Clamp-On-Sensoren gewinnen bei der Ultraschall-Durchflussmessung am flexiblen Schlauch aufgrund ihrer positiven Eigenschaften zunehmend an Bedeutung. Dem gegenüber stehen invasive Inline-Sensoren, die hinsichtlich der Genauigkeit überlegen sind. Für die Weiterentwicklung von Clamp-On-Sensoren ist eine höhere Genauigkeit der Laufzeitdifferenzschätzung oder eine Veränderung der Sensor-Geometrie notwendig. Letzteres wird als Ansatz im Experimentalteil gegeben. Im Hauptteil wird aus zwei schmalbandigen analytischen Signalen ein digitales Verfahren zur Schätzung der Laufzeitdifferenz im Sub-Abtastbereich mathematisch hergeleitet. Zentrales Element dabei ist die Hilbert-Transformation, die durch einen Hilbert-Transformator mit zwei nicht verschwindenden Koeffizienten approximiert wird. Simulationen und Experimente untermauern das Verfahren.

In the first part of his work, the causes for the sudden degradation of useable capacity of lithium-ion cells have been studied by means of complementary methods such as computed tomography, Post-Mortem studies and electrochemical analyses. The results obtained point unanimously to heterogeneous aging as a key-factor for the sudden degradation of cell capacity, which in turn is triggered by differences in local compression. At high states of health, the capacity fade rate is moderate but some areas of the graphite electrode degrade faster than others. Still, the localized changes are hardly noticeable on cell level due to averaging effects. Lithium plating occurs first in unevenly compressed areas, creating patterns visible to the human eye. As lithium plating leads to rapid consumption of active lithium, a sudden drop in capacity is observed on cell level. Lithium plating appears to spread out from the initial areas over the whole graphite electrode, quickly consuming the remaining useful lithium and active graphite. It can be hypothesized that a self-amplifying circle of reciprocal acceleration of local lithium loss and material loss causes rapid local degradation. Battery cell designers can improve cycle life by homogeneous pressure distribution in the cell and using negative active materials that are resilient to elevated discharge potentials such as improved carbons or lithium titanate. Also, a sufficiently oversized negative electrode and suitable electrolyte additives can help to avoid lithium plating. When packs are designed, care must be taken not to exert local pressure on parts of cells and to avoid both very high and low states of charge. In the second part of this dissertation the resilience of cylindrical and pouchbag cells to shocks and different vibrations was investigated. Stresses inflicted by vibration and shock tests according to the widely recognized UN38.3 transport test were compared to a long-time test that exposed cells to a 186 days long ordeal of sine sweep vibrations with a profile based on real-world applications. All cells passed visual and electric inspection performed by TU München after the vibration tests. Only cylindrical cells subjected to long-term vibrations in axial direction showed an increase in impedance and a loss of capacity that could be recuperated in part. The detailed analyses presented in this thesis gave more details on the damages inflicted by vibrations and shocks and revealed drastic damages in some cases. In cylindrical cells, only movement in axial direction caused damage. Long term vibrations were found to be especially detrimental. No damage whatsoever could be detected for pouch cells, regardless of the test protocol and the direction of movement. The extreme resilience of pouchbag cells shows that the electrode stack of lithium-ion cells is resistant to vibrations, and that damages are caused by design imperfections that can be improved at low cost. The findings of this work, and the general state of research show that it is most crucial to control the lithiation and thus potential of the graphite electrode. In the last part of this work, a new, direct method for charge estimation based on changing transmission is presented. A correlation between transmission of short ultrasonic pulses and state of charge is found. This new technology allows direct measurement of the state of charge. The method is demonstrated for batteries with different positive active materials, showing its versatility. As the observed changes can be traced to the lithiation of graphite, it can be determined without a reference electrode. Already at this early stage of development, the found correlations allow estimation of state of charge. The present hysteresis in the signal height of the slow wave, which is unneglectable especially during discharging at higher currents, will be subject to further investigation. The observed effects can be explained by effects on different length scales. Biot’s theory explains the second wave’s slowness based on the active material particles size in the range of 0.01 mm and electrolyte-filled pores. Lithiation of graphite changes the porosity of the electrode and thereby the velocity and wavelength of the impulse. When the wavelength approaches the length scale of the layers, 0.1 mm, scattering effects dampen the transmitted signal. Finally, the wavelength of the pulse should be shorter than the transducers diameter to obtain a homogeneous wave front. To conclude, the new method allows the control of each individual cell in a pack independent from the electrical connections of the cells. As the method shows great promise, further studies regarding factors such as long-term behavior, temperature and current rates should be conducted. In this thesis hysteresis was observed and a deeper understanding of the reasons behind it may allow further improvements of measurement precision. / Im ersten Teil dieser Doktorarbeit wurden die Ursachen des plötzlichen Kapazitätseinbruchs von Lithium-Ionen Zellen untersucht. Die mittels sich ergänzender Methoden wie Röntgentomographie, Post-Mortem Untersuchungen und elektrochemischer Analysen gewonnenen Ergebnisse weisen darauf hin, dass heterogene Alterungseffekte eine Schlüsselrolle für den beschleunigten Kapazitätsverlust spielen. Die beobachteten Ungleichmäßigkeiten auf gealterten Elektroden konnten wiederum auf Kompressionsunterschiede zurückgeführt werden. Im frühen Alterungsstadium war zwar nur ein moderater Kapazitätsverlust zu verzeichnen, einige Bereiche der Graphitelektrode altern jedoch schneller als andere. Diese lokalen Alterungseffekte sind auf Zellebene aufgrund von Mittelungseffekten zunächst schwer nachweisbar, sobald jedoch in Bereichen abweichender Kompression Lithiumplating auftritt, entstehen Muster welche nach Öffnen der Zelle gut zu erkennen sind. Inaktives Lithium, dicke Passivschichten sowie erhöhte Mengen an abgelagertem Mangan und anderen Metallen die aus dem positiven Aktivmaterial herausgewaschen wurden, konnten in geschädigten Bereichen der Zellen B und C, welche direkt beim Einsetzen beziehungsweise 150 Zyklen später geöffnet wurden, nachgewiesen werden. Da Lithiumplating zu raschem Verbrauch von aktivem Lithium führt, kann ein plötzlicher Einbruch der Zellkapazität beobachtet werden. Das Lithiumplating scheint sich von den geschädigten Bereichen über die gesamte Elektrode auszubreiten, wobei rasch das verbleibende aktive Lithium und teilweise auch das negative Aktivmaterial verbraucht wird. Daher wird die Hypothese aufgestellt, dass durch lokales Lithiumplating ein sich selbst verstärkender Kreislauf in Gang gesetzt wird, wobei sich lokaler Lithium- und Aktivmaterialverlust gegenseitig beschleunigen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Widerstandsfähigkeit von zylindrischen und Pouchbagzellen gegenüber Schocks und Vibrationen untersucht. Belastungen durch Vibrationen und Schocks gemäß des weitläufig anerkannten Transporttests UN38.3 wurden mit 186 Tage dauernden Langzeittests verglichen. Alle Zellen bestanden die visuellen und elektrischen Überprüfungen die an der TU München nach Durchführung der Vibrationstests durchgeführt wurden. Nur die zylindrischen Zellen zeigten einen Anstieg des Innenwiderstands sowie einen weitgehend reversiblen Kapazitätsverlust. Die in dieser Arbeit vorgestellte tiefergehenden Analysen gaben ein detaillierteres Bild der beobachteten Effekte auf und zeigten teilweise schwere versteckte Schäden auf, wobei ausschließlich in axialer Richtung belastete Rundzellen Schäden aufwiesen. Langzeitvibrationen führten zu besonders schweren Schadensbildern. An den untersuchten Pouchzellen konnte keinerlei Schädigung durch die Vibration festgestellt werden. Die Widerstandsfähigkeit der Pouchzellen zeigt, dass der Elektrodenstapel, der die Grundlage jeder Lithium-Ionen Zelle bildet, äußerst vibrationsstabil ist und auftretende Schäden auf ungenügendes Zelldesign zurückzuführen sind. Die hier vorgestellten Ergebnisse und der Stand der Wissenschaft zeigen die Bedeutung des Lithiierungsgrad der Graphitelektrode für die Alterung auf. Im letzten Teil der Arbeit wurde daher eine neue Methode zur Ladezustandsbestimmung mittels Ultraschall vorgestellt. Die beobachteten Amplituden- und Laufzeitänderungen erlauben die direkte Bestimmung des Ladezustands von Lithium-Ionen Zellen und die Anwendbarkeit konnte an Zellen mit verschiedenen positiven Aktivmaterialien gezeigt werden. Die beobachteten Effekte können auf Vorgänge auf verschiedenen Längenskalen zurückgeführt werden. Biots Theorie bietet eine Erklärung der geringen Geschwindigkeit der zweiten Welle aufgrund der Ausbreitungsmodi der Schallwellen im porösen, elektrolytgefüllten Aktivmaterial. Die im Vergleich zur Wellenlänge kleine Längenskala der Aktivpartikel und der elektrolytgefüllten Poren von 0,01 mm führt hierbei dazu, dass sich das Material als Effektivmedium verhält. Durch die Lithiierung der Graphitpartikel ändern sich Eigenschaften und Porosität der Elektrode. Insbesondere die Porositätsänderung kann laut Biots Theorie die Geschwindigkeit und somit die Wellenlänge der zweiten Welle wesentlich verändern. Wenn die Wellenlänge auf die Größenordnung der Schichtdicken der Zelle, 0,1 mm, reduziert wird, treten Streuungseffekte auf, die die transmittierte Welle abschwächen. Schlussendlich muss der Durchmesser der eingesetzten Schallwandler größer als die Wellenlänge der Pulse sein um ein homogenes Schallfeld zu erzeugen. Da der Einsatz von Ultraschallpulsen vielversprechend erscheint, sollten in weiteren Studien Faktoren wie Langzeitverhalten, Temperatur- und Rateneinflüsse untersucht werden. In dieser Arbeit wurde weiterhin Hysterese beobachtet deren tieferes Verständnis nicht nur die Ladezustandsbestimmung, sondern auch das Verständnis der dynamischen Prozesse in Lithium-Ionen Zellen verbessern könnte.

