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Eine historisch basierte Analyse
Authors: Heimes Heiner Hans , Kampker Achim , Offermanns Christian , Sasse Konstantin , Vetter Björn , Thomes Paul
Published: September 2023

Um den vollständigen geschichtlichen Verlauf der Elektromobilität und seine Ursachen zu erläutern, wurde die folgende historisch basierte Analyse in fünf Teilaspekte gegliedert. Im ersten Schritt wird die Ausgangssituation der Analyse in Abschn. 1.1 dargestellt. Sie ist durch die Fragestellung nach der Ursache des Aufstiegs und der langjährigen Dominanz des Verbrennungsmotors gekennzeichnet, der ursprünglich in Konkurrenz zum elektrischen Antrieb stand. Dieser Vorrang mündete in einem Paradigma zugunsten des Verbrennungsmotors. Die Erklärung jener Paradigmenbildung erfolgt in Abschn. 1.2 – mit Blick auf die zeitgeschichtlichen Umstände. Die Technologie elektrischer Antriebe hatte trotz des Verbrennungsmotoren-Paradigmas kontinuierlich in Spezialanwendungen Bestand, wodurch das Know-how rund um diese Technologie erhalten geblieben ist. Die Gründe dafür und der Einfluss dieses Aspekts sind in Abschn. 1.3 beschrieben. Der in den 1990er-Jahren aufkommende Aufschwung der elektrischen Antriebstechnologie in mobilen Anwendungen und deren Etablierung als Zieltechnologie für künftige Mobilität ist Inhalt des Abschn. 1.4. Die bei dieser Entwicklung relevanten Aspekte und Erscheinungsformen werden schrittweise erläutert. Die Tragweite und die Umstände, welche die Elektromobilität zum aktuellen Zeitpunkt und in der prognostizierbaren Zukunft kennzeichnen, sind Gegenstand von Abschn. 1.5. Es stellt den Abschluss der Analyse dar und verdeutlicht, weshalb Elektromobilität als Schlüssel zu einer nachhaltigen Mobilität gelten darf.
Leistungselektronik
Authors: De Doncker Rik W. , Fritz Niklas , Pham Duc
Published: September 2023

Leistungselektronische Wandler sind die Bindeglieder zwischen den elektrischen Energiequellen, Verbrauchern und Speichern in Elektrofahrzeugen. Unter anderem steuern sie sämtliche Leistungsflüsse, wandeln Gleich- und Wechselspannungen ineinander um, passen Spannungsniveaus an oder treiben Elektromotoren an. Verlustarme und kostengünstige leistungselektronische Wandler spielen daher eine Schlüsselrolle für die Elektromobilität. In diesem Kapitel werden zunächst die Grundzüge der Leistungselektronik im Allgemeinen vorgestellt, gefolgt von den einzelnen leistungselektronischen Komponenten – zum Beispiel des Ladegeräts – in Elektrofahrzeugen.
Produktionsprozesse der Fahrzeugstruktur
Authors: Heimes Heiner Hans , Kampker Achim , Dorn Benjamin , Kehrer Mario , Dünnwald Simon , Badura Dennis , Terren Maximilian , Röth Thilo
Published: September 2023

Heutzutage ist die Flexibilität und Anpassung von Produktionssystemen in Abhängigkeit von der Stückzahl ein zunehmend wichtiger Bestandteil im Herstellungsprozess. Insbesondere der Trend zu neuen Antriebstechnologien und der Wandel weg vom klassischen Verbrennungsmotor zielen auf zunächst kleinserielle oder prototypische Produktionsmengen. Dabei sind niedrige Herstellungskosten seitens der industriellen Produzenten wünschenswert. Herstellungsverfahren gleicher Komponenten können aus wirtschaftlicher Sicht je nach Losgröße stark variieren. Ein Verfahren für Großserien eignet sich keinesfalls für eine Prototypenproduktion. Zudem führen die heutigen Entwicklungen zu produktspezifischen Anforderungen, die mit den Standard-Produktionsverfahren nicht effizient realisierbar sind. In Verbindung mit „Industrie 4.0“-Ansätzen wird eine flexiblere Produktionsplanung mit den entsprechend optimalen Herstellungsverfahren erwartet. Dabei treten als Fertigungsverfahren im Automobilbereich die Kunststoff- und die Metall-Teileproduktionen in den Vordergrund. Die Wahl des richtigen Herstellungsverfahrens erfordert eine effiziente Bewertung der Produktionsmenge. Das Hauptaugenmerk liegt dabei zunächst bei der Produktionsplanung auf der Außenhautkomponente und ihrer Stückzahl, woraufhin die weiterführenden Kostenbilanzierungen für ein bestimmtes Szenario folgen. Daraus ergibt sich eine angepasste Produktionsplanung, die es erlaubt, eine Aussage über ein geeignetes Herstellungsverfahren zu treffen. Im Fokus der Kunststoff-Teileproduktionen stehen in Abhängigkeit von der Stückzahl das Handlaminieren, das Thermoformen, das Spritzgießen und das SMC-Pressen. Die metallischen Verarbeitungswerkstoffe erfordern ebenfalls eine Analyse des Herstellungsszenarios für die Komponentenproduktion, weil hier eine vielfältige Auswahl von Verarbeitungstechniken zur Verfügung steht. Von besonderer Relevanz sind die Baugruppen Vierkant-Hohlprofil, Stirnwand, Space-Frame-Knoten und Federbeinaufnahmen. Neben dem eigentlichen Herstellungsverfahren liegt im Fügen von Außenhaut und Karosserie eine weitere Herausforderung. Die wesentlichen Anforderungen – so wie die Verbindung von Elementen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften – bedürfen verschiedener Lösungen. Automobilhersteller streben dabei unter anderem Gewichtsreduktionen bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit an, was zu weiteren Eingrenzungen führt. Das Fügen von Außenhaut und Karosserie benötigt somit Verfahren, die über die etablierten Methoden wie Laserschweißen und Widerstandsschweißen hinausgehen. Auf ebendiese – beispielsweise Kleben, Löten und mechanische Verfahren – wird im vorliegenden Kapitel ebenfalls näher eingegangen. Ein Fokus liegt dabei auf der Produktion von Elektromobilfahrzeugen und deren Fügemethoden.
Produktentwicklungsprozess
Authors: Heimes Heiner Hans , Kampker Achim , Schmitt Fabian , Demming Michael
Published: September 2023

