Tesis por compendio / [ES] La focalización de ultrasonidos tiene muchas aplicaciones en una gran variedad de áreas tanto científicas como industriales. Los ultrasonidos focalizados son una de las herramientas principales usada por médicos en todo el mundo para obtener imágenes biomédicas de diferentes tipos de tejidos y órganos de manera no invasiva. En las últimas décadas, el uso de ultrasonidos focalizados de alta intensidad (HIFU, por sus siglas en inglés) ha surgido como una de las técnicas principales para el tratamiento de cáncer mediante la ablación térmica de tumores de manera no invasiva. Además, los ultrasonidos focalizados están emergiendo en los últimos años como uno de los métodos más prometedores para el tratamiento de las enfermedades cerebrales, con la aparición de nuevas técnicas disruptivas como la apertura reversible de la barrera hematoencefálica o la neuromodulación. En entornos industriales, los ultrasonidos son ampliamente utilizados como uno de los métodos principales para la evaluación no destructiva de materiales y estructuras, debido a que las ondas acústicas pueden penetrar en los objetos a distancias donde la luz no puede debido a la elevada absorción y dispersión. En este sentido, diseñar estructuras capaces de focalizar ultrasonidos es de una gran relevancia tanto para la comunidad científica como para los sectores médicos e industriales. Esta tesis presenta nuevos diseños de lentes acústicas capaces de controlar los parámetros principales del haz de ultrasonidos focalizados, proporcionando diferentes tipos de perfiles de focalización adecuados para una gran variedad de aplicaciones y escenarios. En particular, se han diseñado y adaptado al campo de los ultrasonidos las lentes de Fresnel (Fresnel Zone Plates, FZPs), ampliamente utilizadas en el campo de la óptica. Se ha presentado una nueva técnica de modulación espacio-temporal capaz de controlar la posición del foco de ultrasonidos tanto en espacio como en tiempo, aumentando así la versatilidad de este tipo de dispositivos. También se ha demostrado el funcionamiento en el campo de la acústica de nuevos diseños basados en aplicar secuencias binarias a una lente de Fresnel convencional, como las secuencias fractales de Cantor o las secuencias de M-bonacci generalizadas, capaces de modificar las propiedades de focalización de las lentes, incluyendo el número, posición y forma de los focos acústicos. Además, se introduce un nuevo diseño de lentes esféricas rellenas de líquido capaces de generar jets ultrasónicos, con mucho potencial en aplicaciones de imagen de alta resolución en campo cercano. Se ha demostrado que, cambiando el líquido interno de la lente o ajustando el ratio de mezcla entre dos líquidos, se pueden controlar los parámetros principales del jet. Los diseños propuestos en la tesis han sido validados tanto empleando simulaciones numéricas como realizando medidas experimentales, allanando el camino para el uso de este tipo de estructuras en aplicaciones de focalización de ultrasonidos. / [CA] La focalització d'ultrasons té moltes aplicacions en moltes àrees científiques i industrials. Els ultrasons focalitzats són una de les eines principals utilitzada per metges a tot el món per obtenir imatges biomèdiques de diferents tipus de teixits i òrgans de manera no invasiva. En les últimes dècades, els ultrasons focalitzats d'alta intensitat (HIFU, per les seues sigles en anglès) han aparegut com una de les tècniques principals per al tractament de càncer mitjançant l'ablació de tumors de manera no invasiva. A més, els ultrasons focalitzats estan emergint en els últims anys com un dels mètodes més prometedors per al tractament de les malalties cerebrals, amb l'aparició de noves tècniques disruptives com l'obertura reversible de la barrera hematoencefàlica o la neuromodulació. En entorns industrials, els ultrasons són àmpliament utilitzats com un dels mètodes principals per a l'avaluació no destructiva de materials i estructures, pel fet que les ones acústiques poden penetrar en els objectes a distàncies on la llum no pot a causa de l'elevada absorció i dispersió. En aquest sentit, dissenyar estructures capaces de focalitzar ultrasons és d'una gran rellevància tant per a la comunitat científica com per als sectors mèdics i industrials. Aquesta tesi presenta nous dissenys de lents acústiques capaços de controlar els paràmetres principals del feix d'ultrasons focalitzats, proporcionant diferents tipus de perfils de focalització adequats per a una gran varietat d'aplicacions i escenaris. En particular, s'han dissenyat i adaptat al camp dels ultrasons les lents de Fresnel (Fresnel Zone Plates, FZPs), àmpliament utilitzades en el camp de l'òptica. S'ha presentat una nova tècnica de modulació espai-temporal capaç de controlar la posició del focus d'ultrasons tant en espai com en temps, augmentant així la versatilitat d'aquest tipus de dispositius. També s'ha demostrat el funcionament en el camp de l'acústica de nous dissenys basats en aplicar seqüències binàries a una lent de Fresnel convencional, com