This work introduced the reader to all relevant fields to tap into an ultrasound-based state of charge estimation and provides a blueprint for the procedure to achieve and test the fundamentals of such an approach. It spanned from an in-depth electrochemical characterization of the studied battery cells over establishing the measurement technique, digital processing of ultrasonic transmission signals, and characterization of the SoC dependent property changes of those signals to a proof of concept of an ultrasound-based state of charge estimation. The State of the art & theoretical background chapter focused on the battery section on the mechanical property changes of lithium-ion batteries during operation. The components and the processes involved to manufacture a battery cell were described to establish the fundamentals for later interrogation. A comprehensive summary of methods for state estimation was given and an emphasis was laid on mechanical methods, including a critical review of the most recent research on ultrasound-based state estimation. Afterward, the fundamentals of ultrasonic non-destructive evaluation were introduced, starting with the sound propagation modes in isotropic boundary-free media, followed by the introduction of boundaries and non-isotropic structure to finally approach the class of fluid-saturated porous media, which batteries can be counted to. As the processing of the ultrasonic signals transmitted through lithium-ion battery cells with the aim of feature extraction was one of the main goals of this work, the fundamentals of digital signal processing and methods for the time of flight estimation were reviewed and compared in a separate section. All available information on the interrogated battery cell and the instrumentation was collected in the Experimental methods & instrumentation chapter, including a detailed step-by-step manual of the process developed in this work to create and attach a sensor stack for ultrasonic interrogation based on low-cost off-the-shelf piezo elements. The Results & discussion chapter opened with an in-depth electrochemical and post-mortem interrogation to reverse engineer the battery cell design and its internal structure. The combination of inductively coupled plasma-optical emission spectrometry and incremental capacity analysis applied to three-electrode lab cells, constructed from the studied battery cell’s materials, allowed to identify the SoC ranges in which phase transitions and staging occur and thereby directly links changes in the ultrasonic signal properties with the state of the active materials, which makes this work stand out among other studies on ultrasound-based state estimation. Additional dilatometer experiments were able to prove that the measured effect in ultrasonic time of flight cannot originate from the thickness increase of the battery cells alone, as this thickness increase is smaller and in opposite direction to the change in time of flight. Therefore, changes in elastic modulus and density have to be responsible for the observed effect. The construction of the sensor stack from off-the-shelf piezo elements, its electromagnetic shielding, and attachment to both sides of the battery cells was treated in a subsequent section. Experiments verified the necessity of shielding and its negligible influence on the ultrasonic signals. A hypothesis describing the metal layer in the pouch foil to be the transport medium of an electrical coupling/distortion between sending and receiving sensor was formulated and tested. Impedance spectroscopy was shown to be a useful tool to characterize the resonant behavior of piezo elements and ensure the mechanical coupling of such to the surface of the battery cells. The excitation of the piezo elements by a raised cosine (RCn) waveform with varied center frequency in the range of 50 kHz to 250 kHz was studied in the frequency domain and the influence of the resonant behavior, as identified prior by impedance spectroscopy, on waveform and frequency content was evaluated to be uncritical. Therefore, the forced oscillation produced by this excitation was assumed to be mechanically coupled as ultrasonic waves into the battery cells. The ultrasonic waves transmitted through the battery cell were recorded by piezo elements on the opposing side. A first inspection of the raw, unprocessed signals identified the transmission of two main wave packages and allowed the identification of two major trends: the time of flight of ultrasonic wave packages decreases with the center frequency of the RCn waveform, and with state of charge. These trends were to be assessed further in the subsequent sections. Therefore, methods for the extraction of features (properties) from the ultrasonic signals were established, compared, and tested in a dedicated section. Several simple and advanced thresholding methods were compared with envelope-based and cross-correlation methods to estimate the time of flight (ToF). It was demonstrated that the envelope-based method yields the most robust estimate for the first and second wave package. This finding is in accordance with the literature stating that an envelope-based method is best suited for dispersive, absorptive media [204], to which lithium-ion batteries are counted. Respective trends were already suggested by the heatmap plots of the raw signals vs. RCn frequency and SoC. To enable such a robust estimate, an FIR filter had to be designed to preprocess the transmitted signals and thereby attenuate frequency components that verifiably lead to a distorted shape of the envelope. With a robust ToF estimation method selected, the characterization of the signal properties ToF and transmitted energy content (EC) was performed in-depth. A study of cycle-to-cycle variations unveiled that the signal properties are affected by a long rest period and the associated relaxation of the multi-particle system “battery cell” to equilibrium. In detail, during cycling, the signal properties don’t reach the same value at a given SoC in two subsequent cycles if the first of the two cycles follows a long rest period. In accordance with the literature, a break-in period, making up for more than ten cycles post-formation, was observed. During this break-in period, the mechanical properties of the system are said to change until a steady state is reached [25]. Experiments at different C-rate showed that ultrasonic signal properties can sense the non-equilibrium state of a battery cell, characterized by an increasing area between charge and discharge curve of the respective signal property vs. SoC plot. This non-equilibrium state relaxes in the rest period following the discharge after the cut-off voltage is reached. The relaxation in the rest period following the charge is much smaller and shows little C-rate dependency as the state is prepared by constant voltage charging at the end of charge voltage. For a purely statistical SoC estimation approach, as employed in this work, where only instantaneous measurements are taken into account and the historic course of the measurement is not utilized as a source of information, the presence of hysteresis and relaxation leads to a reduced estimation accuracy. Future research should address this issue or even utilize the relaxation to improve the estimation accuracy, by incorporating historic information, e.g., by using the derivative of a signal property as an additional feature. The signal properties were then tested for their correlation with SoC as a function of RCn frequency. This allowed identifying trends in the behavior of the signal properties as a function of RCn frequency and C-rate in a condensed fashion and thereby enabled to predict the frequency range, about 50 kHz to 125 kHz, in which the course of the signal properties is best suited for SoC estimation. The final section provided a proof of concept of the ultrasound-based SoC estimation, by applying a support vector regression (SVR) to before thoroughly studied ultrasonic signal properties, as well as current and battery cell voltage. The included case study was split into different parts that assessed the ability of an SVR to estimate the SoC in a variety of scenarios. Seven battery cells, prepared with sensor stacks attached to both faces, were used to generate 14 datasets. First, a comparison of self-tests, where a portion of a dataset is used for training and another for testing, and cross-tests, which use the dataset of one cell for training and the dataset of another for testing, was performed. A root mean square error (RMSE) of 3.9% to 4.8% SoC and 3.6% to 10.0% SoC was achieved, respectively. In general, it was observed that the SVR is prone to overestimation at low SoCs and underestimation at high SoCs, which was attributed to the pronounced hysteresis and relaxation of the ultrasonic signal properties in this SoC ranges. The fact that higher accuracy is achieved, if the exact cell is known to the model, indicates that a variation between cells exists. This variation between cells can originate from differences in mechanical properties as a result of production variations or from differences in manual sensor placement, mechanical coupling, or resonant behavior of the ultrasonic