Im Produktentwicklungsprozess wird das methodische Vorgehen der Produktenwicklung definiert. Sie wird in der Regel in einem Projektumfang durchgeführt. Dabei bildet der Produktentwicklungsprozess die Grundlage für das Projektmanagement. Im Bereich der Fahrzeugentwicklung können diese Projekte eine neue Baureihe, eine neue Fahrzeuggeneration oder eine Modellpflege sein.
Mobilitätsverhalten und Fahrzeugnutzung
Authors: Kuhnimhof Tobias
Published: September 2023

In Europa und vielen anderen Regionen wird die Elektromobilität nicht in einer Frühphase der Mobilitätsentwicklung eingeführt, so dass sich die Entwicklung der Verkehrsnachfrage von vorneherein an den Gegebenheiten der E-Mobilität ausrichten könnte. Stattdessen löst sie etablierte Strukturen in existierenden Verkehrssystemen ab. Sie wird gewissermaßen in ein bereits existierendes Ökosystem des Verkehrs eingeführt. Es ist nicht zu erwarten, dass sich die Grundstrukturen des Mobilitätssystems in Gesellschaften mit hochentwickelter Mobilitätsnachfrage sehr schnell an die Rahmenbedingungen der Elektromobilität anpassen. So gehört etwa die Möglichkeit der Fernfahrten mit dem Pkw zu einer etablierten Gewohnheit. Wenn Elektrofahrzeuge solche Bedürfnisse infolge von Reichweitenbeschränkungen nicht erfüllen, ist eine Verlagerung auf andere Verkehrsmittel nur bedingt zu erwarten. Stattdessen muss diese Lücke über Ladeinfrastruktur geschlossen werden. In Ländern, denen das Wachstum der Verkehrsnachfrage zu großen Teilen noch bevorsteht und in denen etwa Fernfahrten mit dem Pkw noch nicht etabliert sind, könnte diese Entwicklung in den nächsten Jahren anders verlaufen.
Ladeinfrastruktur im Status quo
Authors: Hecht Christopher , Figgener Jan , Sauer Dirk Uwe
Published: September 2023

Die Planung neuer Ladeinfrastruktur und die zu erwartende Nutzung basieren derzeit primär auf Simulationsmodellen wie Agenten-Modellen, Verkehrsmodellen und Ähnlichem sowie auf Umfragedaten. Mit fortschreitendem Hochlauf der Elektromobilität stehen als zusätzliche Säule auch reale Nutzungsdaten in immer größerer Zahl zur Verfügung. Diese Daten lassen sich verwenden, um genutzte Modelle zu validieren und Effekte zu entdecken, die in den bisherigen Methoden nicht sichtbar sind. In diesem Kapitel wird der aktuelle Stand der Ladeinfrastrukturnutzung in Deutschland nach Infrastrukturart aufgezeigt. Bei privater Ladeinfrastruktur zeigt sich dabei eine erhöhte Nutzung vor allem am späten Nachmittag und Abend, wobei eine Leistungsverschiebung in die Nacht hinein ohne signifikante Komforteinbußen möglich ist. Öffentliche AC-Ladeinfrastruktur wird insbesondere nach der Ankunft am Arbeitsplatz genutzt. DC-Schnelllader wiederum finden für kürzere Zeiträume über den Tag hinweg Anwendung. Die Ladeprofile elektrischer Fahrzeugflotten sind dabei stark vom Einsatz der Fahrzeuge im jeweiligen Sektor abhängig. Durch eine planmäßige Nutzung der Fahrzeuge lässt sich die Ladung in der Regel gut planen.
Rechtliche Grundlagen zum Aufbau von Ladeinfrastruktur
Authors: Porschen Marcel , Kuhnimhof Tobias , Vertgewall Chris Martin , Wehbring Niklas , Ulbig Andreas
Published: September 2023

Dieses Kapitel erläutert bedeutsame rechtliche Grundlagen in Bezug auf den Aufbau von Ladeinfrastruktur im öffentlichen und privaten Bereich. Aufbau und Betrieb von Ladeinfrastruktur werden regulatorisch durch zahlreiche Gesetze, Verordnungen und Satzungen bestimmt.
Weitere Implikationen für Verkehrsinfrastruktur
Authors: Kühnel Fabian , Porschen Marcel , Kuhnimhof Tobias
Published: September 2023

Die Umstellung des Straßenverkehrs auf Elektroantriebe erfordert die Errichtung von Lademöglichkeiten, die als neue Infrastruktur bereitstehen. Der Aufbau von Ladeinfrastruktur ist mit weiteren Implikationen für die Verkehrsinfrastruktur verbunden.
Elektromobilität als Schlüsseltechnologie der Mobilitätswende
Authors: Heimes Heiner Hans , Kampker Achim , Offermanns Christian , Vienenkötter Janis , Frank Merlin , Robben Tobias , Klohs Domenic , Cattani Natalia Soldan , Lackner Nikolaus , Christen Nils , Kreisköther Kim , Deutskens Christoph , Kreisköther Kai , Fluchs Sarah
Published: September 2023

Elektromobilität besitzt das Potenzial, den Verkehr vollständig CO2-frei, abgasfrei und ressourceneffizient zu gestalten. Da der Verkehrssektor im Jahr 2019 nach der Energiewirtschaft und der Industrie noch für ein Fünftel der deutschen Treibhausgasemissionen verantwortlich war, ist schnelles Handeln unabdingbar. Die Vorteile der Elektromobilität wurden nach einigem Zögern der Industrie und der Politik in den 2010er-Jahren nun gemeinhin erkannt. Die E-Mobilität ist längst keine Zukunftstechnologie mehr, sondern hat mittlerweile den Weg aus der Grundlagenforschung hinein in die Großserie gefunden. Ausgehend von der aktuellen Marktsituation erörtert das folgende Kapitel die Perspektiven und die aktuellen Bestrebungen der unterschiedlichen Akteure – Verbraucher, Politik, Automobilindustrie und Energiewirtschaft.
Schlussfolgerungen und Ausblick
Authors: Kuhnimhof Tobias , Porschen Marcel
Published: September 2023