les seqüències fractals de Cantor o les seqüències de M-bonacci generalitzades, capaces de modificar les propietats de focalització de les lents, incloent el nombre, posició i forma dels focus acústics. A més, s'introdueix un nou disseny de lents esfèriques plenes de líquid capaces de generar jets ultrasònics, amb molt potencial en aplicacions d'imatge d'alta resolució en camp proper. S'ha demostrat que, canviant el líquid intern de la lent o ajustant la ràtio de barreja entre dos líquids, es poden controlar els paràmetres principals del jet. Els dissenys proposats en la tesi han estat validats tant emprant simulacions numèriques com realitzant mesures experimentals, aplanant el camí per a l'ús d'aquest tipus d'estructures en aplicacions de focalització d'ultrasons. / [EN] Ultrasound focusing has many applications in a wide range of fields. Focused ultrasound is one of the main tools used by doctors all over the world to obtain biomedical images of different kind of tissues non-invasively. In the past decades, high intensity focused ultrasound (HIFU) appeared as one of the fundamental techniques for cancer treatment through non-invasive thermal tumor ablation. In addition, focused ultrasonic waves are recently emerging as one of the main tools to treat brain diseases, with novel disruptive techniques such as blood-brain barrier opening or neuromodulation. In industrial environments, ultrasonic waves are widely employed as one of the primary methods for the non-destructive evaluation (NDE) of materials and structures, as acoustic waves are able to penetrate deep into objects otherwise opaque using optical techniques. In this sense, designing structures capable of focusing ultrasonic waves is of great interest and relevance for the scientific, the industrial, and the biomedical sectors. This thesis devises new designs of acoustic lenses capable of controlling the main parameters of the focused ultrasound beam, achieving different kinds of focusing profiles suitable for a wide variety of scenarios. In particular, Fresnel Zone Plates (FZPs), commonly used in optics, are designed and adapted to the ultrasound domain. A novel spatio-temporal modulation technique capable of controlling the ultrasound focus location in both time and space is presented, increasing the versatility of this kind of devices. New design techniques based on applying a binary sequence to FZPs are also demonstrated, such as Cantor fractal sequences or generalized M-bonacci sequences, which modify the focusing properties of the lens, including the number, location, and shape of the different acoustic foci. In addition, acoustic jets generated by liquid-filled spherical lenses are devised for near-field high resolution imaging, demonstrating their applicability in the ultrasound domain. It is demonstrated that, by changing the inner liquid of the spherical lens or by tuning the mixing ratio between two liquids, the main focal parameters of the ultrasonic jet can be accurately controlled. The proposed designs are validated using both numerical simulations and experimental measurements, paving the way for the use of these kind of structures in focused ultrasound applications. / This work would not have been possible without the following funding sources: PAID-01-18 personal FPI grant from Universitat Politècnica de València; Spanish government MINECO TEC2015-70939-R project; Spanish government MICINN RTI2018-100792-B-I00 project; Generalitat Valenciana AICO/2020/139 project. / Pérez López, S. (2021). Design of Acoustic Lenses for Ultrasound Focusing Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179907 / Compendio

An enhanced thermal imaging concept made possible through the development of a gradient-indexed metamaterial infrared detector that offers broadband transmission and reflection in THz waves. This thesis proposes a proof of feasibility for a metamaterial infrared detector containing an anti-reflective coating with various geometrically varying periodic metasurfaces, a gradient-indexed dielectric multilayer for near-perfect longpass filtering, and a gradient index of refraction (GRIN) metalens for enhanced focal plane thermal imaging. 2D Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA) is used for understanding the photonic gratings performance based on material selection and varying geometric structure. Finite Difference Time Domain (FDTD) is used to characterize performance for a diffractive metalens by optimizing the radius and arrangement of cylindrical nanorods to create a desired phase profile that can achieve a desired focal distance for projections on a detector for near- to far-infrared thermal imaging. Through combining a micromachined anti-reflective coating, a near-perfect longpass filter, and metamaterial GRIN metalens, infrared/THz focal plane thermal imaging can obtain faster photo-response and image quality at targeted wavelengths, which allows for scientific advancements in electro-optical devices for the Department of Defense, aerospace, and biochemical detection applications.