sensors. To mitigate the effect of the cell-to-cell variations, a test was performed, where the datasets of six out of the seven cells were combined as training data, and the dataset of the seventh cell was used for testing. This reduced the spread of the RMSE from (3.6 - 10.0)% SoC to (5.9 – 8.5)% SoC, respectively, once again stating that a databased approach for state estimation becomes more reliable with a large data basis. Utilizing self-tests on seven datasets, the effect of additional features on the state estimation result was tested. The involvement of an additional feature did not necessarily improve the estimation accuracy, but it was shown that a combination of ultrasonic and electrical features is superior to the training with these features alone. To test the ability of the model to estimate the SoC in unknown cycling conditions, a test was performed where the C-rate of the test dataset was not included in the training data. The result suggests that for practical applications it might be sufficient to perform training with the boundary of the use cases in a controlled laboratory environment to handle the estimation in a broad spectrum of use cases. In comparison with literature, this study stands out by utilizing and modifying off-the-shelf piezo elements to equip state-of-the-art lithium-ion battery cells with ultrasonic sensors, employing a range of center frequencies for the waveform, transmitted through the battery cell, instead of a fixed frequency and by allowing the SVR to choose the frequency that yields the best result. The characterization of the ultrasonic signal properties as a function of RCn frequency and SoC and the assignment of characteristic changes in the signal properties to electrochemical processes, such as phase transitions and staging, makes this work unique. By studying a range of use cases, it was demonstrated that an improved SoC estimation accuracy can be achieved with the aid of ultrasonic measurements – thanks to the correlation of the mechanical properties of the battery cells with the SoC. / Diese Arbeit bot dem Leser eine Einführung in alle Bereiche an, die relevant sind um eine ultraschallbasierte Ladungszustandsbestimmung (Ladezustand – engl.: state of charge, SoC) umzusetzen, und zeigt einen Weg auf, wie ein solcher Ansatz in seinen Grundlagen geprüft und umgesetzt werden kann. Hierzu wurde ein Bogen gespannt von einer eingehenden elektrochemischen Charakterisierung der untersuchten Batteriezellen über die Etablierung der Messtechnik, die digitale Verarbeitung von Ultraschalltransmissionssignalen und die Charakterisierung der Ladezustands-abhängigen Eigenschaftsänderungen dieser Signale bis hin zu einem Proof-of-Concept für eine ultraschallbasierte Ladezustandsbestimmung. Das Kapitel „State of the art & theoretical background“ konzentrierte sich in einem Abschnitt über Batterien auf die Veränderungen der physikalischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien während des Betriebs und der Alterung. Um die Grundlage für die spätere Untersuchung zu schaffen, wurden die Komponenten und die Prozesse zur Herstellung einer Batteriezelle beschrieben. Anschließend wurde ein umfassender Überblick über die Methoden zur Zustandsschätzung gegeben, wobei der Schwerpunkt auf den mechanischen Methoden lag, einschließlich einer kritischen Zusammenstellung der neuesten Forschungsergebnisse zur ultraschallbasierten Zustandsbestimmung. Danach wurden die Grundlagen der zerstörungsfreien Bewertung mit Ultraschall vorgestellt, beginnend mit den Schallausbreitungsmoden in isotropen, unbegrenzten Medien, gefolgt von der Einführung von Grenzen und nicht-isotropen Strukturen, um sich schließlich der Klasse der flüssigkeitsgesättigten porösen Medien zu nähern, zu denen Batterien gezählt werden können. Da die Verarbeitung der durch die Lithium-Ionen-Batteriezellen übertragenen Ultraschallsignale mit dem Ziel der Merkmalsextraktion eines der Hauptziele dieser Arbeit war, wurden die Grundlagen der digitalen Signalverarbeitung und Methoden zur Laufzeitschätzung in einem eigenen Abschnitt behandelt und verglichen. Alle verfügbaren Informationen über die abgefragte Batteriezelle und die verwendeten Messgeräte wurden im Kapitel „Experimental methods & instrumentation“ zusammengestellt, einschließlich einer detaillierten Schritt-für-Schritt-Anleitung des in dieser Arbeit entwickelten Verfahrens zur Erstellung und Anbringung einer Sensoranordnung für die Ultraschallprüfung auf der Grundlage kostengünstiger, handelsüblicher Piezoelemente. Das Kapitel „Results & discussion“ begann mit einer eingehenden elektrochemischen und Post-Mortem-Untersuchung, um das Design der Batteriezelle und ihre interne Struktur zu untersuchen. Durch die Kombination von induktiv gekoppelter Plasma-optischer Emissionsspektrometrie und inkrementeller Kapazitätsanalyse an Drei-Elektroden-Laborzellen, die aus den Materialien der untersuchten Batteriezelle konstruiert wurden, konnten die SoC-Bereiche identifiziert werden, in denen Phasenübergänge auftreten, wodurch Änderungen der Ultraschallsignaleigenschaften direkt mit dem Zustand der Aktivmaterialien verknüpft werden, was diese Arbeit unter anderen Studien zur ultraschallbasierten Zustandsschätzung hervorhebt. Durch zusätzliche Dilatometer-experimente konnte nachgewiesen werden, dass der gemessene Effekt in der Ultraschalllaufzeit nicht allein von der Volumenänderung der Batteriezellen herrühren kann, da diese Volumenänderung kleiner ist und in die Gegenrichtung zur Änderung der Laufzeit verläuft. Entsprechend müssen Änderungen in E-Modul und Dichte der Aktivmaterialien für den beobachteten Effekt verantwortlich sein. Der Aufbau der Sensoranordnung aus handelsüblichen Piezoelementen, seine elektromagnetische Abschirmung und die Befestigung an beiden Seiten der Batteriezellen wurden in einem späteren Abschnitt behandelt. Experimente bestätigten die Notwendigkeit dieser Abschirmung und ihren vernachlässigbaren Einfluss auf die Ultraschallsignale. Es wurde eine Hypothese formuliert, die die Metallschicht in der Pouch-Folie als Transportmedium einer elektrischen Kopplung/Übersprechens zwischen Sende- und Empfangssensor beschreibt. Die Impedanzspektroskopie erwies sich als nützliches Werkzeug zur Charakterisierung des Resonanzverhaltens der Piezoelemente und zur Sicherstellung der mechanischen Kopplung dieser Elemente mit der Oberfläche der Batteriezellen. Die Anregung der Piezoelemente durch eine Raised-Cosine-Wellenform (RCn) mit variierter Mittenfrequenz im Bereich von 50 kHz bis 250 kHz wurde mittels Fourier-Transformation im Frequenzraum untersucht. Der Einfluss des Resonanzverhaltens, welches zuvor durch die Impedanzspektroskopie ermittelt wurde, auf die Wellenform und den Frequenzinhalt wurde als unkritisch bewertet. Daher wurde angenommen, dass die durch die RCn Anregung erzeugte erzwungene Schwingung mechanisch als Ultraschallwellen in die Batteriezellen eingekoppelt wird. Die durch die Batteriezelle transmittierten Ultraschallwellen wurden von Piezoelementen auf der gegenüberliegenden Seite aufgezeichnet. Eine erste Prüfung der rohen, unverarbeiteten Signale ergab die Übertragung von zwei Hauptwellenpaketen und ermöglichte die Identifizierung von zwei Haupttrends: Die Laufzeit der Ultraschallwellenpakete nimmt mit der Mittenfrequenz, der RCn-Wellenform und mit dem Ladezustand ab. Diese Trends sollten in den folgenden Abschnitten weiter bewertet werden. Daher wurden in einem eigenen Abschnitt Methoden zur Extraktion von Merkmalen (Eigenschaften) aus den Ultraschallsignalen implementiert, verglichen und getestet. Mehrere einfache und fortgeschrittene Schwellenwertverfahren wurden mit hüllkurvenbasierten und Kreuzkorrelationsverfahren zur Schätzung der Laufzeit (engl.: „time of flight“, ToF) verglichen. Es wurde gezeigt, dass die hüllkurvenbasierte Methode die stabilste Schätzung für das erste und zweite Wellenpaket liefert. