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To prevent the reduction of muscle mass and loss of strength coming along with the human aging process, regular training with e.g. a leg press is suitable. However, the risk of training-induced injuries requires the continuous monitoring and controlling of the forces applied to the musculoskeletal system as well as the velocity along the motion trajectory and the range of motion. In this paper, an adaptive norm-optimal iterative learning control algorithm to minimize the knee joint loadings during the leg extension training with an industrial robot is proposed. The response of the algorithm is tested in simulation for patients with varus, normal and valgus alignment of the knee and compared to the results of a higher-order iterative learning control algorithm, a robust iterative learning control and a recently proposed conventional norm-optimal iterative learning control algorithm. Although significant improvements in performance are made compared to the conventional norm-optimal iterative learning control algorithm with a small learning factor, for the developed approach as well as the robust iterative learning control algorithm small steady state errors occur.
Die qualitative und quantitative Detektion von Zielsubstanzen innerhalb einer wässrigen Probe ist für viele Fragestellungen von Interesse, etwa bei der Detektion von Kontaminationen in Trinkwasser in Krisensituationen. Hierbei ist es nicht nur wichtig, dass Pathogene möglichst sensitiv detektiert werden können, sondern auch, dass die Analyse schnell erfolgt, um Betroffenen im Katastrophenfall zügig sicheres Trinkwasser zu Verfügung stellen zu können. Da bei einem solchen Szenario nicht von einer in der Nähe befindlichen funktionierenden Laborinfrastruktur ausgegangen werden kann, ist es wichtig, dass die Messung direkt vor Ort erfolgen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine derartige Schnellanalytik mithilfe von superparamagnetischen Beads (MBs) und der magnetischen Frequenzmischtechnik möglich ist. Dabei werden die MBs mit Hilfe von primären Antikörpern an die Zielsubstanz gebunden und mit sekundären Antikörpern an die Poren-Oberfläche eines Polyethylen-Filters fixiert (Sandwich-Immunoassay). So kann die Quantifizierung der Zielsubstanz auf eine magnetische Messung der immobilisierten MB-Marker zurückgeführt werden. Die magnetische Frequenzmischtechnik basiert auf der Anregung der Probe mit Magnetfeldern zweier verschiedener Frequenzen. Die durch die nichtlineare Magnetisierungsform der superparamagnetischen MBs entstehenden Mischfrequenzen werden typischerweise mithilfe einer zweistufigen Lock-in-Detektion analysiert (analoge Demodulation), die in einem Magnetreader als Handheldgerät realisiert wurde. Zusätzlich zu dieser Technik wurde das Prinzip der direkten Digitalisierung des gesamten Antwortsignals mit anschließender Fourier-Analyse der erzeugten Mischfrequenzen experimentell umgesetzt, um die Amplituden und Phasen mehrerer Mischfrequenzen simultan zu erfassen. Eine Möglichkeit zur Sensitivitätssteigerung ist die magnetische Aufkonzentration, indem vor der magnetischen Analyse eine Separation der MBs aus einem größeren Probenvolumen mittels magnetischem Feldgradienten durchgeführt wird. Zur Charakterisierung verschiedener kommerzieller MBs hinsichtlich ihrer magnetischen Separierbarkeit wurde ein Aufbau zur Messung ihrer magnetophoretischen Beweglichkeiten realisiert und ihre Geschwindigkeiten im Gradientenfeld mikroskopisch gemessen.Da eine Probe oftmals nicht nur auf eine einzige Zielsubstanz, sondern simultan auf mehrere verschiedene Pathogene hin untersucht werden soll, wurden verschiedene Ansätze entwickelt und getestet, die einen solchen multiparametrischen magnetischen Immunoassay ermöglichen. Einerseits wurde eine räumliche Separation der Bindungsbereiche für verschiedene Zielsubstanzen realisiert, die sequentiell ausgewertet werden können. Andererseits wurde die Unterscheidung von verschiedenen Zielsubstanzen anhand der Charakteristika der an sie gebundenen, verschieden funktionalisierten MB-Typen untersucht. Für eine solche Unterscheidung wurde zum einen die Anregefrequenz der magnetischen Frequenzmischtechnik während einer Messung variiert. Damit konnte gezeigt werden, dass sich verschiedene MB-Sorten anhand der Phase ihrer Frequenzmischsignale voneinander unterscheiden lassen. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich der Signalverlauf einer binären Mischung zweier verschiedener MB-Typen als gradueller Übergang der Verläufe der beiden reinen MB-Lösungen ergibt. Eine weitere Analysemethode für einen multiparametrischen Immunoassay besteht darin, ein zusätzliches einstellbares statisches magnetisches Offsetfeld zu verwenden. Hierfür wurden mehrere Aufbauten auf Basis von Permanent- und Elektromagneten simuliert, konstruiert und charakterisiert. Mithilfe von Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine auf diesem Verfahren beruhende Unterscheidung für MBs mit unterschiedlichen magnetischen Partikelmomenten möglich ist. Als direkte Anwendung des hier entwickelten Magnetreaders in Zusammenspiel mit der digitalen Demodulation wurde ein magnetischer Assay gegen die B-Untereinheit des Choleratoxins in Trinkwasser mit einem niedrigen Detektionslimit von 0,2 ng/ml demonstriert.