Ein Signalweg während der neuronalen Entwicklung im adulten Gehirn ist der PI3K-PTEN-Akt Signalweg. Akt ist eine Kinase die drei verschiedene Isoformen besitzt, welche durch die Phosphorylierung von S473 und T308 aktiviert werden. KO Modelle der Isoformen haben gezeigt, dass nicht alle Funktionen von anderen Isoformen kompensiert werden können. Die genaue Rolle der einzelnen Isoformen in einem neuronalen Zusammenhang ist nur wenig untersucht. Ziel dieser Arbeit war, eine detaillierte Analyse der einzelnen Akt Isoformen nach der Aktivierung des PI3K-PTEN Signalweges. Dazu wurde im Labor eine neue Methode zur isoelektrischen Fokussierung etabliert., welche Proteine nach ihrer Ladung trennt und somit eine Analyse der Dynamik von Akt Phosphorylierungen in neuronalen Zellen erlaubt. Im Zuge dieser Arbeit konnten wir bisher unerkannte Merkmale der Akt Aktivierung und Phosphorylierung identifizieren. Wir konnten zeigen, dass die S473 und T308 Phosphorylierung in Neuroblastomazellen unabhängig voneinander auftreten kann und, dass verschiedene Akt1 Moleküle unterschiedlich auf die Inhibition von PI3K reagieren. Außerdem konnten wir Verschiebungen in der Aktivierung und in der Expression der unterschiedlichen Isoformen während der postnatalen Gehirnentwicklung der Ratte feststellen. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass die Aktivierung von Akt von dem Signal und dem Alter der Neurone abhängig ist. Noch nicht vollständig differenzierte Neurone reagieren vor allem auf BDNF Stimulation, wohingegen adulte, differenzierte Neurone hauptsächlich auf EGF reagieren und dort explizit Akt2 über EGFR und PI3K-p110α Signale aktiviert wird. Im Gegensatz dazu führt der Verlust von PTEN zu einer Aktivierung von hauptsächlich Akt1. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit einen komplexen Zusammenhang der Phosphorylierung von Akt auf, welcher Signal- und Entwicklungsabhängig ist bei dem unterschiedliche Akt Populationen auf Wachstumsfaktoren und auf PTEN Verlust reagieren. / A major pathway involved in neuronal development is the PI3K-PTEN-Akt pathway. Akt comprises three isoforms, which are activated by phosphorylation of the residues S473 and T308. KO animals for the isoforms have shown differential as well as redundant functions of the three isoforms. However, their individual role in neuronal signaling pathways has not yet been studied in great detail. The aim of this study was to obtain further insight into differential Akt isoform signaling in response to changes in the activity of PI3K and PTEN pathway. A new isoelectric focusing method was established, which allowed us to separate Akt proteins according to their charge, therefore, providing a refined read-out to study dynamics of Akt phosphorylation in a neuronal background. In the course of this project we were able to identify previously undescribed features of Akt phosphorylation and activation. First, we could provide evidence for an uncoupling of the two activating phosphorylation events at S473 and T308 in neuroblastoma cells and differential sensitivities of Akt1 forms towards PI3K inhibition. Secondly, we found a transient shift in Akt isoform activation and abundance during postnatal rat brain development. Thirdly, we were able to show that the activation of different Akt isoforms is dependent of the upstream signal as well as the age of the neuron. Immature neurons were found to be highly responsive to BDNF treatment, whereas mature neurons were most responsive to EGF stimulation leading exclusively to activation of Akt2 in an EGFR- and PI3K/p110α-dependent manner. Stimulation of Akt phosphorylation by the loss of PTEN led to an activation of mainly Akt1 forms, which suggests inherent differences in the Akt pools that are accessible to growth factors dependent PI3Ks as compared to the pools that are controlled by PTEN. In summary, this thesis demonstrates the presence of complex phosphorylation events of Akt in a developmental- and signal-dependent manner in neurons.