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Literatur, die beschreibt, dass eine hüllkurvenbasierte Methode am besten für dispersive, absorbierende Medien [234], wie z. B. Lithium-Ionen-Batterien, geeignet ist, was bereits durch die Heatmap-Diagramme der Rohsignale aufgetragen gegen RCn-Frequenz und SoC suggeriert wurde. Um eine solche robuste Laufzeit-Schätzung zu ermöglichen, musste ein FIR-Filter implementiert werden, der die übertragenen Signale vorverarbeitet und dabei Frequenzkomponenten abschwächt, die nachweislich zu einer verzerrten Form der Hüllkurve führen. Nach der Auswahl einer robusten Methode zur ToF-Schätzung die Signaleigenschaften ToF und übertragener Energiegehalt (engl.: energy content, EC) eingehend charakterisiert. Eine Untersuchung der Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen ergab, dass die Signaleigenschaften durch eine lange Ruhephase und die damit verbundene Relaxation des Vielteilchensystems "Batteriezelle" bis zur Erreichung des Gleichgewichtzustands beeinflusst werden. Die Signaleigenschaften erreichten während des Zyklus nicht den gleichen Wert bei einem bestimmten SoC in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen, wenn der erste der beiden Zyklen auf eine lange Ruhephase folgte. In Übereinstimmung mit der Literatur wurde eine Einlaufphase (engl.: „break-in period“) beobachtet, die mehr als zehn Zyklen nach der Formierung umfasst. Während dieser Einlaufphase ändern sich die mechanischen Eigenschaften des Systems, bis ein stabiler Zustand erreicht ist [25]. Experimente bei unterschiedlichen C-Raten zeigten, dass die Ultraschallsignaleigenschaften sensitiv für den Nicht-Gleichgewichtszustand einer Batteriezelle sind, der durch eine zunehmende Fläche zwischen der Lade- und Entladekurve der jeweiligen Signaleigenschaft in der Auftragung über SoC gekennzeichnet ist. Dieser Nicht-Gleichgewichtszustand entspannt sich in der Ruhephase nach der Entladung, nachdem die Abschaltspannung erreicht ist. Die Relaxation in der Ruhephase nach dem Laden ist wesentlich geringer und zeigt kaum eine Abhängigkeit von der C-Rate, da der Zustand durch Laden mit konstanter Spannung nach Erreichen der Ladeschlussspannung präpariert wird. Bei einem rein statistischen SoC-Bestimmungsansatz, wie er in dieser Arbeit verwendet wird, bei dem nur instantane Messwerte berücksichtigt werden und die historischen Messwerte nicht als Informationsquelle genutzt wird, führt das Vorhandensein von Hysterese und Relaxation zu einer geringeren Schätzgenauigkeit. Zukünftige Forschungsarbeiten sollten sich mit diesem Problem befassen oder sogar die Relaxation zur Verbesserung der Bestimmungsgenauigkeit nutzen, indem historische Informationen einbezogen werden, z. B. durch Verwendung der Ableitung einer Signaleigenschaft als zusätzliches Merkmal. Die Signaleigenschaften wurden dann auf ihre Korrelation mit SoC als Funktion der RCn-Frequenz getestet. Dies ermöglichte es, Trends innerhalb der Daten in verdichteter Form zu identifizieren und dadurch den Frequenzbereich (etwa 50 kHz bis 125 kHz) vorherzusagen, in dem der Verlauf der Signaleigenschaften am besten für die SoC-Bestimmung geeignet ist. Im letzten Abschnitt wurde ein Proof-of-Concept für die ultraschallbasierte SoC-Schätzung erbracht, indem eine Support-Vektor-Regression (SVR) auf die zuvor eingehend untersuchten Ultraschallsignaleigenschaften sowie auf Strom und Zellspannung der Batterie angewendet wurde. Die enthaltene Fallstudie war in verschiedene Teile aufgeteilt, die die Fähigkeit einer SVR zur Bestimmung des SoC in einer Vielzahl von Szenarien bewerteten. Sieben Batteriezellen, die mit jeweils zwei Sensoranordnungen auf gegenüberliebenden Seiten präpariert wurden, dienten zur Erzeugung von 14 Datensätzen. Zunächst wurde ein Vergleich zwischen Selbsttests, bei denen ein Teil eines Datensatzes zum Training und ein anderer zum Testen verwendet wird, und Kreuztests, bei denen der Datensatz einer Zelle zum Training und der einer anderen zum Testen verwendet wird, durchgeführt. Dabei wurde ein mittlerer Fehler von 3,9% bis 4,8% SoC bzw. 3,6% bis 10,0% SoC erreicht. Im Allgemeinen wurde festgestellt, dass die SVR bei niedrigen SoCs zu einer Überschätzung und bei hohen SoCs zu einer Unterschätzung neigt, was auf die ausgeprägte Hysterese und Relaxation der Ultraschallsignaleigenschaften in diesen SoC-Bereichen zurückgeführt wurde. Die Tatsache, dass eine höhere Genauigkeit erreicht wird, wenn die genaue Zelle dem Regressionsmodell bekannt ist, deutet darauf hin, dass eine Variation zwischen den Zellen besteht. Diese Variation zwischen den Zellen kann auf Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften infolge von Produktionsschwankungen oder auf Unterschiede in der manuellen Sensorplatzierung, der mechanischen Kopplung oder dem Resonanzverhalten der Ultraschallsensoren zurückzuführen sein. Um die Auswirkungen der Schwankungen zwischen den Zellen auf die Schätzgenauigkeit abzuschwächen, wurde ein Test durchgeführt, bei dem die Datensätze von sechs der sieben Zellen als Trainingsdaten kombiniert wurden und der Datensatz der siebten Zelle für den Test verwendet wurde. Dadurch verringerte sich die Streuung des mittleren Fehlers von (3,6 - 10,0)% SoC auf (5,9 - 8,5)% SoC, was einmal mehr zeigt, dass ein datenbasierter Ansatz zur Zustandsbestimmung durch eine großen Datenbasis zuverlässiger wird. Anhand von Selbsttests mit sieben Datensätzen wurde die Auswirkung zusätzlicher Merkmale auf das Ergebnis der Zustandsbestimmung getestet. Die Einbeziehung eines zusätzlichen Merkmals verbesserte nicht unbedingt die Schätzgenauigkeit, aber es wurde gezeigt, dass eine Kombination von Ultraschall- und elektrischen Merkmalen dem Training mit diesen Merkmalen allein überlegen ist. Um die Fähigkeit des Modells zur Bestimmung des Ladezustands unter unbekannten Zyklusbedingungen zu testen, wurde ein Test durchgeführt, bei dem die C-Rate des Testdatensatzes nicht in den Trainingsdaten enthalten war. Das Ergebnis deutet darauf hin, dass es für praktische Anwendungen ausreichend sein könnte, das Training mit Datensätzen unter den Grenzbedingungen der Anwendungsfälle in einer kontrollierten Laborumgebung durchzuführen, um die Schätzung in einem breiten Spektrum von Anwendungsfällen zu bewältigen. Im Vergleich zur Literatur hebt sich diese Studie dadurch ab, dass handelsübliche Piezoelemente verwendet und modifiziert wurden, um moderne Lithium-Ionen-Batteriezellen mit Ultraschallsensoren auszustatten, wobei eine Reihe von Mittenfrequenzen für die durch die Batteriezelle übertragene Wellenform anstelle einer festen Frequenz verwendet wird und der SVR die Frequenz wählen kann, die das beste Ergebnis liefert. Die Charakterisierung der Ultraschallsignaleigenschaften als Funktion der RCn-Frequenz und des SoC sowie die Zuordnung charakteristischer Veränderungen der Signaleigenschaften zu elektrochemischen Prozessen wie den Phasenübergängen in den Aktivmaterialien machen diese Arbeit einzigartig. Durch die Untersuchung einer Reihe von Anwendungsfällen konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe von Ultraschallmessungen eine verbesserte SoC-Abschätzungsgenauigkeit erreicht werden kann - dank der Korrelation der mechanischen Eigenschaften der Batteriezellen mit dem SoC.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zum ultraschallunterstützten Ziehen von Karton. Beim Ziehen wird ein Kartonzuschnitt mit einem Stempel durch eine Matrize gezogen und so ein einseitig offener Hohlkörper hergestellt, ähnlich wie beim Tiefziehen von Metall. Die Ziehwerkzeuge sind üblicherweise beheizt, um die Umformeigenschaften des Kartons durch Wärmeeintrag zu verbessern. In dieser Arbeit werden die Werkzeuge jedoch als Ultraschallsonotroden ausgeführt, da beim Metalltiefziehen durch Ultraschallwerkzeuge Verbesserungen der Prozessführung und des Tiefziehteils erreicht wurden. Die Erkenntnisse aus dem Metallbereich können jedoch nicht ohne weitere Forschung übernommen werden. Vor der Entwicklung der Ultraschallwerkzeuge werden in dieser Arbeit daher zunächst Lücken im Stand der Wissenschaft und Technik geschlossen bezüglich der Wirkungen von Ultraschallschwingungen auf Karton. Hierzu wird der Druck im Spalt zwischen den Ziehwerkzeugen ermittelt. Anhand der Druckmessung wird ein Beitrag geleistet zur Ermittlung der Erwärmung von Karton in Kontakt mit Ultraschallsonotroden, der Glättung der Oberfläche von Ziehteilen durch Ultraschall und der Beeinflussung der Stabilität von Ziehteilen durch Ultraschall. Mithilfe dieser Forschungsergebnisse werden die Werkzeugsonotroden ausgelegt und ein Versuchsträger entwickelt, mit dem die Erforschung des Prozesses in einem breiten Parameterraum möglich ist. Die Ergebnisse beim Ziehen mit beiden Werkzeugvarianten werden anhand von Kenngrößen der hergestellten Ziehteile verglichen. Dabei handelt es sich um die maximal erreichbare Ziehteilhöhe, die erreichbare Stabilität gegen axiale Stauchbelastung, die erreichbare Oberflächenrauheit und die erreichbare minimale Formabweichung. Für die Bestimmung der Formabweichung wird auf ein bekanntes Verfahren zurückgegriffen und für die übrigen Kenngrößen werden in dieser Arbeit neue Messverfahren entwickelt. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass mit Ultraschallunterstützung qualitativ hochwertige Formteile herstellbar sind, wobei besonders die erreichbare Oberflächenglätte hervorzuheben ist. / The subject of this work is the development of a process for ultrasonic assisted deep-drawing of cardboard. In deep-drawing, a cardboard blank is drawn through a die with a punch, thus producing a hollow body open on one side, similar to the deep-drawing of metal. The drawing dies are usually heated to improve the forming properties of the cardboard by heat input. In this work, however, the dies are ultrasonic sonotrodes because improvements in process control and drawn part have been achieved in metal deep-drawing using ultrasonic tools. Nevertheless, the knowledge gained in the metal field cannot be adopted without further research. Therefore, prior to the development of ultrasonic tools, this work first closes gaps in the state of science and technology regarding the effects of ultrasonic vibrations on cardboard. For this purpose, the pressure in the gap between the drawing dies is determined. Based on the pressure measurement, statements can be made on the heating of cardboard in contact with ultrasonic sonotrodes, the smoothing of the surface of drawn parts by ultrasound and the influence of ultrasound on the stability of drawn parts. Based on these research results, the tool sonotrodes are designed and a teststand is developed, which allows the process to be explored in a wide parameter space. The results of drawing with both toolvariants are compared on the basis of parameters of the produced drawn parts. These are the maximum achievable drawn part height, the achievable stability against axial compression, the achievable surface roughness and the achievable minimum form deviation. For the determination of the form deviation, a known method is used, and for the other parameters, new measurement methods are developed in this work. In summary, it can be stated that ultrasonic vibrations can be used to produce high-quality molded parts, with particular emphasis on the achievable surface smoothness.