The established Hoeffding-Blum-Kiefer-Rosenblatt independence test statistic is investigated for partly not identically distributed data. Surprisingly, it turns out that the statistic has the well-known distribution-free limiting null distribution of the classical criterion under standard regularity conditions. An application is testing goodness-of-fit for the regression function in a non parametric random effects meta-regression model, where the consistency is obtained as well. Simulations investigate size and power of the approach for small and moderate sample sizes. A real data example based on clinical trials illustrates how the test can be used in applications.
We discuss the testing problem of homogeneity of the marginal distributions of a continuous bivariate distribution based on a paired sample with possibly missing components (missing completely at random). Applying the well-known two-sample Crámer–von-Mises distance to the remaining data, we determine the limiting null distribution of our test statistic in this situation. It is seen that a new resampling approach is appropriate for the approximation of the unknown null distribution. We prove that the resulting test asymptotically reaches the significance level and is consistent. Properties of the test under local alternatives are pointed out as well. Simulations investigate the quality of the approximation and the power of the new approach in the finite sample case. As an illustration we apply the test to real data sets.
The Rothman–Woodroofe symmetry test statistic is revisited on the basis of independent but not necessarily identically distributed random variables. The distribution-freeness if the underlying distributions are all symmetric and continuous is obtained. The results are applied for testing symmetry in a meta-analysis random effects model. The consistency of the procedure is discussed in this situation as well. A comparison with an alternative proposal from the literature is conducted via simulations. Real data are analyzed to demonstrate how the new approach works in practice.
Exercise training effectively mitigates aging-induced health and fitness impairments. Traditional training recommendations for the elderly focus separately on relevant physiological fitness domains, such as balance, flexibility, strength and endurance. Thus, a more holistic and functional training framework is needed. The proposed agility training concept integratively tackles spatial orientation, stop and go, balance and strength. The presented protocol aims at introducing a two-armed, one-year randomized controlled trial, evaluating the effects of this concept on neuromuscular, cardiovascular, cognitive and psychosocial health outcomes in healthy older adults. Eighty-five participants were enrolled in this ongoing trial. Seventy-nine participants completed baseline testing and were block-randomized to the agility training group or the inactive control group. All participants undergo pre- and post-testing with interim assessment after six months. The intervention group currently receives supervised, group-based agility training twice a week over one year, with progressively demanding perceptual, cognitive and physical exercises. Knee extension strength, reactive balance, dual task gait speed and the Agility Challenge for the Elderly (ACE) serve as primary endpoints and neuromuscular, cognitive, cardiovascular, and psychosocial meassures serve as surrogate secondary outcomes. Our protocol promotes a comprehensive exercise training concept for older adults, that might facilitate stakeholders in health and exercise to stimulate relevant health outcomes without relying on excessively time-consuming physical activity recommendations.
Bacterial cellulose (BC) is a promising material for biomedical applications due to its unique properties such as high mechanical strength and biocompatibility. This article describes the microbiological synthesis, modification, and characterization of the obtained BC-nanocomposites originating from symbiotic consortium Medusomyces gisevii. Two BC-modifications have been obtained: BC-Ag and BC-calcium phosphate (BC-Ca3(PO4)2). Structure and physicochemical properties of the BC and its modifications were investigated by scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), atomic force microscopy (AFM), and infrared Fourier spectroscopy as well as by measurements of mechanical and water holding/absorbing capacities. Topographic analysis of the surface revealed multicomponent thick fibrils (150–160 nm in diameter and about 15 µm in length) constituted by 50–60 nm nanofibrils weaved into a left-hand helix. Distinctive features of Ca-phosphate-modified BC samples were (a) the presence of 500–700 nm entanglements and (b) inclusions of Ca3(PO4)2 crystals. The samples impregnated with Ag nanoparticles exhibited numerous roundish inclusions, about 110 nm in diameter. The boundaries between the organic and inorganic phases were very distinct in both cases. The Ag-modified samples also showed a prominent waving pattern in the packing of nanofibrils. The obtained BC gel films possessed water-holding capacity of about 62.35 g/g. However, the dried (to a constant mass) BC-films later exhibited a low water absorption capacity (3.82 g/g). It was found that decellularized BC samples had 2.4 times larger Young’s modulus and 2.2 times greater tensile strength as compared to dehydrated native BC films. We presume that this was caused by molecular compaction of the BC structure.
This chapter shows that nanomaterials obtained by high-temperature carbonization of inexpensive plant raw material such as rice husk, grape seeds, and walnut shells can serve as a basis for the production of highly efficient microbial drugs, biodestructors, biosorbents, and biocatalysts, which are promising for the remediation of the ecosystem contaminated with heavy and radioactive metals, oil and oil products. A strong interest in engineering zymology is dictated by the necessity to address the issues of monitoring enzymatic processes, treatment, and diagnosis of a number of common human diseases, environmental pollution, quality control of pharmaceuticals and food. Nanomaterials obtained by high-temperature carbonization of cheap plant raw material such as-rice husks, grape seeds and walnut shells, can serve as a basis for creating of highly effective microbial preparations-biodestructors, biosorbents and biocatalysts, which are promising for the use of contaminated ecosystems, and for restoration of human intestine microecology.