Der Aufbau von Infrastruktur für die Elektromobilität findet in einem Mobilitätssystem mit bestehenden Strukturen statt. Da nicht zu erwarten ist, dass die Menschen ihre Mobilitätsmuster den Rahmenbedingungen der Elektromobilität anpassen, muss sich umgekehrt das System Elektromobilität an den bestehenden Bedürfnissen der Menschen orientieren. Implikationen für die Infrastruktur für Elektromobilität ergeben sich damit vorrangig aus der Ladenotwendigkeit der Fahrzeuge und damit aus der notwendigen Ladeinfrastruktur. Das gilt sowohl für die Verkehrsinfrastruktur, etwa in Form von Ladepunkten im öffentlichen Straßenraum, als auch für die Stromnetz- und Kommunikationsinfrastruktur.
Zusammenfassung
Authors: Kasperk Garnet , Fluchs Sarah , Hausmann Julius
Published: September 2023

Der Anteil elektrisch betriebener Fahrzeuge an der Gesamtflotte wächst getrieben durch ökologische Regulierungen, politische Anreizstrukturen und zunehmende Käuferakzeptanz rasant. Etablierte und neue Fahrzeugproduzenten passen ihre Strategien dynamisch an und bringen in diesem Jahrzehnt eine Vielzahl neuer Modelle auf den Markt.
Die ökologischen Aspekte des Elektromobils während des gesamten Lebenszyklus
Authors: Backes Jana Gerta , Mankaa Rose Nangah , Traverso Marzia
Published: September 2023

Zahlreiche Länder haben sich zum Ziel gesetzt, den Anteil von Elektrofahrzeugen zu erhöhen – auch dadurch bedingt, dass eine Verringerung des Verbrauchs fossiler Ressourcen und der Umweltauswirkungen vorhergesagt wird, wenn der Wechsel von Verbrennungsmotoren zu alternativen Antriebstechnologien einschließlich Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle – EV) gelingt. Übergeordnet hat auch die Europäische Union das Ziel ausgerufen, den Anteil der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren bis zum Jahr 2030 zu halbieren und bis 2050 gänzlich zu vermeiden. Der Absatz von Elektrofahrzeugen nimmt folglich zu, wobei China und Norwegen die Haupttreiber sind und fortwährend ein enormer Anstieg der Verkäufe prognostiziert wird. Mit steigenden Absatzzahlen bei wachsendem Interesse sowie zunehmender Relevanz von Nachhaltigkeitsthemen und -zielen steigt auch die Zahl von Ökobilanzen zu Elektrofahrzeugen, und die Frage zur Nachhaltigkeitsleistung von EV im Vergleich zu konventionellen Verbrennern wird immer wieder diskutiert.
Potenziale von Second-Use-Anwendungen für Lithium-Ionen-Batterien
Authors: Heimes Heiner Hans , Kampker Achim , Offermanns Christian , Lackner Nikolaus , Klohs Domenic , Junker Mark , Kreisköther Kim
Published: September 2023

Mit der zunehmenden Marktdurchdringung von Lithium-Ionen-Batterien für verschiedene Anwendungsfelder wächst die Anforderung, den Energie- und Materialeinsatz für diese Schlüsselkomponenten der Elektromobilität so weit wie möglich zu reduzieren. In der Automobilindustrie stellen hohe Kosten für den Energiespeicher heute noch ein wesentliches Hindernis in der weiteren Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen dar, das es zu überwinden gilt. Als Kernkomponente des E-Mobils stellt die Lithium-Ionen-Batterie (kurz: LIB oder Batterie) nicht nur das im Vergleich zu Verbrennungsmotorautos teuerste Einzelbestandteil dar, sie bestimmt außerdem wesentlich die Reichweite sowie die abrufbare Leistung respektive das Ladeverhalten. Nach einer material- und anwendungsabhängigen Zeit beziehungsweise Zyklenzahl erreichen die im Elektrofahrzeug verbauten Batteriezellen einen Zustand, in dem sie den hohen Anforderungen im Auto nicht mehr gerecht werden. Für das Ende der First-Life-Anwendung werden üblicherweise 80 % der Ausgangskapazität der Batterien angenommen. Wie Abb. 39.1 verdeutlicht, wird bei aktuellen LIB mit bis zu 4000 Zyklen (abhängig von der Zellchemie) gerechnet, bevor diese Grenze erreicht wird.
Recycling von Lithium-Ionen-Batterien
Authors: Heimes Heiner Hans , Kampker Achim , Offermanns Christian , Vienenkötter Janis , Maltoni Francesco , Cattani Natalia Soldan , Christen Nils , Kreisköther Kim
Published: September 2023

Die Nutzungsdauer von Batterien wird durch Konzepte zu „Second Life“, Repair, Refurbishment und Remanufacturing verlängert. Diese Ansätze befähigen dazu, die maximale Alterung aus den elektrochemischen Energiespeichern herauszuholen, bevor sie zyklisch oder kalendarisch ihr Lebensende erreichen. Zur Schließung des Batteriekreislaufs folgt die Zuführung der Akkus zum Recycling-Prozess. Die politische Forcierung des Batterie-Recyclings wird im nachstehenden Abschn. 43.1 erörtert. Es folgt ein Überblick zu den unterschiedlichen Batterie-Recycling-Verfahren, bevor der aktuelle Stand der Technik im Detail vorgestellt wird.
Batteriesysteme und deren Steuerung
Authors: Sauer Dirk Uwe , Ringbeck Florian
Published: September 2023

Lithium-Ionen-Batterien sind der Schlüssel für eine weitreichende Hybridisierung und Elektrifizierung von Antrieben in sehr unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Um das von der Bundesregierung gesetzte Ziel der Reduktion der CO2-Emissionen im Mobilitätsbereichs bis 2030 um mehr als 40 % gegenüber 2020 zu erreichen, rechnet die „Nationale Plattform Mobilität“ für Deutschland mit einem Anteil von 80 % elektrisch angetriebener Fahrzeuge am Neuwagenmarkt im Jahr 2030. Ein kleinerer Teil der Neuwagen wird dann Plug-in-Hybride und der Großteil batterieelektrische Fahrzeuge sein. Nach aktuellem Kenntnisstand werden Brennstoffzellenfahrzeuge bis 2030 keinen signifikanten Anteil erreichen. Während bis 2030 voraussichtlich der Großteil der Batterien der Lithium-Ionen-Technologie zuzuordnen sind, so gibt es innerhalb der Technologie inzwischen doch ein hohes Maß an Ausdifferenzierung von Eigenschaften, so dass für jede Anwendung eine darauf zugeschnittene Zelltechnologie bereitsteht. In diesem Kapitel wird die Lithium-Ionen-Batterietechnologie mit ihren unterschiedlichen Ausprägungen und deren Leistungseigenschaften vorgestellt und ein Ausblick auf Weiterentwicklungen gegeben, die in den kommenden Jahren eine Rolle spielen könnten. Für verschiedene Anwendungsbereiche werden Belastungsprofile samt Lebensdaueranforderungen diskutiert und darauf aufbauend Fragestellungen des Batteriesystemdesigns inklusive der Batteriemanagementsysteme betrachtet.
Brennstoffzellensysteme
Authors: Heimes Heiner Hans , Kampker Achim , Kehrer Mario , Schön Christoph , Hagedorn Sebastian , Biegler Sebastian , Reims Philipp
Published: September 2023