Seit drei Jahrzehnten eröffnet die elektrische Stimulation des Nervus vagus (N. X) neue Möglichkeiten in der Therapie chronischer Erkrankungen wie Epilepsie oder rheumatoider Arthritis. Hierfür erfolgt die chirurgische Implantation einer Elektrode am cervicalen Anteil des N. X. Therapeutische Nebenwirkungen treten bei zwei von drei Patienten auf (Giordano et al. 2017), während bei einem Viertel der behandelten Patienten kein therapeutischer Nutzen messbar ist (Englot et al. 2011). Ultraschall wird zur Beurteilung der Morphologie und zur Messung der Nervenquerschnittsflächen des N. X eingesetzt. Bis heute ist jedoch unklar, wie präzise der Ultraschall den N. X im Kontext der Stimulationstherapie beschreiben kann. Ziel dieser Arbeit war es daher, die im Ultraschall ermittelte Nervenquerschnittsfläche des N. X kritisch im Hinblick auf ihre Bedeutung für die klinische Stimulationstherapie zu beurteilen. Die Abformung mit Epineurium des N. X mit zeichnungsscharfen dentalen Abformmaterialien ermittelt Messwerte, die der Nervenquerschnittsfläche im klinischen Kontext am ehesten entsprechen (Reid 1990; Spuck et al. 2010; Giordano et al. 2017; González et al. 2019; Patil et al. 2001). Bei 12 nativen Körperspendern wurde deshalb die Nervenquerschnittsfläche des N. X im Ultraschall und in der Histologie dargestellt und mit Messwerten aus einer manuellen Abformung des Nervs verglichen. Die Kombination dreier Methoden zur Ermittlung der Nervenquerschnittsfläche des N. X stellt einen neuen und bisher nicht praktizierten Untersuchungsansatz dar und ist Alleinstellungsmerkmal dieser Arbeit. Die Nervenquerschnittsfläche des N. X im Ultraschall war kleiner als in der Abformung mit Epineurium und in der Histologie (1,5±0,4 vs. 3,1±0,9 vs. 2,3±0,7 mm2). Die Berücksichtigung des Epineuriums ergab signifikante Unterschiede in der gemessenen Nervenquerschnittsfläche. Die Messung der Nervenquerschnittsfläche des N. X im Ultraschall führte zu einer systematischen Unterschätzung, während die Ultraschallmessung mit Epineurium zu einer systematischen Überschätzung der Querschnittsfläche im Vergleich zur Messung in der Abformung mit Epineurium führte. Der Ultraschall ist somit wahrscheinlich keine geeignete Messmethode zur präoperativen Einschätzung der Nervenquerschnittsfläche des N. X. In der klinischen Praxis könnte durch eine zu kleine Elektrode die Gefäßversorgung des N. X unterbrochen und die folgende Hypoxie mit partialer axonaler Degeneration die häufig auftretenden Nebenwirkungen erklären. Stimmbandlähmungen wurden in diesem Kontext bereits als Folge der resultierenden Hypoxie beschrieben (Robinson und Winston 2015; Révész et al. 2016). Eine zu große Elektrode könnte in einer insuffizienten Überleitung elektrischer Impulse von der Elektrode auf den Nerv resultieren und erklären, weshalb die Stimulationstherapie bei einigen Patienten keine messbare Wirkung entfaltet. Die Magnetresonanztomographie (MRT) bildet möglicherweise eine Alternative in der Darstellung der Nervenquerschnittsfläche des N. X zum Ultraschall. Zukünftige Arbeiten könnten die Nervenquerschnittsfläche des N. X in der MRT mit Messergebnissen aus einer mechanischen Abformung mit Epineurium vergleichen, um Aussagen über die Anwendung der MRT zur präoperativen Einschätzung der Nervenquerschnittsfläche des N. X treffen zu können. Die Nervenquerschnittsfläche des N. X ist abhängig von der Körperseite (rechts signifikant größer als links). Ursächlich sind wahrscheinlich die Innervationsgebiete des N. X, die sich ebenfalls in Abhängigkeit der Körperseite unterscheiden und seitenspezifische Effekte in der Stimulationstherapie hervorrufen (Howland 2014). Der Body-Mass-Index korreliert signifikant mit der Nervenquerschnittsfläche des N. X und beeinflusst den Anteil des Epineuriums und den Anteil der Axone an der gesamten Nervenquerschnittsfläche. Die Nervenquerschnittsfläche des N. X steht in enger Verbindung mit dem Alter der Probanden. Ursächlich könnten die axonale Degeneration oder die an Häufigkeit zunehmenden pathologischen Prozesse mit steigendem Alter sein. Limitiert werden die Ergebnisse dieser Arbeit durch die geringe Fallzahl und die spezifische Altersgruppe (ø 88,4±8,5 Jahre) der Körperspender. Während der Ultraschall die Nervenquerschnittsfläche des N. X in corpore bestimmt, misst die Methode Abformung mit Epineurium die Struktur nach Verletzung der nervalen Integrität. Abschließend handelt es sich bei der histologischen Untersuchung um eine in vitro Messung.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1 1.1 Problemstellung 1 1.2 Klinische Bedeutung der Stimulationstherapie 3 1.2.1 Wirkungsweise der Nervenstimulation für ausgewählte Erkrankungen 3 1.2.2 Implantationsmethodik 5 1.3 Embryologie 6 1.3.1 Entwicklung des N. vagus 6 1.3.2 Entwicklung der Vagina carotica 8 1.4 Morphologie 8 1.4.1 Verlauf des N. X innerhalb der Vagina carotica 8 1.4.2 Relative Position des N. X in der Vagina carotica 10 1.4.3 Durchmesser und NQF des N. X 10 1.4.4 Vaskularisation des N. X 14 1.4.5 Qualitäten und Innervationsgebiete des N. vagus 16 2. Material und Methoden 17 2.1 Untersuchungsmaterial 17 2.2 Das Körperspendewesen des Instituts für Anatomie der Universität Leipzig 19 2.3 Übersicht über den Versuchsaufbau 19 2.3.1 Versuchsprotokoll 21 2.4 Ultraschalluntersuchung 22 2.4.1 Vorbereitungen des Schallgerätes 22 2.4.2 Darstellung des N. X 22 2.4.3 Digitale Dokumentation der NQF 26 2.4.4 Messung der NQF mittels der Software ImageJ 26 2.4.5 Bestimmung der morphologischen Zusammensetzung des N. X 30 2.4.6 Bestimmung der Position des N. X 30 2.4.7 Bestimmung der Nervenform 30 2.5 Makroskopische Präparation des N. X 33 2.6 Die Abformung mit Epineurium des N. X 37 2.6.1 Digitalisierung und Messung der NQF mittels der Software ImageJ 39 2.7 Die histologische Untersuchung des N. X 40 2.7.1 Probenentnahme 40 2.7.2 Fixierung mit Paraformaldehyd 40 2.7.3 Einbettung der Gewebeprobe 40 2.7.4 Herstellung der Gewebeschnitte 43 2.7.5 Färbung der histologischen Schnitte 44 2.7.6 Mikroskopische Untersuchung und digitale Analyse 46 2.8 Literaturrecherche 48 2.9 Statistische Auswertung 49 3. Ergebnisse 52 3.1 Ultraschall, Abformung, Histologie – Gibt es Unterschiede in der ermittelten NQF? 52 3.1.1 Unterschiede zwischen der NQF im Ultraschall und in der Abformung 56 3.1.2 Korrekturfaktor 57 3.1.3 Das Epineurium im Ultraschall – eine Messmethode Abseits der Norm 59 3.1.4 Welchen Einfluss hat die Fixierung des N. X mit Paraformaldehyd? 61 3.2 Morphologische Beobachtungen zum N. vagus 62 3.2.1 Ist die Querschnittsfläche des N. X abhängig von der Körperseite? 63 3.2.2 Ist der N. X eine kreisrunde Struktur? 64 3.2.3 Vaskularisation und Nervenfaszikel 67 3.2.4 Die Position des N. X im Halsbereich 68 3.2.5 Welchen Einfluss hat der BMI auf die Morphologie des N. X? 70 3.2.6 Die Veränderung des N. X im Alter 71 3.3 Wie variabel ist die NQF des N. X? 73 3.4 Die Konsistenz der Bestimmung der NQF – Intraklassen-Koeffizient 73 4. Diskussion 76 4.1 Warum treten signifikante Unterschiede zwischen Ultraschall, Abformung mit Epineurium und Histologie auf? 76 4.1.1 Welche Rolle hat das Epineurium in der Bestimmung der NQF? 77 4.1.2 Ist die Fehleinschätzung der NQF des N. X eine mögliche Ursache für Nebenwirkung bei der Stimulationstherapie? 77 4.1.3 Können Ultraschallmessungen zur NQF des N. X korrigiert werden? 79 4.1.4 Die NQF im Ultraschall in Referenz zur Literatur 79 4.1.5 Alternative bildgebende Verfahren zur Darstellung der NQF des N. X 81 4.2 Die NQF des N. X ist auf der rechten Körperseite größer als links 81 4.3 Einfluss des BMI auf die morphologische Zusammensetzung der NQF des N. X 83 4.4 Der Einfluss des Alters auf die NQF des N. X 84 5. Zusammenfassung 86 6. Literaturverzeichnis 88 7. Abbildungsverzeichnis 95 8. Tabellenverzeichnis 98 9. Anlagen 99 9.1 Ausführliche Informationen zu allen untersuchten Körperspendern 99 10. Eigenständigkeitserklärung 100 11. Lebenslauf 101 12. Publikation 102 13. Danksagung 103

