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Gudrun traf sich zum Gespräch mit Janina Gärtner. Sie hat an der KIT-Fakultät Mathematik gerade ihre Promotion mit dem Titel "Continuation and Bifurcation of Frequency Combs Modeled by the Lugiato-Lefever Equation" abgeschlossen. Die Arbeit war Teil der Forschung im SFB 1173: Wellenphänomene und ist interdisziplinär zwischen Mathematik und Elektrotechnik entstanden. Im Zentrum stehen Frequenzkämme, die Janina theoretisch und praktisch betrachtete. Einerseits geht es um analytische Untersuchungen zur Existenz und Regularität von bestimmten Lösungen der zugehörigen Gleichung. Andererseits werden numerisch bestimmte Fälle gelöst, für die sich die Arbeitsgruppe in der E-Technik besonders interessiert. Frequenzkämme sind optische Signale, die aus vielen Frequenzen bestehen und mehrere Oktaven überspannen können. Sie entstehen beispielsweise indem monochromatisches Laserlicht in einen Ringresonator eingekoppelt wird und die resonanten Moden des Ringresonators angeregt werden. Durch Mischung und aufgrund des nichtlinearen Kerr-Effekts des Resonatormaterials werden Frequenzkämme mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt. Die mathematische Beschreibung des elektrischen Feldes innerhalb des Ringresonators erfolgt durch die Lugiato-Lefever Gleichung. Von besonderem Interesse sind dabei sog. Solitonen-Kerrkämme („Soliton Kerr Combs“ oder auch „Dissipative Kerr-Soliton Combs“), die aus im Resonator umlaufenden zeitlich und räumlich stark lokalisierten Solitonen-Impulsen entstehen. Solitonen-Kerrkämme zeichnen sich durch eine hohe Zahl an Kammlinien und damit eine große optische Bandbreite, durch geringes Phasenrauschen und durch eine hohe Robustheit aus. Ausgangspunkt von Janinas Untersuchungen ist der Existenzbeweis von Soliton-artigen Frequenzkämmen für den Fall, dass die Dispersion positiv ist. Anschließend können die Parameterbereiche angegeben werden, für die das praktisch auftritt. Mathematisch ist der erste Trick, dass man sich auf zeitlich konstante (stationäre) Lösungen beschränkt. Da örtlich nur eine Variable betrachtet wird, wird aus der partiellen eine gewöhnliche Differentialgleichung. Für diese Gleichung betrachtet Janina zunächst einen sehr einfachen Fall (sogenannte homokline Triviallösungen): Lösungen, die gegen eine Konstante streben. Die Gleichung wird dafür zunächst ohne Dämpfungs- und ohne Anregungsterme betrachtet. Es zeigt sich, dass die einzigen homoklinen Lösungen rein imaginär sind. Anschließend wird zuerst die Anregung hinzugenommen und mit Aussagen zu Eindeutigkeit und Verzweigungen können die Lösungen hier fortgesetzt werden. Selbst nach Hinzunahme der Dämpfung funktionieren noch Fortsetzungsargumente in einer gewissen Umgebung. Das passt aber gut zu der Idee, dass man die Verzweigungsstellen finden möchte. Mit Hilfe der Software pde2path können analytisch alle Verzweigungspunkte bestimmt werden. Anschließend werden anhand von konkreten Beispielen alle primären Verzweigungen vom Ast der Triviallösungen bestimmt. Dies führt zu einer Karte von Lösungen und Stabilitätseigenschaften in der Phasen-Ebene, die sehr gut mit vereinfachten Stabilitätskriterien für nichtperiodische Lösungen übereinstimmt. Daraus werden Heuristiken zum Auffinden der im Zeitbereich am stärksten lokalisierten Frequenzkämme abgeleitet. Janina hat ein Lehramtsstudium Mathematik/Physik am KIT absolviert. Als sie sich für ihre Zulassungsarbeit mit einem mathematischen Thema auseinandergesetzt hat, bekam sie Lust, die mathematische Seite ihrer Ausbildung zum Master Mathematik zu vervollständigen. Anschließend hat sie eine Promotionsstelle in der KIT-Fakultät für Mathematik angenommen, wo sie auch im Schülerlabor Mathematik tätig war. Mit der Gründung des SFB hat sie sich schließlich ganz auf das besprochene Forschungsthema konzentriert. Literatur und weiterführende Informationen Herr, T. et al. Temporal solitons in optical microresonators. Nat. Photon. 8, 145–152, 2014. N. Akhmediev & A. Ankiewicz: Dissipative Solitons: From Optics to Biology and Medicine, Springer, 2008. Marin-Palomo, Pablo, et al.: Microresonator-based solitons for massively parallel coherent optical communications, Nature 546.7657: 274, 2017. Trocha, Philipp, et al. :Ultrafast optical ranging using microresonator soliton frequency combs, Science 359.6378: 887-891, 2018. Podcasts A. Kirsch, G. Thäter: Lehramtsausbildung, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 104, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. E. Dittrich, G. Thäter: Schülerlabor, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 103, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. K. Sobotta, H. Klein: Schülerlabore, Resonator-Podcast, Folge 59, Holger Klein/Helmholtz-Gemeinschaft, 2015.