Bereits im Jahr 1839 wurde das Prinzip der Brennstoffzelle durch Christian Friedrich Schönbein und Sir William Grove entdeckt. Obwohl diese Form der elektrochemischen Energiewandlung demnach schon länger bekannt ist als beispielsweise der heutige Verbrennungsmotor, konnte die Brennstoffzelle über viele Jahrzehnte hinweg keine wirtschaftliche Relevanz erzielen. Kommerziell kam die Brennstoffzelle erstmals in den 1960er-Jahren im Raumfahrtprogramm der NASA zum Einsatz. In den folgenden Jahrzehnten wurden verschiedene Typen für zahlreiche Anwendungen entwickelt. Diese Typen mit einem Fokus auf mobile Anwendungen werden in Abschn. 8.1 beschrieben. Heute ist die PEM-Brennstoffzelle der für mobile Anwendungen relevanteste Typ, so dass dessen Funktionsprinzip in Abschn. 8.2 erläutert wird. Der Aufbau von vollständigen Brennstoffzellensystemen wird abschließend in Abschn. 8.3 beleuchtet.
Quantum exponentials for the modular double and applications in gravity models
Authors: Mertens Thomas G.
Published: September 2023

Abstract

In this note, we propose a decomposition of the quantum matrix group $$ {\textrm{SL}}_q^{+} $$

SL
q
+

(2, ℝ) as (deformed) exponentiation of the quantum algebra generators of Faddeev’s modular double of Uq($$ \mathfrak{sl} $$
sl
(2, ℝ)). The formula is checked by relating hyperbolic representation matrices with the Whittaker function. We interpret (or derive) it in terms of Hopf duality, and use it to explicitly construct the regular representation of the modular double, leading to the Casimir and its modular dual as the analogue of the Laplacian on the quantum group manifold. This description is important for both 2d Liouville gravity, and 3d pure gravity, since both are governed by this algebraic structure. This result builds towards a q-BF formulation of the amplitudes of both of these gravitational models.
Correction to: On the finite index subgroups of Houghton’s groups
Authors: Cox Charles Garnet
Published: September 2023

This note resolves an issue raised by Prof. Derek Holt for the paper “On the finite index subgroups of Houghton’s groups”.
Resilienz gegen IT-Angriffe an Kliniken
Authors: Pfenninger E. G. , Schmidt S. A. , Rohland C. , Peters S. , McNutt D. , Kaisers U. X. , Königsdorfer M.
Published: September 2023

Hintergrund

Gesundheitssysteme, und somit auch Krankenhäuser, gehören per definitionem zur Kritischen Infrastruktur eines Landes. Vermehrt sind in den vergangenen Jahren Kliniken Ziel von Hackerangriffen mit der Folge einer wochen- bis sogar monatelangen Beeinträchtigung ihrer Handlungsfähigkeit geworden. Gemäß der „Nationalen Strategie zum Schutz Kritischer Infrastrukturen (KRITIS-Strategie)“ sind Kliniken gesetzlich verpflichtet, dagegen Vorsorge zu treffen.

Fragestellung

Die vorgelegte Studie beschreibt die Planung, Durchführung und Ergebnisse einer Stabsrahmenübung an einem Großklinikum, die den Zeitraum der ersten 3 Tage bei einem hackerbedingten kompletten IT-Ausfall simulierte.

Material und Methoden

In einer 8‑monatigen Evaluationsphase wurden alle IT-abhängigen Prozesse im Klinikum untersucht sowie, wenn notwendig, papierbasierte Rückfalllösungen generiert und bereichsspezifische Notfallpläne fixiert. So genannte Dienstleister, wie Apotheke, Klinische Chemie, Radiologie und Rechenzentrum, beübten einen 72-stündigen IT-Ausfall; die Klinikeinsatzleitung (KEL) steuerte im selben Zeitraum in einer Stabsübung den Ablauf. Die Teilnehmer bewerteten die Übung nach ihrem Abschluss mithilfe eines Fragebogens. Daraus sowie anhand der Vor- und Nachbereitung wurden eine Resilienzmatrix entwickelt sowie ein kurz-, mittel- und langfristiger Handlungsbedarf definiert.

Ergebnisse

Die Teilnehmer bewerteten die Übung mit 85 % als sinnvoll, hatten in 97 % der Fälle zur Durchführung eine ausreichende Unterstützung und in 75 % der Fälle genügend Informationen erhalten. Dagegen fühlten sie sich persönlich und die Klinik insgesamt nur in 34 % der Fälle genügend auf einen IT-Komplettausfall vorbereitet. Die IT-ausfallsbezogenen bereichsspezifischen Notfallpläne waren vor der Übung am Klinikum in 1,7 % der Einheiten vorhanden, zur und nach der Übung in 86,7 %. Die höchste Resilienz gegenüber einem IT-Komplettausfall zeigten Einheiten, die noch auf Papierbasis arbeiteten, die geringste naturgemäß das Rechenzentrum mit komplettem Stillstand.

