Die vorliegende Arbeit untersucht, wie die genaue Kenntnis der Sende- und Empfangsschallfelder eines Ultraschallwandlers zur Entwicklung neuer Meßverfahren genutzt werden kann. Insbesondere werden dargestellt: - ein neuartiges, nichtscannendes Verfahren zur Bestimmung der Krümmung eines Reflektors, basierend auf der Analyse der Wellenfrontkrümmung reflektierter Schallfelder - ein neuartiges, nichtinvasives Verfahren zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit durch Auswertung der Echosignale von im Ausbreitungsmedium vorhandenen Streupartikeln und - ein Verfahren zur Wandlercharakterisierung durch Messungen in Fluiden mit Streupartikeln, sowie verschiedene Zuordnungen von Schallfeldmerkmalen zu spezifischen Eigenschaften eines Ultraschallwandlers. Im Zusammenspiel von Simulation und Experiment konnten die Funktionstüchtigkeit aller Meßverfahren nachgewiesen und vielversprechende innovative Ansätze für zukünftige Entwicklungen angeregt werden: 1. Das nichtscannende Verfahren zur Krümmungsmessung erlaubt bei guter Justage eine Krümmungsbestimmung von Reflektoren mit Radien zwischen 6 und 11 mm mit einer Unsicherheit von ungefähr 0,5 mm. In Kombination mit herkömmlichen scannenden Verfahren bietet es Ansätze zur präzisen Größenbestimmung von Fehlern in der zerstörungsfreien Prüfung. 2. Das Verfahren zur nichtinvasiven Schallgeschwindigkeitsmessung erlaubt eine Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten mit einer statistischen Meßunsicherheit von 0,1 %. Mögliche Weiterentwicklungen zur Messung der Schallgeschwindigkeit mit örtlicher Auflösung und zur Gewinnung neuer Diagnosemöglichkeiten in Metallurgie (nichtinvasive Charakterisierung von Mischungsvorgängen) und Biomedizintechnik (nichtinvasive Temperaturmessung in Körpergewebe zur Überwachung der Hyperthermiebehandlung, Gewebecharakterisierung) werden erläutert. Aus verschiedenen bekannten sowie einem neuartigen, leicht anwendbaren Meßverfahren werden neue Schlüsse gezogen a) zur Bestimmung der akustisch effektiven Elementgröße von Wandlerelementen mittels Schallfeldmessungen, b) zur Qualitätssicherung im Hinblick auf Schallkopfasymmetrien und c) zur Verbesserung von Schallfeldsimulationen. / The current thesis explores how the precise knowledge of the sending and receiving sound fields of an ultrasonic transducer can contribute to the development of novel measuring techniques. Emphasis is placed on: - a novel, non-scanning method for the determination of the curvature radius of a spherical reflector, based on the analysis of the wave front curvature of the reflected sound field, - a novel non-invasive method for sound velocity measurements in fluids using the echo signals from scattering particles, and - novel conclusions on how to use well-known sound field measurement methods for transducer characterisation, as well as an introduction to a novel easy-to-use method for transducer characterisation exploiting the echo signals from scattering particles. Proof of concept is shown for all methods by simulation and measurement, and different promising improvements for further techniques are suggested: - The non-scanning method for curvature measurements makes it possible to determine reflector radii between 6 and 11 mm with an uncertainty of about 0.5 mm, provided that there is a good reflector alignment. In combination with conventional methods, a novel approach for the determination of the size of discontinuities in non-destructive testing is outlined. - The method for non-invasive sound velocity measurements allows the determination of sound velocity in homogeneous fluids with a statistical uncertainty of 0.1 %. Future improvements are suggested to allow sound velocity measurements with local resolution, which enables novel approaches for metallurgy (non-invasive characterisation of mixing processes) and biomedical engineering (non-invasive temperature control for hyperthermia treatment, tissue characterisation). - New conclusions are drawn based on well-established and a novel easy-to-implement measurement method regarding a) the determination of the acoustically effective element size of transducer elements, b) transducer asymmetries, thereby improving quality control, and c) the improvement of sound field simulations.