Gudrun sprach im Janur 2019 mit Mark Bangert vom Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg. Er arbeitet dort seit vielen Jahren als Physiker in der medizinischen Physik. Sein Thema ist die Optimierung von Bestrahlungstherapien. Der Punkt, an dem sich die Arbeit von Mark und Gudrun seit Ende 2018 berühren, ist eine Masterarbeit von Alina Sage in der Bestrahlungsplanung. Ein Gespräch mit ihr werden wir ebenfalls bald veröffentlichen. Es gibt viele und unterschiedliche Betätigungsfelder für Physiker in der medizinischen Physik, unter anderem in der Strahlentherapie oder Radiologie (CT- und MRI-Bildgebung). Marks Hauptaufgabe ist die Simulation und Optimierung von Strahlungsdosen die Tumor-Kranke appliziert bekommen, um die Nebenwirkungen zu minimieren und die Wirkung zu maximieren. Die Modelle hierfür haben eine geometrische Basis und berücksichtigen den Strahlungstransport. Hier geht es um die Abschwächung und Auffächerung in Interaktion mit Haut und inneren Organen. Die Therapie an und für sich ist schon stark digitalisiert. Jede Krebstherapie startet mit einem CT-Bild. Basierend darauf wird ein digitales Patientenmodel entwickelt und segmentiert, um den Tumor abzugrenzen. Das Abgrenzen des Tumors leisten hauptsächlich die Mediziner, Methoden der automatischen Bilderkennung halten hier nur sehr langsam Einzug. Anschließend wird entschieden: Wo soll bestrahlt werden und wo soll möglichst viel Energie absorbiert werden - gleichzeitg aber auch: Wo muss man vorsichtig sein (z.B. Herz, Speiseröhre, Niere, Rektum usw.). Anschließend wird dann simuliert, wie Strahlung auf das digitale Modell des Patienten wirkt. Man kann die Dosis und die zeitliche, räumliche Verteilung der Strahlung variieren und optimieren. Das führt auf eine patientenspezifische Optimierung der Dosis-Gabe, die nur für häufig auftretende Tumore gut standardisierbar und automatisierbar ist. Zeitlich hat sich bewährt, dass die Strahlung über 30 Tage in 6 Wochen verteilt verabreicht wird, da sich gesundes Gewebe so besser von der Strahlungsbelastung erholen kann. Aber viele Probleme bleiben offen: Unter anderem können Patienten nicht ganz still halten, sondern müssen beispielsweise atmen. Deshalb bewegt sich der Tumor während der Bestrahlung. Der momentane Ausweg ist, dass man ein größeres Volumen rings um den Tumor markiert. Eine bessere Variante wäre, wenn die Strahlung nur eingeschaltet ist, sobald der Tumor im optimalen Fenster ist oder wenn der Strahl der Tumorbewegung folgt. Dadurch würden die Nebenwirkungen stark verringert. An solchen Fragen forscht Marks Gruppe bevor nach ausführlichen Qualitätssicherungsmaßnahmen derartige Neuerungen zur Standardbehandlung werden. Bestrahlungshard- und Software werden zusammen entwickelt und mit vorhandener Bildgebung integriert. Auch diese Tools müssen verbessert werden, um immer genauer zu werden. Der kranke Mensch ändert sich über den langen Behandlungszeitraum von bis zu 6 Wochen oft sehr stark und der Tumor erst recht. Es wäre also denkbar, den Bestrahlungsplan wöchentlich oder sogar täglich zu aktualisieren. Mark hat in Heidelberg Physik studiert und promoviert und leitet eine Nachwuchsgruppe. N. Wahl, P. Hennig, H.-P. Wieser, M. Bangert: Smooth animations of the probabilistic analog to worst case dose distribution, https://github.com/becker89/ESTRO2018 Literatur und weiterführende Informationen M. Bangert, P. Ziegenhain: Bestrahlungsplanung In: W. Schlegel e.a. (eds.): Medizinische Physik, Springer 2018. H. Gabrys e.a.: Design and selection of machine learning methods using radiomics and dosiomics for NTCP modeling of xerostomia, Frontiers in Oncology, Mar 5;8:35, 2018. doi: 10.3389/fonc.2018.00035. J. Unkelbach e.a.: Optimization of combined proton–photon treatments, Radiotherapy and Oncology, 128(1):133-138, 2018. doi: 10.1016/j.radonc.2017.12.031. Podcasts L. Adlung, G. Thäter, S. Ritterbusch: Systembiologie, Gespräch im Modellansatz Podcast, Folge 39, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2016. Resonator-Podcast 015: DKFZ-Forscher Christof von Kalle, Resonator-Podcast von Holger Klein/Helmholtz-Gemeinschaft, 2013. Resonator-Podcast 014: Das DKFZ in Heidelberg, Resonator-Podcast von Holger Klein/Helmholtz-Gemeinschaft, 2013. Resonator-Podcast 069: Krebsmythen, Resonator-Podcast von Holger Klein/Helmholtz-Gemeinschaft, 2015.

