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Eine Einführung für Naturwissenschaftler und Ingenieure
Grundlagen, Toolboxen, Beispiele

Abstract

Point-of-care (POC) devices are essential for rapid testing of samples for early diagnosis of diseases. The accuracy and the sensitivity of the POC device depend mainly on the biosensors. The currently used POC devices require specialized operating personnel, long sample preparation time and high equipment costs. We aim to explain a bio-sensing concept using a photonic crystal (PC) resonator that would mitigate the drawbacks of the present sensing techniques. Photonic crystals consist of spatially arranged dielectric materials presenting a band gap that prevents electromagnetic waves of certain frequency range to propagate through it. PC resonators have shown to have very high sensitivities for bio-sensing applications at THz frequencies. A PC resonator with a high Q-factor is designed and simulated to detect the changes in the surrounding dielectric permittivity. As an application for detecting specific biomolecules, a protocol for surface functionalization has been explained. This will enable the selective binding of biomolecules from the sample. Shift in resonant frequency and attenuation in magnitude at the peak resonant frequency can be observed from the simulation results. These changes in the resonator properties can be indicative of the presence of a particular biomolecule or pathogen and its concentration within the sample.

Zusammenfassung

Die Zahl der Satelliten, die in den Weltraum starten, wächst von Jahr zu Jahr. Damit erhöht sich entsprechend die Anzahl der defekten Satelliten, auch weil es nur wenige bewährte Ersatzteile gibt. Eine konkrete Erprobung der Ersatzteile könnte auf der Erde mit Hilfe einer Weltraumsimulationskammer durchgeführt werden. In einer solchen Kammer können Werkstoffprüfer ein Ultrahochvakuum erzeugen und Temperaturen zwischen −180 °C bis +200 °C einstellen. Der Einfluss des Vakuums und der Temperaturen auf die Geometrie der Komponenten kann von außen mit Hilfe eines optischen 3D-Messsystems, welches die zu prüfenden Bauteile im Inneren der Kammer durch ein Schauglas vermisst, aufzeichnen. In einer Machbarkeitsstudie wurde ermittelt, wie stark der Einfluss einer zusätzlichen Glasscheibe auf die Messgenauigkeit und den Messfehler eines 3D-Scanners ist. Zum Einsatz kam ein Streifenlichtscanner der Firma Zeiss, der ein 40 mm Endmaß durch eine 20 mm dicke Borosilikatscheibe misst. Für eine Referenzskala der Messgenauigkeit des Scanners wurden zunächst Messungen ohne die Glasscheibe durchgeführt. Anschließend wurden Messungen mit unterschiedlichen Winkelpositionen und Abständen zwischen Glasscheibe und Scanner vollzogen. Die Ergebnisse zeigten den erwarteten Einfluss der Glasscheibe bezüglich der Genauigkeit des Messverfahrens, da mit sich vergrößernden Einfallswinkel die systematische Abweichungskomponente kongruent größer wurde. Eine Minderung der Präzision durch die Glasscheibe wurde für das Messverfahren nicht beobachtet. In der Auswertungssoftware vergrößerte sich durch den Einsatz der Glasscheibe der statistische Fehler. Ursache dafür ist die Verschiebung der 3D-Punktewolke durch die Glasscheibe in eine Schräglage.

Abstract

In prostate surgery the transurethral resection (TURP) represents the gold standard which is based on monopolar (M-TURP) and bipolar techniques (TURis). The investigation of the thermal behavior is one of the most important research topics in this type of surgery procedures. Here monopolar systems have been well investigated. The research on electrical and thermal behavior of bipolar systems was initiated about two decades ago. Previous studies focused on thermal behavior according to Joule heating, but did not gain information about the temperature distribution close to the active electrode of the resectoscope. Therefore, the numerical simulations on the temperature distribution near the active electrode of the resectoscope with a finite volume method are presented in this study, which takes blood perfusion into account. The results have shown that the influence of the blood perfusion process can be ignored for regions which are more than 0.4 mm away from the active electrode. This is based on two different blood perfusion models.

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