Sverige har historiskt sett haft en god tillgång till sötvatten. Under de senaste åren har dock problematiken kring torka och vattenbrist ökat och periodvis blivit ett problem i vissa regioner. Torka och vattenbrist förväntas bli mer förekommande till följd av klimatförändringar, vilket i bland annat Skåne blir problematiskt eftersom tillgången till sötvatten redan är begränsad. Problematiken ökar i kombination med att det finns ett stort vattenbehov, eftersom det är en folktät region med mycket verksamheter och jordbruk. Som följd har intresset för alternativa vattenkällor ökat, såsom återvinning av avloppsvatten. Syftet med studien var att undersöka utvecklingen av vattenåtervinning i Skåne. Mer specifikt ämnade studien att ta reda på vad skånska aktörer som initierat och påbörjat projekt kring återvinning av vatten stött på för hinder och drivkrafter. Ett kriteriestyrt urval samt snöbollsurval användes för att hitta lämpliga respondenter för de semistrukturerade intervjuerna. Respondenterna bestod av kommunala och regionala tjänstepersoner samt forskare som varit involverade i lokala projekt kring vattenåtervinning i Skåne. Genom induktiv kvalitativ kodning visade resultaten att de främsta drivkrafterna för att utveckla vattenåtervinning i Skåne var vattenbrist, engagemang hos olika aktörer samt tillgång till finansiella och tekniska resurser. Följande visade resultaten att lagstiftning och andra juridiska aspekter, ekonomiska aspekter och infrastruktur utgör de främsta hindren för utvecklingen av vattenåtervinning i Skåne. Slutsatsen visade att VA-systemet och utvecklingen av återvinning av vatten i Skåne befinner sig i en sorts lock-in, på grund av path dependency, där olika system såsom lagstiftning, infrastruktur och ekonomi hämmar utvecklingsmöjligheter. Dock framkom också slutsatsen att engagerade nyckelaktörer såsom VA-organisationer, myndigheter och politiker eller stora kriser såsom torka och vattenbrist harförmågan att agera som focusing events eller path break-outs och bryta den lock-in som finnsoch därmed driva utvecklingen framåt inom vattenåtervinning. Det etiska perspektivet av intergenerationell rättvisa bör integreras vid planeringen av ny VA-infrastruktur. / Sweden has historically had sufficient access to freshwater. However, during the last years drought and water scarcity has increased and periodically become a problem in some regions. Drought and water scarcity is expected to occur more often due to climate change, which in Scania becomes problematic as the access to freshwater is already limited. Combined with thelarge need for water, the issue increases due to how the region is densely populated with numerous industries and agriculture. Consequently, alternative water sources, such as the recycling of wastewater, have gotten more interest. The purpose of this study was to investigate the development of water recycling in Scania, Sweden. More specifically, the aim was to determine what barriers and drivers actors in Scania, who have initiated or participated in projects related to water recycling, have encountered. A criteria-driven selection and snowball selection was used to find appropriate respondents for the semi-structured interviews. The respondents consisted of municipal and regional public-officials as well as researchers who have been involved in local water recycling projects in Scania. Through inductive qualitative coding, results showed that the major drivers of water recycling were water shortage, dedication of different actors and availability of financial and technical resources. Furthermore, the results showed that laws and other juridical aspects, economic aspects and infrastructure were the major barriers of the development of water recycling in Scania. In conclusion, the water and wastewater system and development of water recycling in Scania is in a lock-in face, in accordance with path dependency theory. The study revealed how several systems have contributed to this lock-in, and how legislation, infrastructure and economy therefore prevent development possibilities. However, another conclusion is that dedicated key-actors such as wastewater organisations, government agencies and politicians or major crises like drought or water shortage have the ability to act as focusing events or pathbreak-outs. They have the capability to break the lock-in and therefore act as drivers for further development of water recycling. The ethical perspective of intergenerational justice should be integrated in the planning of new wastewater infrastructure.

L'étude de matériaux intelligents, capables de s'adapter à des stimuli externes est actuellement en plein développement. La ligne directrice de cette thèse est la création de mousses avec des propriétés optiques particulières dans le domaine visible et modulables par un champ magnétique. Cela pose deux problèmes: parvenir d'une part à réaliser une mousse ordonnée constituée de cellules de taille micrométrique et d'autre part à coupler efficacement son arrangement avec un champ magnétique. Ce travail, au cœur des thématiques de la matière molle, se divise en trois parties. La première partie décrit le comportement rhéophysique de solutions aqueuses d'alginate de sodium (polyélectrolyte anionique) et de nanoparticules magnétiques, solutions qui gélifient en présence d'ions calcium. La seconde partie concerne les mousses aqueuses et les bulles monodisperses micrométriques: il est d'abord présenté l'étude de la pression osmotique et de la transition structurelle en fonction de la fraction liquide d'une mousse cristalline générée par un dispositif microfluidique (diamètre des bulles: ~ 100 µm). Puis, une méthode originale basée sur le rétrécissement de bulles est introduite pour créer des bulles ou des gouttes monodisperses micrométriques. Enfin, la troisième partie rassemble les différentes connaissances acquises pour accéder aux premières mousses gélifiées magnéto-stimulables.