Schlussfolgerung

Die Evaluationsphase mit der Generierung von entsprechenden Rückfallebenen ist die wichtigste Komponente in der Stärkung der Resilienz gegenüber einem Hackerangriff auf die Klinik-IT. Diese sogfältige Vorbereitung vermag die fatalen Auswirkungen auf Patienten, Personal und die gesamte Klinik zu minimieren.
Neugeborenenscreening auf schwere kombinierte Immundefekte (SCID) in Deutschland
Authors: Ghosh Sujal , Albert Michael H. , Hauck Fabian , Hönig Manfred , Schütz Catharina , Schulz Ansgar , Speckmann Carsten
Published: September 2023

Patienten mit einem schweren kombinierten Immundefekt (SCID) erkranken aufgrund einer fehlenden bzw. gestörten T‑Zell-Immunität meist innerhalb der ersten Lebensmonate an schweren, oft letal verlaufenden Infektionen oder Zeichen der Immunfehlregulation. Nur durch die Korrektur des Immunsystems – in der Regel durch eine hämatopoetische Stammzelltransplantation (HSZT) – ist eine Heilung möglich. Pilotstudien und nationale Programme in den USA und Europa konnten zeigen, dass betroffene Kinder bereits im asymptomatischen Stadium durch das Neugeborenenscreening erkannt werden können. Dies ermöglicht es, Patienten mit SCID noch vor Auftreten schwerer Komplikationen zu behandeln, was den Erfolg der Therapiemaßnahmen wie HSZT erheblich verbessert.

Einem Bewertungsverfahren im Gemeinsamen Bundesausschuss (G-BA) folgend wurde 2019 auch in Deutschland ein Neugeborenenscreening auf SCID eingeführt. Die ersten Ergebnisse des Screenings (Trockenblutkarten von ca. 2 Mio. Neugeborenen im Zeitraum August 2019 bis Februar 2022) wurden vor Kurzem veröffentlicht. Neben klassischen SCID-Erkrankungen (Inzidenz 1:54.000) wurden, wie erwartet, auch Patienten mit einer syndromalen Grunderkrankung und T‑Zell-Lymphopenie identifiziert. Bei allen Patienten mit klassischem SCID wurde eine kurative Therapie geplant; 21 von 25 Patienten waren zum Zeitpunkt der Datenauswertung bereits transplantiert. Nur einer der 21 transplantierten Patienten verstarb an vorbestehenden Infektionen. Ein Vergleich des implementierten Screenings mit historischen Daten zeigt, dass das Screening in Deutschland erfolgreich umgesetzt wurde. Patienten mit SCID werden frühzeitig identifiziert und einer kurativen Therapie zugeführt.
Fibronectin‐coated polyurethane meniscal scaffolding supplemented with MSCs improves scaffold integration and proteoglycan production in a rabbit model
Authors: Torres‐Claramunt Raúl , Martínez‐Díaz Santos , Sánchez‐Soler Juan F. , Tio‐Barrera Laura , Arredondo Raquel , Triginer Laura , Monllau Joan C.
Published: September 2023

Purpose

The role of mesenchymal stem cells (MSC) in supporting the formation of new meniscal tissue in a meniscal scaffold is not well understood. The objective of this study was to assess the quality of the meniscal tissue produced in a fibronectin (FN)‐coated polyurethane (PU) meniscal scaffold after a meniscal injury was made in an experimental rabbit model.

Methods

Twelve New Zealand white rabbits were divided in two groups after performing a medial meniscectomy of the anterior horn. In group 1, the meniscal defect was reconstructed with a non‐MSC supplemented FN‐coated PU scaffold. On the other hand, the same scaffold supplemented with MSCs was used in group 2. The animals were sacrificed at 12 week after index surgery. A modified scoring system was used for histological assessment. This new scoring (ranging from 0 to 15) includes a structural evaluation (meniscal scaffold interface and extracellular matrix production) and tissue quality evaluation (proteoglycan and type I‐collagen content).

Results

The meniscal scaffold was found loose in the joint in three cases, corresponding to two cases in group 1 and 1 case in group 2. No differences were observed between the groups in terms of the total score (7.0 ± 0.9 vs. 9.4 ± 2.6, p = 0.09). However, differences were observed in group 2 in which 2 out of the 5 scored items, scaffold integration (1 ± 0.0 vs. 1.9 ± 0.6, p = 0.03) and proteoglycan production (1.2 ± 0.3 vs. 2.4 ± 0.2, p = 0.001). A trend to a higher production of Type I‐Collagen production was also observed in group 2 (1.1 ± 0.4 vs. 1.4 ± 0.7, p = 0.05).

Conclusion

In a rabbit model at 12 weeks, the adhesion of MSCs to a FN‐coated PU scaffold improves scaffold integration, proteoglycan production and the characteristics of the new meniscal‐like tissue obtained when compared to a non‐supplemented scaffold. This fact could be a major step toward improving the adhesion of the MSCs to meniscal scaffolds and, consequently, the obtention of better quality meniscal tissue.
What are the Effects of Exercise on Trabecular Microarchitecture in Older Adults? A Systematic Review and Meta-analysis of HR-pQCT Studies
Authors: Schlacht Thomas Z. , Haque Inaya , Skelton Dawn A.
Published: September 2023

The objective of this review was to determine the effects of exercise on high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) derived trabecular microarchitecture parameters in older adults. Five electronic databases were systematically searched by two independent reviewers. Inclusion criteria were adults age ≥ 50, any type of exercise as part of the intervention, and trabecular microarchitecture assessed via HR-pQCT. Data was extracted from included studies, and where suitable, included in a meta-analysis. Quality of included studies was appraised. Seven studies (397 participants) were included. All participants were postmenopausal women. Interventions included jumping, whole-body vibration, and power/plyometric training. All studies were rated as either weak or moderate quality. Meta-analysis (5 studies) showed no significant changes in any parameters when considering all exercise or sub-analysing based on type. Exercise was not found to have significant effects on trabecular microarchitecture in postmenopausal women over the age of 50. These findings should be interpreted with caution due to the small number of studies investigating few modes of exercise, their weak to moderate quality, and risk of bias. High-quality studies are needed to determine the effects of additional types of exercise in a more diverse population of older adults, including men.
Evaluation of cardiac fibrosis and subclinical cardiac changes in children with sickle cell disease using magnetic resonance imaging, echocardiography, and serum galectin-3
Authors: Wagdy Reham , Fathy Alaa , Elnekidy Abdelaziz , Salaheldin Geylan , Nazir Hanan , Fahmy Rana , Elkafrawy Hagar , Elkafrawy Fatma
Published: September 2023

Background

Myocardial fibrosis has recently been proposed as one of the contributing factors to the diverse pathogenicity of cardiomyopathy in sickle cell disease.