Die Fettlebererkrankung (fatty liver disease; FLD) und koronare Herzkrankheit (KHK) stellen zwei wichtige Manifestationen des metabolischen Syndroms (MS) dar. Eine frühzeitige Erkennung sowie Prävention dieser beiden Entitäten ist eine große Herausforderung in der Gesundheitsversorgung der heutigen Zeit. So empfehlen die aktuellen Leitlinien zur Nichtalkoholischen Fettlebererkrankung (NAFLD) ein Screening dieser Patient:innen auf das Vorliegen einer KHK, sowie Patient:innen mit KHK auf eine FLD zu untersuchen. Nichtsdestotrotz sind derartige Empfehlungen in den KHK-Leitlinien kaum zu finden. Eine Verbindung zwischen FLD und KHK besteht aufgrund gemeinsamer Risikofaktoren (Diabetes mellitus, Übergewicht etc.), jedoch mehren sich die Anzeichen eines kausalen Zusammenhangs, welcher Gegenstand aktueller Forschung ist. So wird unter anderem ein Zusammenhang zwischen entzündlicher Aktivität und Atherosklerose vermutet. Die Arbeitsgruppe der Universitätsklinik Leipzig hat sich in der vorliegenden Studie mit der Frage beschäftig, ob mittels nichtinvasiver Untersuchungsverfahren zur Messung der Fettleber, Leberfibrose und Steatohepatitis bei einer kardiologischen Kohorte eine Aussage zum Risiko einer interventionspflichtigen KHK getroffen werden kann. Insgesamt stellte die FLD mit einer Prävalenz von ca. 40% ein häufiges Krankheitsbild in der untersuchten Kohorte dar. Ein signifikanter Zusammenhang zwischen FLD und KHK ließ sich nicht nachweisen. Auch war der Anteil an Patient:innen mit höhergradiger Fibrose mit ca. 5% vergleichsweise niedrig. Interessanterweise waren die traditionellen Risikofaktoren Diabetes, Übergewicht und arterielle Hypertonie weder mit einer fortgeschrittenen Lebererkrankung noch mit der Notwendigkeit einer kardiovaskulären Intervention signifikant assoziiert, was möglicherweise auf Grund der Fallzahl und des vorselektionierten Patientengutes begründet werden kann. Nur das männliche Geschlecht stand in unserer Kohorte in signifikantem Zusammenhang mit dem KHK-Risiko, was mit den berichteten Daten übereinstimmt und auf die Praxis der Auswahl der Patient:innen zum Zeitpunkt der Rekrutierung zurückzuführen ist, bei der Frauen eine höhere Rate an falsch-positiven Ergometrie- und Myokardperfusionsszintigraphien aufweisen. Auch die gängigen Labor-Tests - in der vorliegenden Studie der NAFLD-Fibrosis-Score (NFS) und FIB4-Index - zeigten keine signifikante Assoziation zum Ergebnis der HKU. In unserer Studie konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen erhöhter Leber-Steifigkeit gemessen mittels Scherwellen-Elastografie (vibration-controlled transient elastography; VCTE) und interventionspflichtiger KHK nachgewiesen werden (wenn auch unterhalb der gängigen Cut-offs einer signifikanten Fibrose). Diese erhöhten Steifigkeitswerte unterhalb der pathologischen Grenze reflektieren nicht zwingend eine Gewebsfibrose, können aber Ausdruck einer Entzündung und damit verbundenen veränderten Vaskularisation sein. Dies spiegelt sich in der Berechnung des FAST-Scores wider. Der FAST-score stellt einen Surrogat-Marker für die Steatohepatitis dar, der das Risiko einer fibrotischen Steatohepatitis mit guter Genauigkeit abbildet und sich aus Werten der VCTE sowie der Aspartat-Aminotransferase (AST) berechnet. In unserer Kohorte war der FAST-Score der stärkste Prädiktor für eine interventionsbedürftige KHK. Selbst nach Berücksichtigung anderer Risikofaktoren in der multivariaten Analyse stellte sich der FAST-Score als unabhängiger Risikofaktor einer KHK heraus. Vergleichbare Beobachtungen wurden unseres Wissenstands nach bisher nicht publiziert. Daher müssen diese Ergebnisse in weiteren multizentrischen Studien bestätigt werden. Die Inflammation könnte also das Bindeglied zwischen Steatohepatitis und KHK sein, was im Einklang mit den möglichen Pathomechanismen, insbesondere dem oxidativen Stress, stehen würde. Es werden somit weitere Studien benötigt, welche sich auf die potenzielle Rolle des FAST-Scores als Stratifizierungsmethode nicht nur im Bereich der Lebererkrankungen, sondern auch bei der Beurteilung kardiovaskulärer Risiko-Patient:innen konzentrieren. Idealerweise könnte dies mit einer Analyse des Lebergewebes, des viszeralen Fettgewebes und der Endothelfunktion einhergehen, um weitere Erkenntnisse über die wechselseitigen pathophysiologischen Mechanismen dieser Erkrankungen zu gewinnen. In der Zusammenschau zeigen unsere Daten, dass die Prävalenz einer fortgeschrittenen FLD bei Patient:innen mit vermuteter KHK gering ist. Nichtinvasive Tests des Fibrose- und Steatosegrades waren nicht mit der Notwendigkeit einer koronaren Intervention verbunden. Erhöhte FAST-Score-Werte unterstreichen die pathophysiologische Bedeutung der Entzündungsaktivität sowohl bei FLD als auch bei KHK.:1 Einführung 1.1 Bibliografische Beschreibung 1.2 Einleitung 1.2.1 Metabolisches Syndrom 1.2.2 Koronare Herzkrankheit 1.2.3 Fettlebererkrankung und Steatohepatitis 1.2.4 Diagnostik von Fettlebererkrankung und Steatohepatitis 1.2.5 Zusammenhang zwischen koronarer Herzkrankheit und Fettlebererkrankung/Steatohepatitis 1.3 Rationale und Ziele der publizierten Studie 2 Publikation 3 Zusammenfassung der Arbeit 4 Literatur 5 Abkürzungen 6 Anlagen 6.1 Lebenslauf 6.2 Wissenschaftliche Veröffentlichungen 6.3 Publikation 6.4 Darstellung des eigenen Beitrags 6.5 Abdruckerlaubnis 6.6 Einreichungserklärung 6.7 Eigenständigkeitserklärung 6.8 Vorbehaltlichkeitserklärung 6.9 Teilnahmebescheinigung: Vorlesung zur “Guten wissenschaftlichen Praxis“ an der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig 6.10 Danksagung

This dissertation describes the improvement of signal analysis in ultrasonic microscopy for nondestructive testing. Specimens with many thin layers, like modern electronic components, pose a particular challenge for identifying and localizing defects. In this thesis, new evaluation algorithms have been developed which enable analysis of highly complex layer-stacks. This is achieved by a specific evaluation of multiple reflections, a newly developed iterative reconstruction and deconvolution algorithm, and the use of classification algorithms with a highly optimized simulation algorithm. Deep delaminations inside a 19-layer component can now not only be detected, but also localized. The new analysis methods also enable precise determination of elastic material parameters, sound velocities, thicknesses, and densities of multiple layers. The highly improved precision of determined reflections parameters with deconvolution also provides better and more conclusive results with common analysis methods. / Die vorgelegte Dissertation befasst sich mit der Verbesserung der Signalauswertung für die Ultraschallmikroskopie in der zerstörungsfreien Prüfung. Insbesondere bei Proben mit vielen dünnen Schichten, wie bei modernen Halbleiterbauelementen, ist das Auffinden und die Bestimmung der Lage von Fehlstellen eine große Herausforderung. In dieser Arbeit wurden neue Auswertealgorithmen entwickelt, die eine Analyse hochkomplexer Schichtabfolgen ermöglichen. Erreicht wird dies durch die gezielte Auswertung von Mehrfachreflexionen, einen neu entwickelten iterativen Rekonstruktions- und Entfaltungsalgorithmus und die Nutzung von Klassifikationsalgorithmen im Zusammenspiel mit einem hoch optimierten neu entwickelten Simulationsalgorithmus. Dadurch ist es erstmals möglich, tief liegende Delaminationen in einem 19-schichtigem Halbleiterbauelement nicht nur zu detektieren, sondern auch zu lokalisieren. Die neuen Analysemethoden ermöglichen des Weiteren eine genaue Bestimmung von elastischen Materialparametern, Schallgeschwindigkeiten, Dicken und Dichten mehrschichtiger Proben. Durch die stark verbesserte Genauigkeit der Reflexionsparameterbestimmung mittels Signalentfaltung lassen sich auch mit klassischen Analysemethoden deutlich bessere und aussagekräftigere Ergebnisse erzielen. Aus den Erkenntnissen dieser Dissertation wurde ein Ultraschall-Analyseprogramm entwickelt, das diese komplexen Funktionen auf einer gut bedienbaren Oberfläche bereitstellt und bereits praktisch genutzt wird.

This dissertation describes the improvement of signal analysis in ultrasonic microscopy for nondestructive testing. Specimens with many thin layers, like modern electronic components, pose a particular challenge for identifying and localizing defects. In this thesis, new evaluation algorithms have been developed which enable analysis of highly complex layer-stacks. This is achieved by a specific evaluation of multiple reflections, a newly developed iterative reconstruction and deconvolution algorithm, and the use of classification algorithms with a highly optimized simulation algorithm. Deep delaminations inside a 19-layer component can now not only be detected, but also localized. The new analysis methods also enable precise determination of elastic material parameters, sound velocities, thicknesses, and densities of multiple layers. The highly improved precision of determined reflections parameters with deconvolution also provides better and more conclusive results with common analysis methods.:Kurzfassung......................................................................................................................II Abstract.............................................................................................................................V List ob abbreviations........................................................................................................X 1 Introduction.......................................................................................................................1 1.1 Motivation.....................................................................................................................2 1.2 System theoretical description.....................................................................................3 