Die vorliegende Arbeit untersucht, wie die genaue Kenntnis der Sende- und Empfangsschallfelder eines Ultraschallwandlers zur Entwicklung neuer Meßverfahren genutzt werden kann. Insbesondere werden dargestellt: - ein neuartiges, nichtscannendes Verfahren zur Bestimmung der Krümmung eines Reflektors, basierend auf der Analyse der Wellenfrontkrümmung reflektierter Schallfelder - ein neuartiges, nichtinvasives Verfahren zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit durch Auswertung der Echosignale von im Ausbreitungsmedium vorhandenen Streupartikeln und - ein Verfahren zur Wandlercharakterisierung durch Messungen in Fluiden mit Streupartikeln, sowie verschiedene Zuordnungen von Schallfeldmerkmalen zu spezifischen Eigenschaften eines Ultraschallwandlers. Im Zusammenspiel von Simulation und Experiment konnten die Funktionstüchtigkeit aller Meßverfahren nachgewiesen und vielversprechende innovative Ansätze für zukünftige Entwicklungen angeregt werden: 1. Das nichtscannende Verfahren zur Krümmungsmessung erlaubt bei guter Justage eine Krümmungsbestimmung von Reflektoren mit Radien zwischen 6 und 11 mm mit einer Unsicherheit von ungefähr 0,5 mm. In Kombination mit herkömmlichen scannenden Verfahren bietet es Ansätze zur präzisen Größenbestimmung von Fehlern in der zerstörungsfreien Prüfung. 2. Das Verfahren zur nichtinvasiven Schallgeschwindigkeitsmessung erlaubt eine Bestimmung von Schallgeschwindigkeiten mit einer statistischen Meßunsicherheit von 0,1 %. Mögliche Weiterentwicklungen zur Messung der Schallgeschwindigkeit mit örtlicher Auflösung und zur Gewinnung neuer Diagnosemöglichkeiten in Metallurgie (nichtinvasive Charakterisierung von Mischungsvorgängen) und Biomedizintechnik (nichtinvasive Temperaturmessung in Körpergewebe zur Überwachung der Hyperthermiebehandlung, Gewebecharakterisierung) werden erläutert. Aus verschiedenen bekannten sowie einem neuartigen, leicht anwendbaren Meßverfahren werden neue Schlüsse gezogen a) zur Bestimmung der akustisch effektiven Elementgröße von Wandlerelementen mittels Schallfeldmessungen, b) zur Qualitätssicherung im Hinblick auf Schallkopfasymmetrien und c) zur Verbesserung von Schallfeldsimulationen. / The current thesis explores how the precise knowledge of the sending and receiving sound fields of an ultrasonic transducer can contribute to the development of novel measuring techniques. Emphasis is placed on: - a novel, non-scanning method for the determination of the curvature radius of a spherical reflector, based on the analysis of the wave front curvature of the reflected sound field, - a novel non-invasive method for sound velocity measurements in fluids using the echo signals from scattering particles, and - novel conclusions on how to use well-known sound field measurement methods for transducer characterisation, as well as an introduction to a novel easy-to-use method for transducer characterisation exploiting the echo signals from scattering particles. Proof of concept is shown for all methods by simulation and measurement, and different promising improvements for further techniques are suggested: - The non-scanning method for curvature measurements makes it possible to determine reflector radii between 6 and 11 mm with an uncertainty of about 0.5 mm, provided that there is a good reflector alignment. In combination with conventional methods, a novel approach for the determination of the size of discontinuities in non-destructive testing is outlined. - The method for non-invasive sound velocity measurements allows the determination of sound velocity in homogeneous fluids with a statistical uncertainty of 0.1 %. Future improvements are suggested to allow sound velocity measurements with local resolution, which enables novel approaches for metallurgy (non-invasive characterisation of mixing processes) and biomedical engineering (non-invasive temperature control for hyperthermia treatment, tissue characterisation). - New conclusions are drawn based on well-established and a novel easy-to-implement measurement method regarding a) the determination of the acoustically effective element size of transducer elements, b) transducer asymmetries, thereby improving quality control, and c) the improvement of sound field simulations.