Objective

In this study, cardiac fibrosis and subclinical cardiac changes in children with sickle cell disease were evaluated using cardiac magnetic resonance imaging (MRI), tissue Doppler echocardiography and serum galectin-3.

Materials and methods

The study included 34 children with sickle cell disease who were compared with a similar number of healthy controls. Cardiac MRI was used to evaluate late gadolinium enhancement, native T1 mapping, extracellular volume, and T2* for estimation of iron load. Cardiac function and myocardial performance index (MPI, evaluated by tissue Doppler echocardiography) and serum galectin-3 were compared to controls.

Results

The mean age of the included patients was 13.3 ± 3.2 years. Myocardial iron load by T2* was normal. The mean level of extracellular volume (35.41 ± 5.02%) was significantly associated with the frequency of vaso-occlusive crises (P = 0.017) and negatively correlated with hemoglobin levels (P = 0.005). Galectin-3 levels were significantly higher among cases than controls (P = 0.00), at a cutoff value on the receiver operating characteristic curve of 6.5 ng/ml, sensitivity of 82.5% and specificity of 72.8%. The extracellular volume was significantly higher in cases, with a MPI > 0.4.

Conclusion

Diffuse interstitial myocardial fibrosis can be detected early in children with sickle cell disease using T1 mapping and is associated with a high frequency of vaso-occlusive crisis. MPI of the left ventricle and serum galectin-3 are recommended screening tools for subclinical cardiac abnormalities.

Graphical abstract
Integrative diagnostics of the gastro-intestinal tract – gastroesophageal reflux and constipation in practice
Authors: Sorantin Erich , Huber-Zeyringer Andrea
Published: September 2023

Common disorders of the gastrointestinal (GI) tract, such as gastroesophageal reflux/disease (GER/D) and constipation, are frequent causes for seeking medical support in infants. Diagnostic workup must ensure that diagnosed diseases are responsible for such complaints, thus enabling appropriate therapy. In this context assessment consists of clinical examination, functional tests, and imaging, which should be done in a staged manner. Close cooperation between clinicians and clinical radiologists enables optimal diagnostics, thus forming the basis for appropriate therapy.
Loop-mediated isothermal amplification assay for screening congenital cytomegalovirus infection in newborns
Authors: Park Hyeonseek , Kim Doo Ri , Shin Areum , Jeong Eunjung , Son Sohee , Ahn Jin-Hyun , Ahn So Yoon , Choi Suk-Joo , Oh Soo-young , Chang Yun Sil , Kim Yae-Jean , Kang Minhee
Published: September 2023

Congenital cytomegalovirus (CMV) infection is a common cause of sensorineural hearing loss and neurodevelopmental impairment in newborns. However, congenital CMV infection cannot be diagnosed using samples collected more than 3 weeks after birth because testing after this time cannot distinguish between congenital infection and postnatal infection. Herein, we developed a robust loop-mediated isothermal amplification (LAMP) assay for the large-scale screening of newborns for congenital CMV infection. In contrast to conventional quantitative polymerase chain reaction (qPCR), which detects CMV within a dynamic range of 1.0 × 106 to 1.0 × 102 copies/μL, our quantitative LAMP assay (qLAMP) detects CMV within a dynamic range of 1.1 × 108 to 1.1 × 103 copies/μL. Moreover, the turnaround time for obtaining results following DNA extraction is 90 min in qPCR but only 15 min in qLamp. The colorimetric LAMP assay can also detect CMV down to 1.1 × 103 copies/μL within 30 min, irrespective of the type of heat source. Our LAMP assay can be utilized in central laboratories as an alternative to conventional qPCR for quantitative CMV detection, or for point-of-care testing in low-resource environments, such as developing countries, via colorimetric naked-eye detection.

Key points

• LAMP assay enables large-scale screening of newborns for congenital CMV infection.

• LAMP allows colorimetric or quantitative detection of congenital CMV infection.

• LAMP assay can be used as a point-of-care testing tool in low-resource environments.
The Role for Preperitoneal Pelvic Packing in Low‐to‐Middle‐Income Countries: A 16‐Year Experience at a Johannesburg Trauma Unit
Authors: Moeng Maeyane Stephens , Viljoen Francois , Makhadi Shumani
Published: September 2023

Introduction

Preperitoneal pelvic packing for early pelvic haemorrhage control reduces mortality. Bleeding noted with pelvis fractures is predominantly due to associated venous complex injuries. More studies are advocating for angiography as first‐line therapy for haemodynamic instability in pelvic fractures; however, these facilities are not in abundance in middle‐ and low‐income countries. We hypothesized that PPP improves outcomes under these circumstances.

Methods

Retrospective analysis of data from the patients charts over a period of 16 years from 01 January, 2005 to 31 December, 2020. All patients over the age of 18 years who presented with haemodynamic instability from a pelvic fracture and required PPP were included. The demographics, physiological parameter in emergency department, blood products transfused, morbidity and mortality were analysed.

Results

There were 110 patients identified in the study period who underwent pelvic preperitoneal packing for refractory shock or ongoing bleeding. The majority (75.5%) of patients were men (n = 83). The median age was 38 years. The most common mechanism of injury was pedestrian vehicle collision (51%), followed by motor vehicle collisions (27.3%). The median ISS and NISS were 35 and 40, respectively. The median RTS in ED was 4.8(3–6.8). None of our patients rebleed after pack removal and no one needed repacking or adjunct angioembolization in our study group. The in‐hospital mortality rate was 43.6% (n = 48) in patients who underwent preperitoneal pelvic packing. The operating room table mortality was 20% (n = 22/110), and the mortality rate of those who survived to ICU transfer was 29.5% (n = 26/88).

