for space applications. As conventional hollow cathodes generally require a heater to reach the high operating temperatures necessary to thermally emit electrons, research on low temperature heaterless hollow cathodes as electron sources has been increasing. Efforts at Technische Universität Dresden have resulted in an operational hollow cathode design that can be reliably used for low current plasma discharges. Hollow cathodes are crucial components in electric propulsion systems to ionize the propellant and neutralize the extracted ion beam. The successful development of an operational hollow cathode opens the possibility of using the design in different low-power electric propulsion systems. As the electron emission properties of C12A7:e- are still not well understood, a volume-averaged hollow cathode model has been developed as part of this thesis to obtain an improved insight into the plasma processes governing the cathode discharge. The model consists of two computational domains in which the plasma properties are volume-averaged. A lumped-node thermal model coupled with the plasma model provides the cathode temperature distribution for different operating points. The model moreover provides the discharge voltage which can be directly compared to experimental data. The thermal model was compared to thermal measurements to derive adequate values for free model parameters. The discharge voltage fits well for a 1 A discharge but diverges from measurement data at higher currents. The model is a starting point for further modeling efforts and needs to be verified using extensive plasma diagnostics. The first electric propulsion system developed as part of this thesis is an electrothermal device that takes advantage of high particle temperatures in a hollow cathode discharge. A performance model and preliminary test series were used to derive design parameters for a prototype that was used for an extensive parameter study. The thruster reliably generates thrust over a current range between 1 A – 3 A. The thrust achieved with this device is in the high micronewton to low millinewton range. The specific impulse is on the order of 100 s, which is low for electric propulsion systems, and the high discharge voltages of approximately 50 V limit the achievable efficiency to <1%. The second thruster concept is a DC discharge gridded ion thruster using a C12A7:e- hollow cathode as the discharge cathode and the neutral gas inlet. An analytical discharge model combined with a particle-in-cell simulation for ion extraction by electrostatically biased grids was used to design a modular testing prototype. The concept requires a low discharge current on the order of 200 mA. Operating the cathodes in a milliamp discharge current range proved to be difficult and was accompanied by high discharge voltages. Extracting an ion beam from the testing prototype was not successful. The third propulsion system is a magnetoplasmadynamic thruster (MPDT) that takes advantage of a strong magnetic field generated by permanent magnets and an orthogonal current in a plasma discharge using a C12A7:e- hollow cathode. Conventional MPDTs require high current discharges to generate a sufficiently strong self-induced magnetic field. The developed concept is a design alternative to expand the operational envelope to lower powers. A major advantage is the comparatively easy scalability of the device. One prototype for the low amp current range was developed and successfully operated. The generated thrust is in the low millinewton range with a specific impulse up to 1,200 s. The test series highlighted thermal problems with the design. Consequently, a sub-amp version of the concept was developed. The thruster was successfully operated but required high mass flow rates, lowering the specific impulse and efficiency.

Es werden metallische Kurzfasern, die durch ein Schnellerstarrungsverfahren direkt aus der Schmelze hergestellt werden, bezüglich ihrer Verwendung als hochporöser Absorber und als elektrisch leitfähige Strukturen in Verbundwerkstoffen vorgestellt. Auf der Basis einer schalldämpfenden hochporösen gesinterten Metallfaserstruktur und einer schalldämmenden Elastomerplatte wird ein neuartiges Schallschutzmaterial beschrieben. Die Theorie des homogenen Mediums ist für Absorber mit schichtartigen Aufbau erweitert und mit den gemessenen Absorberkennwerten verglichen worden. Weiterhin wird gezeigt, dass schmelzextrahierte metallische Kurzfasern in Polymerwerkstoffe eingelagert werden können, um einen elektrisch leitfähigen Faserverbundwerkstoff zu erhalten, der eine höhere Leitfähigkeit als rußgefüllte Polymere aufweist und eine preiswerte Alternative zu intrinsich leitenden Polymeren darstellt. Es werden die Herstellung und mechanische Eigenschaften des Metallfaserverbundwerkstoffes beschrieben. Das elektrische Verhalten des Faserverbundwerkstoffes wird anhand der Perkolationstheorie erläutert. Ausgehend von einem umfangreichen Überblick zu Möglichkeiten der Modellierung mechanischer und elektrischer Eigenschaften wird anhand geeigneter Modelle das reale Werkstoffverhalten beschrieben.

Im bisherigen Auslegungsprozess wird ein Bahnsystem in der Regel in Teilsysteme zerlegt, die nacheinander und für sich betrachtet entworfen werden. Das Verhalten des Gesamtsystems im geplanten täglichen Betrieb wird nur für wenige Varianten mittels Simulation überprüft. In dieser Arbeit wird der Ansatz vorgestellt, ein elektrisches Bahnsystem als Optimierungsaufgabe zu modellieren und diese mit einem geeigneten mathematischen Suchverfahren zu lösen, um Wechselwirkungen im Gesamtsystem bereits während der Dimensionierung berücksichtigen zu können. Zu diesem Zweck wird ein mehrkriterieller genetischer Algorithmus mit Zugfahrtsimulation und Netzberechnung gekoppelt, um ein für elektrische Bahnen entwickeltes Optimierungsmodell zu lösen. Am Beispiel einer realen Metrostrecke wird das Verfahren auf seine Eignung getestet und die erzielten Ergebnisse bewertet. / In the previous design process the electric railway system was subdivided into subsystems that are conceived one after the other and independent of each other. The performance of the complete railway system under realistic operation conditions can only be verified for some very few variants using simulation tools. The paper presents an approach to formulate an electric railway system as a self-contained optimization problem solved by means of a mathematical optimization method in order to consider interactions within the system in the early stage of the design process. Therefore a multi-objective genetic algorithm is coupled with both train simulation and electrical network calculation solving an optimization model specially designed for electrical railway systems. The proposed method is tested on an actual metro system. The results of this case study are presented and evaluated.