1.3 Structure of the thesis..................................................................................................6 2 Sound field.........................................................................................................................8 2.1 Sound field measurement............................................................................................8 2.2 Sound field modeling..................................................................................................11 2.2.1 Reflection and transmission coefficients.........................................................11 2.2.2 Sound field modeling with plane waves..........................................................13 2.2.3 Generalized sound field position.....................................................................19 2.3 Receiving transducer signal.......................................................................................20 2.3.1 Calculation of the transducer signal from the sound field...............................20 2.3.2 Received signal amplitude..............................................................................21 2.3.3 Measurement of reference signals..................................................................24 3 Ultrasonic Simulation......................................................................................................27 3.1 State of the art............................................................................................................27 3.2 Simulation approach..................................................................................................28 3.2.1 Sound field measurement based simulation...................................................28 3.2.2 Reference signal based simulation.................................................................30 3.3 Determination of the impulse response.....................................................................31 3.3.1 1D ray-trace algorithm....................................................................................31 3.3.2 2D ray-trace algorithm....................................................................................33 3.3.3 Complexity reduction – optimizations.............................................................35 4 Deconvolution – Determination of reflection parameters............................................38 4.1 State of the art............................................................................................................39 4.1.1 Decomposition techniques..............................................................................39 4.1.2 Deconvolution.................................................................................................41 4.2 Analytic signal investigations for deconvolution.........................................................42 4.3 Single reference pulse deconvolution........................................................................44 4.4 Multi-pulse deconvolution..........................................................................................47 4.4.1 Homogeneous multi-pulse deconvolution.......................................................48 4.4.2 Multi-pulse deconvolution with simulated GSP profile....................................49 5 Reconstruction.................................................................................................................50 5.1 State of the art............................................................................................................50 5.2 Reconstruction approach...........................................................................................51 5.3 Direct material parameter estimation.........................................................................52 5.3.1 Sound velocities and layer thickness..............................................................52 5.3.2 Density, elastic modules and acoustic attenuation.........................................54 5.4 Iterative material parameter determination of a single layer......................................56 5.5 Reconstruction of complex specimens......................................................................60 5.5.1 Material characterization of multiple layers ....................................................60 5.5.2 Iterative simulation parameter optimization with correlation...........................62 5.5.3 Pattern recognition reconstruction of specimens with known base structure. 66 6 Applications and results.................................................................................................71 6.1 Analysis of stacked components................................................................................71 6.2 Time-of-flight and material analysis...........................................................................74 7 Conclusions and perspectives.......................................................................................78 References.......................................................................................................................82 Figures.............................................................................................................................86 Tables...............................................................................................................................88 Appendix..........................................................................................................................89 Acknowledgments.........................................................................................................100 Danksagung...................................................................................................................101 / Die vorgelegte Dissertation befasst sich mit der Verbesserung der Signalauswertung für die Ultraschallmikroskopie in der zerstörungsfreien Prüfung. Insbesondere bei Proben mit vielen dünnen Schichten, wie bei modernen Halbleiterbauelementen, ist das Auffinden und die Bestimmung der Lage von Fehlstellen eine große Herausforderung. In dieser Arbeit wurden neue Auswertealgorithmen entwickelt, die eine Analyse hochkomplexer Schichtabfolgen ermöglichen. Erreicht wird dies durch die gezielte Auswertung von Mehrfachreflexionen, einen neu entwickelten iterativen Rekonstruktions- und Entfaltungsalgorithmus und die Nutzung von Klassifikationsalgorithmen im Zusammenspiel mit einem hoch optimierten neu entwickelten Simulationsalgorithmus. Dadurch ist es erstmals möglich, tief liegende Delaminationen in einem 19-schichtigem Halbleiterbauelement nicht nur zu detektieren, sondern auch zu lokalisieren. Die neuen Analysemethoden ermöglichen des Weiteren eine genaue Bestimmung von elastischen Materialparametern, Schallgeschwindigkeiten, Dicken und Dichten mehrschichtiger Proben. Durch die stark verbesserte Genauigkeit der Reflexionsparameterbestimmung mittels Signalentfaltung lassen sich auch mit klassischen Analysemethoden deutlich bessere und aussagekräftigere Ergebnisse erzielen. Aus den Erkenntnissen dieser Dissertation wurde ein Ultraschall-Analyseprogramm entwickelt, das diese komplexen Funktionen auf einer gut bedienbaren Oberfläche bereitstellt und bereits praktisch genutzt wird.:Kurzfassung......................................................................................................................II Abstract.............................................................................................................................V List ob abbreviations........................................................................................................X 1 Introduction.......................................................................................................................1 1.1 Motivation.....................................................................................................................2 1.2 System theoretical description.....................................................................................3 1.3 Structure of the thesis..................................................................................................6 2 Sound field.........................................................................................................................8 2.1 Sound field measurement............................................................................................8 2.2 Sound field modeling..................................................................................................11 2.2.1 Reflection and transmission coefficients.........................................................11 2.2.2 Sound field modeling with plane waves..........................................................13 2.2.3 Generalized sound field position.....................................................................19 2.3 Receiving transducer signal.......................................................................................20 2.3.1 Calculation of the transducer signal from the sound field...............................20 2.3.2 Received signal amplitude..............................................................................21 2.3.3 Measurement of reference