Dans le cadre des études sur l’endommagement laser liées au projet Mégajoule, nous analysons le couplage entre l’auto-focalisation induite par effet Kerr et la rétrodiffusion Brillouin stimulée pour des impulsions de durée nanoseconde se propageant dans des échantillons de silice. L’influence de la puissance d’entrée, des modulations de phase ou d’amplitude ainsi que la forme spatiale du faisceau sur la dynamique de filamentation est discutée. Nous montrons qu’une modulation d’amplitude appropriée divisant l’impulsion incidente en train d’impulsions de l’ordre de la dizaine de picosecondes supprime l’effet Brillouin pour toute puissance incidente mais réduit notablement la puissance laser disponible. A l’inverse, des impulsions modulées en phase avec une largeur spectrale comparable peuvent subir de la filamentation multiple et une auto-focalisation à distance plus courte causées par des instabilités modulationnelles. Nous démontrons cependant l’existence d’une largeur spectrale critique à partir de laquelle la rétrodiffusion peut être radicalement inhibée par une modulation de phase, même pour des fortes puissances. Cette observation reste valide pour des faisceaux de forme carrée avec des profils spatiaux plus larges, qui s’auto-focalisent beaucoup plus rapidement et se brisent en filaments multiples sur de courtes distances. L’inclusion de la génération de plasma pour limiter la croissance des ondes pompe et Stokes est finalement abordée. / As part of the studies on laser damage linked to the Megajoule project, we analyze the coupling between the Kerr induce self-focusing and the stimulated Brillouin backscattering pour nanosecond optical pulses propagating in silica samples. The influence of the incident power, phase or amplitude modulations as well as the spatial profile of the pulse of the filamentation dynamic is discussed. We show that an appropriate amplitude modulation dividing the incident pulse in pulse trains of picosecond durations suppresses the Brillouin effect for any incident power but noticeably reduces the available average laser power. On the contrary, phase modulated pulses with a comparable spectral width can undergo multiple filamentation and self-focusing at a shorter distance, caused by modulational instabilities. We demonstrate however the existence of a critical spectral bandwidth from which the backscattering can be radically inhibited by a phase modulation, even for high powers. This conclusion remains valid for spatially broader squared pulses, which self-focus earlier and break into multiple filaments at shorter distances. The inclusion of plasma generation to limit the growth of pump and Stokes waves is finally addressed.

Les ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) permettent la destruction de tissus biologiques par élévation de la température. Cette technique reconnue est utilisée actuellement dans le monde médical afin de traiter certaines masses tumorales. Le projet décrit dans ce document détaille la mise au point et l'utilisation de deux systèmes thérapeutiques indépendants, ayant pour objectif principal le traitement peropératoire puis extracorporel des tumeurs hépatiques. Dans un premier temps, un système chirurgical existant, destiné au traitement des métastases hépatiques et en cours d'évaluation clinique, a été utilisé. La mise en place d'une modalité de traitement par focalisation électronique a permis d'augmenter le volume de coagulation initial et ainsi faciliter la procédure opératoire. Basée sur les conclusions de cette première étude, une seconde version de sonde peropératoire a été modélisée puis développée. La géométrie du transducteur utilisé a permis une modification de la forme des lésions produites. Les performances de cette sonde de traitement ont été évaluées numériquement puis validées lors d'expérience in vitro et in vivo. L'efficacité, la simplicité et la reproductibilité des traitements réalisés sur le foie ont conduit à une possible application du dispositif aux cancers du pancréas. Après étude numérique et évaluation de la faisabilité in vitro, une validation sur modèle animal a été entreprise. L'ensemble des résultats obtenus au cours de ces différents traitements peropératoires a permis d'envisager la faisabilité d'un dispositif de traitement par voie