Conclusions

Pelvic preperitoneal packing has a role in the acute management of haemodynamically abnormal patients with pelvic fractures in our environment. In the absence of immediate angioembolization, preperitoneal packing can be lifesaving.
Excellent outcome of stem cell transplantation for sickle cell disease
Authors: Vallée Tanja , Schmid Irene , Gloning Lisa , Bacova Martina , Ahrens Jutta , Feuchtinger Tobias , Klein Christoph , Gaertner Vincent D. , Albert Michael H.
Published: September 2023

Many sickle cell disease (SCD) patients lack matched family donors (MFD) or matched unrelated donors (MUD), implying haploidentical donors (MMFD) as a logical donor choice. We used a reduced toxicity protocol for all donor types. We included 31 patients (2–22 years) with MFD (n = 15), MMFD (10), or MUD (6) HSCT and conditioning with alemtuzumab/ATG, thiotepa, fludarabine and treosulfan, and post-transplant cyclophosphamide for MMFD. After the initial six patients, treosulfan was replaced by targeted busulfan (AUC 65–75 ng*h/ml). After a median follow-up of 26 months (6–123), all patients are alive and off immunosuppression. Two MMFD patients experienced secondary graft failure with recurrence of SCD, both after treosulfan conditioning. Neither acute GVHD ≥ °III nor moderate/severe chronic GVHD was observed. The disease-free, severe GVHD-free survival was 100%, 100%, and 80% in the MFD, MUD, and MMFD groups, respectively (p = 0.106). There was a higher rate of virus reactivation in MMFD (100%) and MUD (83%) compared to MFD (40%; p = 0.005), but not of viral disease (20% vs 33% vs 13%; p = 0.576). Six patients had treosulfan-based conditioning, two of whom experienced graft failure (33%), compared to 0/25 (0%) after busulfan-based conditioning (p = 0.032). Donor chimerism was ≥ 80% in 28/31 patients (90%) at last follow-up. Reduced toxicity myeloablative conditioning resulted in excellent overall survival, negligible GVHD, and low toxicity among all donor groups in pediatric and young adult patients with SCD.
Angiography-based hemodynamic features predict recurrent ischemic events after angioplasty and stenting of intracranial vertebrobasilar atherosclerotic stenosis
Authors: Huang Kangmo , Yao Weihe , Zha Mingming , Qin Shanmei , Li Yingle , Xu Yan , Liu Rui , Ye Ruidong , Han Yunfei , Zhu Wusheng , Teng Zhongzhao , Du Juan , Liu Xinfeng
Published: September 2023

Objectives

To assess the predictive value of hemodynamic features for stroke relapse in patients with intracranial vertebrobasilar atherosclerotic stenosis treated with percutaneous transluminal angioplasty and stenting (PTAS) using quantitative digital subtraction angiography (q-DSA).

Methods

In this retrospective longitudinal study, patients with intracranial vertebrobasilar atherosclerotic stenosis and who underwent PTAS treatment between January 2012 and May 2020 were enrolled. The q-DSA assessment was performed before and after PTAS. ROIs 1–4 were placed along the vertebral artery, proximal and distal basilar artery, and posterior cerebral artery; ROIs 5–8 were in 5 mm and 10 mm proximal and distal to the lesion, respectively. Relative time to peak (rTTP) was defined as the difference in TTP between ROIs. Cox regression analyses were performed to determine risk factors for recurrent stroke.

Results

A total of 137 patients (mean age, 62 years ± 10 [standard deviation], 83.2% males) were included, and 26 (19.0%) patients had stroke relapse during follow-up (median time of 42.6 months [interquartile range, 19.7–60.7]). Preprocedural rTTP4-1 (adjusted hazard ratio (HR) = 2.270; 95% CI 1.371–3.758; p = 0.001) and preprocedural rTTP8-5 (adjusted HR = 0.240; 95% CI 0.088–0.658; p = 0.006) were independently associated with the recurrent stroke. These hemodynamic parameters provided an incremental prognostic value for stroke relapse (AUC, 0.817 [0.704–0.931]; the net reclassification index, 0.431 [0.057–0.625]; and the integrated discrimination index, 0.140 [0.035–0.292]).

Conclusions

In patients with intracranial vertebrobasilar atherosclerosis treated with PTAS, preprocedural prolonged TTP of the target vessel and shortened trans-stenotic TTP difference were associated with stroke relapse. Q-DSA-defined hemodynamic parameters provided incremental predictive value over conventional parameters for stroke recurrence.

Clinical relevance statement

Quantitative DSA analysis enables intuitive observation and semi-quantitative evaluation of peri-therapeutic cerebral blood flow. More importantly, quantitative DSA–defined hemodynamic parameters have the potential for risk stratification of patients with intracranial atherosclerotic stenosis.

Key Points

Semi-quantitative angiography-based parameters can reflect pre- and postprocedural subtle changes in blood flow in patients with intracranial atherosclerotic stenosis.

Although angioplasty procedures can significantly improve blood flow status, patients with more restricted baseline blood flow still show a higher risk of stroke recurrence.

Angiography-based hemodynamic features possess prognostic value and can serve as clinical markers to assess stroke risk of patients with intracranial atherosclerotic stenosis.
Crop cultivation in the Talayotic settlement of Son Fornés (Mallorca, Spain): agricultural practices on the western Mediterranean islands in the first millennium bce
Authors: Stika Hans-Peter , Neugebauer Aleta , Rihuete-Herrada Cristina , Risch Roberto , Micó Rafael , Voltas Jordi , Amengual Paula , Gelabert Lara , Lull Vicente
Published: September 2023

The Balearic Islands were colonised around the transition from the Chalcolithic to the Bronze Age, not earlier than 2300 cal bce and certainly much later than any central or eastern Mediterranean islands. The number of archaeobotanical records is low and consists mainly of cereals and a few pulses. We present here new results of our long-term study of Son Fornés, an archaeological site on Mallorca which was occupied since the beginning of the Iron Age Talayotic period (~ 850 cal bce) and until Roman times (123 bce onwards), in the Balearic Islands. In the Talayotic period of Son Fornés Hordeum vulgare var. vulgare (hulled barley) and Triticum aestivum/durum/turgidum (free-threshing wheat) were the main cereals grown and Vicia faba (broad bean) was the main pulse, while Avena sp. (oats) is considered to have been a weed but was nonetheless consumed and was probably in an early phase of being domesticated. For the subsequent post-Talayotic (ca. 550 − 250 bce), Classic I and Classic II, the Republican Roman occupation period (from 123 bce onwards) the databases are weak, displaying hulled barley as the main crop and broad bean as the main pulse. The archaeobotanical records of Ficus carica (fig), Olea europaea (olive) and Vitis vinifera (grapevine) represent wild or cultivated and domesticated forms. Prunus dulcis (almond) and Pinus pinea (stone pine) were found on Eivissa (Ibiza), pointing to a Phoenician introduction to the islands, while Phoenix dactylifera (date palm) and Castanea sativa (chestnut), found on Menorca, might have been brought in by the Romans. The number of crops being used on the Balearic Islands was limited when compared to sites of similar periods on the European mainland or the central and eastern Mediterranean islands. According to carbon isotope results of Δ13C, hulled barley grew under damper conditions than free-threshing wheat. The high δ15N values indicated that both crops were well-manured with animal dung during the entire occupation period.
Climatology of near-surface wind speed from observational, reanalysis and high-resolution regional climate model data over the Tibetan Plateau
Authors: Minola Lorenzo , Zhang Gangfeng , Ou Tinghai , Kukulies Julia , Curio Julia , Guijarro Jose A. , Deng Kaiqiang , Azorin-Molina Cesar , Shen Cheng , Pezzoli Alessandro , Chen Deliang
Published: September 2023