Einleitung: Wohlbefinden und Tierschutzaspekte spielen in der modernen Zootierhaltung eine entscheidende Rolle und werden von vielen Seiten diskutiert und kritisiert. Die Überwachung des Wohlbefindens ist eine Herausforderung, da nicht alle in menschlicher Obhut gehaltene Tiere leicht untersucht werden können. Probenentnahmen zur Gesundheitsüberwachung stellen zusätzlichen Stress dar. Dass Stress maßgeblich das Wohlbefinden tangiert, ist umfassend bereits beschrieben. Möglichkeiten des Einsatzes nicht invasiver Methoden bieten zoologischen Einrichtungen den Handlungsspielraum, eine Überwachung ihrer Tiere, ohne sie fangen zu müssen, möglich zu machen. Das bedeutet weniger Stress für die Tiere, weniger Gefährdungspotential für das Pflegepersonal und den Tierarzt. Im Rahmen der nicht invasiven Überwachung können bereits erste Hinweise zu weiterführenden Untersuchungen veranlassen und helfen den zoologischen Einrichtungen bei der Überwachung und Verbesserung des Wohlbefindens. Ziel der Untersuchung: Ziel war es, nicht invasive Methoden zur Beurteilung des Wohlbefindens in menschlicher Obhut gehaltener Wildtiere retrospektiv zu betrachten. Hierzu wurden Tierarten, als Wildformen und domestizierte Formen, aus fünf Säugetierordnungen, die in Zoos gehalten werden, untersucht. Evaluierte und erprobte Verfahren wurden zusammengetragen und vergleichend aufgezeigt. Dabei wurden stets der Body Condition Score, Cortisolmetabolite und Verhaltensstudien betrachtet. Wesentlich war es Parallelen und Möglichkeiten zwischen den Tierartengruppen darzustellen und die Praktikabilität der Kombination der Methoden zu betrachten. Weiterhin war es Ziel, Grenzen und Lücken aufzuzeigen und weiterführende Untersuchungen anzuregen. Material und Methoden: In einer Literaturrecherche wurden ca. 1200 Literaturstellen auf die Nutzbarkeit für nicht invasive Überwachung von Wohlbefinden und Tierschutzaspekten sondiert. Im Rahmen der Fokussierung und Eingrenzung wurden fünf Säugetierordnungen mit ausgewählten Familien betrachtet, dafür wurde ein Suchkatalog angelegt. Dieser wurde in den Datenbanken Pub Med, Web of Sciene und dem Leibniz Institut für Zoo und Wildtierforschung recherchiert. Ergebnisse: Rüsseltiere (Proboscidea), Herrentiere (Primates), Raubtiere (Carnivora), Unpaarhufer (Perissodytyla) und Paarhufer (Artiodactyla) mit weit über 60 Vertretern wurden betrachtet. Um eine Vereinheitlichung zur Bewertung des Wohlbefindens bei genannten Wildtieren aufzustellen habe ich das BBC-Schema (Body Condition Score, Behavior und Cortisolmetabolite) entworfen. Somit können bei den Proboscidea alle Bereiche der BBC angewendet werden. Hingegen bei den Primates scheinen besonders Cortisolmetabolite und Verhaltensanalysen zielführend zu sein. Bei den Carnivora bieten BBC-Betrachtungen gute Ansätze, jedoch bedarf es weiterer Body Condition Score Erweiterungen für kleinere Vertreter. Bei den Perissodytyla sind BBC in allen Bereichen anwendbar, jedoch sind bisher für die Tapiridae keine Ethogramme zur Verhaltensevaluierung beschrieben. Für