extracorporelle. Une étude théorique a donné lieu à la réalisation d'un prototype expérimental. Après calibrations et étalonnages, des résultats in vitro préliminaires ont été obtenus / High intensity focused ultrasound (HIFU) allows the destruction of biological tissue by temperature increase. This technique is commonly used in the medical world for treating certain types of tumor masses. The project described in this document details the development and use of two independent therapy systems, with the main objective to treat intraoperatively and extracorporeally liver tumors. As a first step, an existing surgical system, intended to treat liver metastases and under clinical evaluation, was used. The establishment of a treatment modality based on electronic focusing has contributed to increase the coagulation volume and thus simplify the operative procedure. Based upon the findings of this first study, a second version of intraoperative probe was modeled and developed. The geometry of this new transducer allowed to change the shape of produced ablations. The performance of this probe were evaluated numerically and then validated with in vitro and in vivo studies. The effectiveness, simplicity and reproducibility of the treatments performed in the liver led to a possible application of the device to pancreatic cancer. After numerical study and in vitro feasibility assessment, animal model validation was also undertaken. All the results obtained during the peroperative treatments was used to study the feasibility of an extracorporeal treatment. A theoretical study has led to the development of an experimental prototype. After calibration, preliminary in vitro results were obtained

Une partie des recherches actuelles dans le domaine de l’analyse chimique concerne la miniaturisation et l’intégration d’étapes analytiques afin de répondre, entre autres, à des besoins de portabilité, d’automatisation mais aussi d’apporter des solutions pour analyser des échantillons de plus en plus petits. Le développement et la mise en œuvre de colonnes monolithiques d’affinité boronate (µBAMC) couplées « in-line » à des techniques séparatives miniaturisées s’inscrit dans cette démarche. Ce travail de thèse s’est focalisé sur (1) une compréhension des mécanismes de rétention en chromatographie d’affinité boronate (interactions spécifiques avec les composés cis-diols, conditions de reconnaissance, interactions secondaires), (2) le développement de supports monolithiques d’affinité boronate miniaturisés et (3) leur couplage «in-line» avec une séparation électrocinétique et détection conventionnelle dans un format capillaire. Différentes voies d’élaboration de colonnes monolithiques ont été comparées (en termes d’affinité, de nombre de sites boronate actifs et de stabilité). La faisabilité du couplage en ligne de ces supports µBAMC avec une étape de séparation électrophorétique (par CZE et CIEF) a été démontrée vis-à-vis de la purification/préconcentration et séparation de 3 catécholamines contenant des groupements cis-diols (Adrénaline, Noradrénaline et Dopamine) dans l’urine. Les couplages ont été optimisés avec succès permettant l’analyse automatisée et miniaturisée de ces neurotransmetteurs dans l’urine (volume échantillon < 10 µL) avec des limites de détection de l’ordre de la dizaine de ppb et des taux de récupération proches de 100 % / Part of the current research in the field of chemical analysis concerns the miniaturization and the integration of analytical steps in order to meet, among other things, the need of portability and automation but also to provide solutions for analyzing small samples. The development and implementation of monolithic boronate affinity columns (µBAMC) in-line coupled to miniaturized separation techniques is part of this approach. This thesis work focused on (1) an understanding of the retention mechanisms in boronate affinity chromatography (specific interactions with cis-diol compounds, recognition conditions and secondary interactions), (2) the development of miniaturized boronate affinity monolithic supports and (3) their in-line coupling with electrokinetic separation and conventional detection in a capillary format. Different ways of elaboration of monolithic columns were compared (in terms of affinity, number of actives sites and stability). The feasibility of in-line coupling of these µBAMC supports with an electrophoretic separation step (by CZE and CIEF) has been demonstrated in terms of purification / preconcentration and separation of 3 catecholamines containing cis-diol groups (adrenaline, noradrenaline and dopamine) in urine. The couplings have been successfully optimized allowing the automated and miniaturized analysis of these neurotransmitters in urine (sample volume <10 µl) with limits of detection of about the tens of ppb and recovery yields close to 100 %