signals..................................................................24 3 Ultrasonic Simulation......................................................................................................27 3.1 State of the art............................................................................................................27 3.2 Simulation approach..................................................................................................28 3.2.1 Sound field measurement based simulation...................................................28 3.2.2 Reference signal based simulation.................................................................30 3.3 Determination of the impulse response.....................................................................31 3.3.1 1D ray-trace algorithm....................................................................................31 3.3.2 2D ray-trace algorithm....................................................................................33 3.3.3 Complexity reduction – optimizations.............................................................35 4 Deconvolution – Determination of reflection parameters............................................38 4.1 State of the art............................................................................................................39 4.1.1 Decomposition techniques..............................................................................39 4.1.2 Deconvolution.................................................................................................41 4.2 Analytic signal investigations for deconvolution.........................................................42 4.3 Single reference pulse deconvolution........................................................................44 4.4 Multi-pulse deconvolution..........................................................................................47 4.4.1 Homogeneous multi-pulse deconvolution.......................................................48 4.4.2 Multi-pulse deconvolution with simulated GSP profile....................................49 5 Reconstruction.................................................................................................................50 5.1 State of the art............................................................................................................50 5.2 Reconstruction approach...........................................................................................51 5.3 Direct material parameter estimation.........................................................................52 5.3.1 Sound velocities and layer thickness..............................................................52 5.3.2 Density, elastic modules and acoustic attenuation.........................................54 5.4 Iterative material parameter determination of a single layer......................................56 5.5 Reconstruction of complex specimens......................................................................60 5.5.1 Material characterization of multiple layers ....................................................60 5.5.2 Iterative simulation parameter optimization with correlation...........................62 5.5.3 Pattern recognition reconstruction of specimens with known base structure. 66 6 Applications and results.................................................................................................71 6.1 Analysis of stacked components................................................................................71 6.2 Time-of-flight and material analysis...........................................................................74 7 Conclusions and perspectives.......................................................................................78 References.......................................................................................................................82 Figures.............................................................................................................................86 Tables...............................................................................................................................88 Appendix..........................................................................................................................89 Acknowledgments.........................................................................................................100 Danksagung...................................................................................................................101

Die Effektivität und Verträglichkeit von Triclabendazol wurde in einer klinischen Phase 2 Studie untersucht. 81 Patienten (51 weiblich, 30 männlich, Alter 15-81 Jahre) mit chronischer oder latenter Fasciola hepatica Infektion, bei denen mindestens eine antihelminthische Therapie fehlgeschlagen war wurde in die Studie aufgenommen. Die Patienten erhielten 20mg/Kg Triclabendazol in 2 Dosierungen a 10 mg/Kg im Abstand von 12 h postprandial. Der Therapieerfolg wurde durch mikroskopische Stuhluntersuchungen, Bestimmung exkretorisch-sekretorischer Antigene im Stuhl und Ultraschall überprüft. Bei Siebzig (92%) von 76 Patienten konnten in der Nachuntersuchungsperiode (60 Tage) keine Fasciola hepatica-Eier in den mikroskopischen Stuhluntersuchungen nachgewiesen werden. Die häufigsten unerwünschten Wirkungen waren kolikartige Oberbauchbeschwerden, die bei 40 Patienten (49%) zeitgleich mit der Passage der Parasiten durch die Gallengänge beobachtet wurden. Triclabendazol ist eine effektive Therapie für Patienten mit Fasziolose bei denen andere antihelmithische Therapien nicht wirksam sind. / The efficacy and tolerability of triclabendazole (TCZ) was assessed in a clinical phase 2 study. Eighty-one patients (51 female, 30 male, age 15- 81 years) with chronic or latent F. hepatica infection refractory to previous anti-helminthic chemotherapy were enrolled in a 60 day open, non-comparative trial. Patients received 20 mg/kg TCZ as two doses of 10 mg/kg administered after food 12 hr apart. Efficacy of treatment was assessed by stool microscopy, determination of fasciola excretory-secretory antigen in feces, and by ultrasonography. Seventy (92%) of the 76 patients who completed the 60 day follow up period became egg negative. The most important adverse event was colic-like abdominal pain (40 patients [49%]) consistent with the expulsion of the parasite through the bile ducts as confirmed by US on Days 2 - 7. Triclabendazole is an effective therapy for the treatment of F. hepatica infection in patients who have failed to respond to other antihelminthic agents.

In dieser Arbeit werden die intratrachealen Doppler-Fluáparameter w?hrend der FAB bei 47 gesunden menschliche Feten im zweiten und dritten Trimenon analysiert. Die Dauer der Inspiration, die Dauer der Exspiration sowie die Atemfrequenz unterlagen zwischen den einzelnen Gruppen nur geringen Ver?nderungen. Wir konnten zwischen der 24. und der 35. SSW einen signifikanten Anstieg des medianen intratrachealen Fluávolumens w?hrend der regelm?áigen FAB mit zunehmendem Gestationsalter nachweisen. Das fetale Atemzugvolumen fiel dagegen nach der 36. SSW ab. Die Differenz zwischen dem inspiratorischen Fluávolumen und dem exspiratorischen zeigte einen interessanten Verlauf mit einer positiven Bilanz in den ersten vier Gruppen (20.-35. SSW) und eine negative Bilanz in der letzten Gruppe (36.-40. SSW). Dies k?nnte bedeuten, daá nach der 36. SSW w?hrend der ausgew?hlten Atemepisoden tendenziell mehr Fl?ssigkeit aus- als eingeatmet wurde. Unsere Untersuchungen zeigen, daá in den letzten Wochen vor der Geburt eine wichtige Umstellung der fetalen Ventilation stattfindet, die einen Abfall der Lungenfl?ssigkeit bewirkt. Ferner konnten wir zeigen, daá die Trachea beim Schafsfeten sonographisch darstellbar ist. Es konnte ferner gezeigt werden, daá die mittels hochaufl?sender Sonographie durchgef?hrten Trachealmessungen mit den pathologischen Messungen ?bereinstimmten. / Assessment of tracheal fluid flow was obtained in 47 healthy human fetuses (GA 20-40 weeks) in which FBM were seen by B-Mode scan. Color Doppler was applied to visualise the tracheal fluid flow, followed by spectral Doppler to record the velocity waveforms. The breathing rate, the inspiration and expiration time and the volume obtained by integration of the tracheal fluid flow displaced during fetal breathing were calculated. The fetal breathing rate was not different between the groups. Both the time of inspiration and expiration showed a significant increase at 24 weeks followed by a constant course until Term. The volume of tracheal fluid flow moved during inspiration (Vi) and expiration (Ve) increased until 35 weeks followed by a flattening until term suggesting either a reduction of lung liquid production or a diminished lung liquid volume. The median difference between Vi and Ve was positive in the first four age groups and negative in the last one, suggesting that mature fetuses have the tendency to expire more than to inspire. We furthermore showed that in the ovine fetus at mid-gestation shows that optimal views of the fetal trachea allowing accurate measurements can be obtained in almost all the cases.