Artiodactyla ist das BBC-Schema eine gute Möglichkeit zur Beurteilung von Wohlbefinden und Stress. Der Unterbereich der Bovidae bedarf bei vielen Vertretern weiterer Evaluierungen von Cortisolmetaboliten und Verhaltensaufnahmen. Mit dem BBC-Schema konnte für jede Gruppe eine geeignete Kombination zur nicht invasiven Beurteilung von Wohlbefinden und Tierschutzaspekten aufgezeigt werden. Darüber hinaus war es möglich tierartübergreifende Parallelen, Unterschiede, Lücken, als auch Vor- und Nachteile herauszuarbeiten. Schlussfolgerung: Die Untersuchungen zeigen, dass eine einzelne Methode nicht immer eine absolute Aussagekraft hat. Desto wichtiger ist eine tierartspezifische, nach Fragestellung und Untersuchungsmöglichkeiten angepasste Auswahl zu nutzen. Anhand meiner betrachteten Methoden lassen sich die ,,5 Domains“ (Ernährung, Umwelt, Gesundheit, Verhalten, und geistige Gesundheit) mit den nachfolgend genannten Methoden als Bestandteil des BBC Schemas überwachen und beurteilen. Body Condition Scores bieten die Möglichkeit zur langfristigen Überwachung des Ernährungszustandes. Verringerungen oder Steigerungen des BCS, können Ausdruck von Faktoren, die das Wohlbefinden beeinflussen, sein. Ausgewählte Verhaltensweisen (Behavior) sind pathognomonisch für mangelndes Wohlbefinden und lassen sich mit Verhaltensaufnahmen beurteilen und quantifizieren. Analysen helfen, Verbesserungen nach Anpassungen der Haltungsbedingungen und/oder Elimination eines Stressors aufzuzeigen. Ebenfalls kann abnormales Verhalten Hinweise auf Erkrankungen geben. Das Stresshormon Cortisol, welches bei Stress vermehrt ausgeschieden wird, kann kurzfristig in Speichel und Harn, mittelfristig im Kot und langfristig in den Haaren nachgewiesen werden. Es kann Rückschlüsse auf die Stressoren, Erkrankungen oder mangelndes Wohlbefinden im Allgemeinen geben.:Inhaltsverzeichnis: 1. Einleitung 1 2. Literaturübersicht 2 2.1 Tierschutzaspekte, Wohlbefinden und die ,,Five Domains“ 2 2.2 Nicht-invasive Methoden zur Beurteilung von Wohlbefinden und Stress 5 a) Body Condition Score: 5 b) Cortisolmetabolitebestimmung aus Kot, Harn, Speichel und Haaren: 5 c) Verhaltensanalysen: 8 3. Material 11 4. Methoden 11 5. Ergebnisse 14 5.1 Elefanten (Elphantidae) 14 5.2 Herrentiere (Primates) 19 5.2.1 Menschenaffen (Hominidae) 19 5.2.2 Krallenaffen & Totenkopfaffen (Cebidae) 24 5.2.3 Paviane & Rhesusaffen (Cercopithecidae) 27 5.3 Raubtiere (Carnivora) 32 5.3.1 Felidae: Großkatzen (Pantherinae) und Kleinkatzen (Felinae) 32 5.3.2 Hyänen (Hyaenidae) 39 5.3.3 Hunde (Canidae) 40 5.3.4 Bären (Ursidae) 45 5.4 Unpaarhufer (Perissodytyla) 51 5.4.1 Pferde (Equidae) 51 5.4.2 Tapire (Tapiridae) 55 5.4.3 Nashörner (Rhinocerotidae) 59 5.5 Paarhufer (Artiodactyla) 63 5.5.1 Schweine (Suidae) und Pekaris (Tayassuidae) 63 5.5.2 Hirsche (Cervidae) 70 5.5.3 Hornträger (Bovidae) 75 5.5.4 Giraffen und Okapis (Giraffidae). 81 6. Diskussion 84 7. Zusammenfassung 91 8. Summary 93 9. Literatur 95 10. Danksagung 123

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