Das Problem des Missbrauchs von Erythropoietin (EPO) als Dopingsubstanz zur Steigerung der Ausdauerleistung wurde schlagartig weltweit durch den Skandal zur Tour de France 1998 bekannt. Das Internationale Olympische Komitee (IOC) führte ab 1992 Erythropoietin explizit auf der Liste der verbotenen Wirkstoffe auf, ohne des es möglich war zwischen den rekombinantem und dem körpereigene Erythropoietin zu unterscheiden. Bei der im Institut für Dopinganalytik und Sportbiochemie Kreischa durchgeführten Arbeit wurden zwei generelle Strategien verfolgt: zum einen ein indirekter Nachweis des rhEPO, basisierend auf dessen Auswirkungen auf die Erythropoese, und zum anderen der direkte Nachweis des Unterschieds zwischen rekombinantem und humanem Erythropoietin. In der ersten durchgeführten Populationsuntersuchung von 229 Leistungssportlern konnte bei der Auswertung der Daten lediglich eine signifikante Erhöhung des löslichen Transferrinrezeptors (sTfR) bei den Ausdauerathleten gefunden werden, während sich die hämatologischen Parameter nicht unterschieden. In der anschließenden Verlaufsuntersuchung von Ausdauerathleten des Deutschen Leichtathletikverbandes wurden zusätzlich zu den bereits in der Populationsstudie untersuchten Parametern erstmalig von Hochleistungs-athleten Retikulozyten und deren Reifeparameter untersucht. Bei den Hochleistungs-sportlern konnten, insbesondere für die Retikulozyten-parameter, über den Zeitraum der Studie konstante Werte gefunden werden. Die Untersuchung der zirkadianen Rhythmik zeigte lediglich für den Parameter Erythropoietin einen signifikante Veränderung mit einem Maximum in den späten Abendstunden (20:00 bis 23:00 Uhr) erreichte. Die Untersuchung der Variation der indirekten Parameter über den Zeitraum eines Jahres zeigte, dass im Gegensatz zu der Verlaufsuntersuchung der DLV-Athleten, bei der der längste Untersuchungs-zeitraum sechs Monate betrug, eine Veränderung aller Parameter, mit Ausnahme von Erythropoietin, bestand. Bei der Auswertung der Belastungsstudien wurde für die gut trainierten Athleten nur ein geringer Einfluss auf die hämatologischen Parameter gefunden, während bei einigen Retikulozytenparametern signifikante Erhöhungen durch die Belastung festgestellt werden konnten. Mit der Etablierung der direkten Nachweismethode für EPO im Urin und der Anpassung der ursprünglichen Methode an das neue Präparat ARANESP, ein modifiziertes EPO, änderte sich die Aufgabenstellung für die indirekten Parameter, da es ab sofort möglich war eine große Anzahl Proben unter Verwendung von niedrigeren Grenzwerten zu screenen. Anhand der Werte der weltbesten Ausdauerathleten wurden allgemein gültige Grenzwerte und eine globale Strategie für ein Screening aufgestellt. Bei einem auffälligen Befund würde in jedem Fall die korrespondierende Urinprobe mittels der direkten Methode untersucht und erst mit dem Nachweis des rekombinanten Erythropoietins als positiv bewertet werden. Zusätzlich zu den indirekten Parametern wurden Untersuchungen hinsichtlich des direkten Nachweis, d. h. der Anreicherung von Erythropoietin und einer massenspektrometrischen Analyse einzelner Glykanketten, durchgeführt, bei denen mit der Kombination Nanospray und TOF-MS die notwendigen Nachweisgrenzen erreicht werden konnten. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass ausgewählter Blutparameter sehr gut geeignet sind, um als Screeningmethode für erythropoesesteigernde Substanzen zu dienen. Im Gegensatz zur Methode des direkten Nachweises von EPO im Urin, die durch die Verfügbarkeit der Referenzsubstanzen limitiert ist, bietet der indirekte Nachweis über Blutparameter den Vorteil, Veränderungen des erythropoetischen Systems, verursacht durch neue Substanzen oder Methoden, erfassen zu können.