As near-surface wind speed plays a role in regulating surface evaporation and thus the hydrological cycle, it is crucial to explore its spatio-temporal characteristics. However, in-situ measurements are scarce over the Tibetan Plateau, limiting the understanding of wind speed climate across this high-elevation region. This study explores the climatology of near-surface wind speed over the Tibetan Plateau by using for the first time homogenized observations together with reanalysis products and regional climate model simulations. Measuring stations across the center and the west of the plateau are at higher elevations and display higher mean and standard deviation, confirming that wind speed increases with increasing altitude. By exploring wind characteristics with a focus on seasonal cycle through cluster analysis, three regions of distinct wind regimes can be identified: (1) the central Tibetan Plateau, characterized by high elevation; (2) the eastern and the peripheral areas of the plateau; and (3) the Qaidam basin, a topographic depression strongly influenced by the blocking effect of the surrounding mountainous terrain. Notably, the ERA5 reanalysis, with its improvements in horizontal, vertical, and temporal spacing, model physics and data assimilation, demonstrates closer agreement to the measured wind conditions than its predecessor ERA-Interim. It successfully reproduces the three identified wind regimes. However, the newest ERA5-Land product does not show improvements compared to ERA5, most likely because they share most of the parametrizations. Furthermore, the two dynamical downscalings of ERA5 analyzed here fail to capture the observed wind statistics and exhibit notable biases and discrepancies also when investigating the diurnal variations. Consequently, these high-resolution downscaling products do not show add value in reproducing the observed climatology of wind speed compared to ERA5 over the Tibetan Plateau.
Introducing a standardized assessment of patients’ interest in and usage of CAM in routine cancer care: chances and risks from patients’ and physicians’ point of view
Authors: Shalgouny M. , Bertz-Lepel J. , Fischer v. Weikersthal L. , Herbin J. , Meier-Höfig M. , Mücke R. , Rohe U. , Stauch T. , Stoll C. , Troeltzsch D. , Wittmann S. , Kurz O. , Naumann R. , Huebner J.
Published: September 2023

Background

Cancer patients often use complementary and alternative medicine (CAM), however, standardized assessment in clinical routine is missing. The aim of this study was to evaluate a screening questionnaire on CAM usage that was published in the S3 Guideline Complementary Medicine in the Treatment of Oncological Patients.

Methods

We developed a survey questionnaire to assess the practicability of the guideline questionnaire and communication on CAM between health care providers (HCPs) and patients. We collected 258 guideline questionnaires and 116 survey questionnaires from ten clinics and held twelve semi-structured interviews with HCPs.

Results

85% used at least one of the listed CAM methods, 54 participants (N = 77) never disclosed usage to a physician. The most frequently used CAM methods were physical activity (76.4%) and vitamin D (46.4%). 25.2% used at least one method, that was labeled risky by the guideline. 53.4% did not know of CAM’s risk of interactions and side effects. Introducing the guideline questionnaire in routine cancer care increased the rate of patients talking to an HCP regarding CAM significantly from 35.5 to 87.3%. The HCPs stated positive effects as an initiation of conversation, increased safety within CAM usage and patients feeling thankful and taken seriously. However, due to the limited amount of time available for discussions on CAM, generalized distribution to all patients was not feasible.

Conclusion

Institutions should focus on implementing standard procedures and resources that help HCPs discuss CAM on a regular basis. HCPs should meet the patient’s demands for CAM counseling and make sure they are equipped professionally.
Delay for cholecystectomy after common bile duct clearance with ERCP is just running after recurrent biliary event
Authors: Bergeron Eric , Doyon Théo , Manière Thibaut , Désilets Étienne
Published: September 2023

Background

Gallstone disease will affect 15% of the adult population with concomitant common bile duct stone (CBDS) occurring in up to 30%. Endoscopic retrograde cholangiopancreatography (ERCP) is the mainstay of management for removal of CBDS, as cholecystectomy for the prevention of recurrent biliary event (RBE). RBE occurs in up to 47% if cholecystectomy is not done. The goal of this study was to evaluate the timing of occurrence of RBE after common bile duct clearance with ERCP and associated outcomes.

Methods

The records of all patients who underwent ERCP for gallstone disease followed by cholecystectomy, in a single center from 2010 to 2022, were reviewed. All RBE were identified. Actuarial incidence of RBE was built. Patients with and without RBE were compared.

Results

The study population is composed of 529 patients. Mean age was 58.0 (18–95). There were 221 RBE in 151 patients (28.5%), 39/151 (25.8%) having more than one episode. The most frequent RBE was acute cholecystitis (n = 104) followed by recurrent CBDS (n = 95). Median time for first RBE was 34 days. Actuarial incidence of RBE started from 2.5% at 7 days to reach 53.3% at 1 year. Incidence-rate of RBE was 2.9 per 100 person-months. Patients with RBE had significant longer hospitalisation time (11.7 vs 6.4 days; P < 0.0001), longer operative time (66 vs 48 min; P < 0.0001), longer postoperative stay (2.9 vs 0.9 days; P < 0.0001), higher open surgery rate (7.9% vs 1.3%; P < 0.0001), and more complicated pathology (23.8% vs 5.8%; P < 0.0001) and cholecystitis (64.2% vs 25.9%; P < 0.0001) as final diagnoses.

Conclusions

RBE occurred in 28.5% of the subjects at a median time of 34 days, with an incidence of 2.5% as early as 1 week. Cholecystectomy should be done preferably within 7 days after common bile duct clearance in order to prevent RBE and adverse outcomes.