Η εφαρμογή της μικροκυματικής ραδιομετρίας έχει επεκταθεί στο χώρο της ιατρικής, καθότι τα τελευταία χρόνια γίνονται έρευνες με σκοπό την εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της μεθόδου στη διαγνωστική αλλά και στη θεραπευτική ιατρική. Στα πλαίσια μιας διδακτορικής διατριβής που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών (ΕΜΟΙ) της σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και ολοκληρώθηκε το 2003, κατασκευάστηκε ένα τρισδιάστατο σύστημα παθητικής μικροκυματικής ραδιομετρικής απεικόνισης (ΜiRaIS) για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου. Στη συγκεκριμένη μέθοδο χρησιμοποιείται μια αγώγιμη ελλειψοειδής κοιλότητα, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη συγκέντρωση και εστίαση ακτινοβολίας που εκπέμπει το φυσικό σώμα ενδιαφέροντος, σε συνδυασμό με ραδιομετρικούς δέκτες ολικής ισχύος και ομοιοκατευθυντικές κεραίες λήψης στο φάσμα συχνοτήτων 1-4GHz. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται θεωρητική και πειραματική μελέτη ενός νέου μικροκυματικού ραδιομετρικού συστήματος. Η αρχή λειτουργίας του είναι όμοια με αυτήν του MiRaIS, δηλαδή πλήρως παθητική και μη επεμβατική. Η βασική διαφορά του είναι ότι χρησιμοποιεί μια τροποποιημένη ελλειψοειδή κοιλότητα η οποία βελτιώνει την εργονομία του συστήματος διατηρώντας παράλληλα της ιδιότητες εστίασης του πρωτότυπου ελλειψοειδούς. Στη θεωρητική μελέτη, με τη βοήθεια του λογισμικού High Frequency Structure Simulation (HFSS) που βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, αναλύονται δυο μέθοδοι για τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος (πχ. βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας, χωρική διακριτική ικανότητα) με τη χρήση διηλεκτρικών υλικών και υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης (Left Handed Materials-LHM). Στην πρώτη περίπτωση, τα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται ως στρώματα προσαρμογής που τοποθετούνται γύρω από το μοντέλο κεφαλιού για την επίτευξη βηματικής αλλαγής του δείκτη διάθλασης στη διεπιφάνεια αέρα-μοντέλου ανθρώπινου κεφαλιού. Στη δεύτερη προσέγγιση του προβλήματος, χρησιμοποιείται μια σφαίρα από διηλεκτρικό σε συνδυασμό με ένα στρώμα προσαρμογής από LHM για την καλύτερη εστίαση του συστήματος. Προς την ίδια κατεύθυνση, στη δεύτερη αυτή περίπτωση χρησιμοποιείται επίσης ένας ελλειψοειδής ανακλαστήρας μειωμένου όγκου το εσωτερικό του οποίου είναι γεμάτο με διηλεκτρικό με χαμηλές απώλειες, με τα αποτελέσματα να δείχνουν σημαντική βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Η πειραματική διάταξη τοποθετήθηκε σε ανηχοϊκό θάλαμο όπου και πραγματοποιήθηκαν όλες οι μετρήσεις. Στις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν ομοιώματα νερού (phantoms) σε διάφορα μεγέθη και θερμοκρασίες για την επιβεβαίωση της διατήρησης των ιδιοτήτων εστίασης του νέου ελλειψοειδούς ανακλαστήρα. Επίσης, διενεργήθηκαν μετρήσεις με στρώματα προσαρμογής φτιαγμένα από διηλεκτρικά υλικά, τα οποία τοποθετούνταν γύρω από το αντικείμενο ενδιαφέροντος, για την πληρέστερη κατανόηση της επίδρασης των υλικών αυτών στις ιδιότητες εστίασης του συστήματος και για την επιβεβαίωση των αντίστοιχων θεωρητικών αποτελεσμάτων. / In the framework of a PhD thesis which was completed in the Laboratory of Microwaves and Fiber Optics (MFOL), School of Electrical and Computer Engineering, National Technical University of Athens (NTUA) in 2003, a Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System (MiRaIS) was designed and constructed for brain diagnostic applications. The novelty of the proposed methodology consists in the use of a conductive ellipsoidal cavity to achieve maximum peak of radiation pattern in order to measure the intensity of the microwave energy, radiated by the medium of interest, by using two microwave total power radiometers and relevant non-contacting antennas within the range of 1-4GHz. In the present thesis, a new microwave radiometry system is theoretically and experimentally studied. It has the same operation principal with MiRaIS as it operates in an entirely non-invasive and passive manner. Its main difference is that it comprises a modified ellipsoidal cavity which improves the system’s ergonomy preserving the focusing properties of the original cavity. In the theoretical study, two methods for the improvement of the system’s focusing properties (e.g. penetration depth of the electromagnetic field, spatial sensitivity) using dielectric materials and left-handed materials (LHM) are tested with the use of a commercially available software tool, High Frequency Structure Simulation (HFSS). In the first case, those materials are used as matching layers placed around the human head model for the achievement of stepped change of the refraction index on the air-human head model interface. On the second approach, a sphere made of dielectric material is used in conjunction with a LHM matching layer in order to improve the system’s spatial sensitivity. Towards the same direction, a reduced volume ellipsoidal cavity filled with low loss dielectric material is used showing promising results. The experiments were performed inside an anechoic chamber providing maximum accuracy avoiding any external intergerence. In the experimental procedures that were performed, water phantoms of several sizes and temperatures were used in order to confirm that the new ellipsoidal beamformer maintains the focusing properties of the original one. Also, measurements were conducted using dielectric matching layers, placed around the medium of interest, in order to fully understand the effect of those materials in the system’s focusing properties as well as confirm the relative theoretical results.