Nora Weinberger und Sebastian Ritterbusch unterhalten sich über Innovationsprozesse in der Technologieentwicklung und das Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT): Die Analyse von Technikfolgen und den Wechselwirkungen von Technik und Gesellschaft ist äußerst interessant für Themenfelder wie beispielsweise die sozialen Medien in der Wissensgesellschaft, die Endlagersuche für nukleare Endprodukte im Energiesektor, wie auch den Umgang mit dem demographischen Wandel und der Nachhaltigkeit. Viele der Themen sind gesellschaftliche Grand Challenges und werden teilweise schon aus historischen Gründen am KIT länger untersucht: Das in das KIT eingeflossene ehemalige Forschungszentrum Karlsruhe hatte einen Forschungsbereich zur Kernkraft. Der Institutsleiter Prof. Dr. Armin Grunwald war so auch am Abschlussbereicht der Kommission zur Lagerung hoch radioaktiver Abfälle beteiligt und ist Mitglied im unabhängigen Nationalen Begleitgremium zur Endlagersuche. Das ITAS ist nicht nur räumlich vom KIT Campus Nord in die Innenstadt und die Gesellschaft gezogen, sondern sucht in vielen Richtungen den Kontakt zu den eigentlichen Experten für den „Lebensalltag“. Ein Beispiel, wie das ITAS die Ergebnisse und Kontroversen zur Diskussion aktiv zu den Bürgerinnen und Bürgern bringt, ist die Veranstaltungsreihe Technik Kontrovers: Hier werden nicht nur Themen vorgestellt, sondern intensiv die Beteiligung von Bürgerinnen und Bürgern in Entscheidungsprozesse gefördert. Das Arbeitsgebiet von Nora Weinberger im Terrain Projekt liegt im Bereich der Innovationsforschung: Unter dem Begriff Innovation versteht man hier sowohl die technische Innovation als auch die soziale Innovation in Kombination. Die Betrachtung des Begriffs stellt auch die Frage, welche Innovationen und Technik sich betroffene Menschen eigentlich wünschen. Denn zu leicht können technische Innovationen an den Bedürfnissen der Gesellschaft vorbeigehen. So kann man auf der einen Seite noch im Innovationsprozess unerwünschten Technikfolgen entgegentreten und durch die frühe Beteiligung auch eine höhere gesellschaftliche Akzeptanz erzeugen. Die Veränderungen, die sich in der Gesellschaft durch technische Innovationen ausbilden können, sind ein Aspekt der sozialen Innovationen, die die technische Seite im optimalen Fall begleiten und unterstützen, aber auch eine ganz eigene Entwicklung ausbilden können. Eine besondere Herausforderung ist dabei die Technikvorausschau, die in Zusammenarbeit mit Experten verschiedener Bereiche erstellt wird. Dabei wird jedoch keine Zukunft vorhergesagt, sondern es werden mögliche Zukünfte, also mögliche Zukunftsszenarien, diskutiert und analysiert. Wirksam werden die verschiedenen Zukünfte durch ihre Wirkungen, und in der neutralen Bewertung der Folgen können Risiken von Entwicklungen sachlich behandelt und damit beispielsweise politische Entscheidungsträger beraten werden. Dies ist unter anderem ein Arbeitsgebiet des durch das ITAS betriebene Büro für Technikfolgenabschätzung am Bundestag (TAB). Ein großes Themengebiet der ITAS ist der demographische Wandel, also der Alterung der Gesellschaft und den unter anderem damit verbundenen steigenden Anforderungen im Bereich der Pflege. Wo zunächst eine Abneigung gegen technische Lösungen vorwiegen kann, ermöglicht die Teilhabe und Partizipation eine gesteigertes Akzeptanzbewusstsein und Interesse an neuen Verfahren. Ein Aspekt der alternden Gesellschaft ist die stark steigende Anzahl von Menschen mit Demenz. Demenz ist dabei ein Sammelbegriff für ein Phänomen, das fortschreitend verläuft und durch schwere Verluste höherer kognitiver Funktionen, insbesondere des Gedächtnisses, des Denkens, der Orientierung, der Lernfähigkeit, der Sprache, aber auch des Urteilsvermögens, gekennzeichnet ist. Neben den beschriebenen kognitiven Einbußen gehen Veränderungen des Gefühlslebens, aber auch des Verhaltens mit der Demenz einher, die sich zu Depressivität, Wahn und extremer Unruhe entwickeln können. Mit dem Fortschreiten der Demenz ist ein zunehmender Verlust der geistigen Leistungsfähigkeit festzustellen, der sich unter anderem in einer abnehmenden Fähigkeit zeigt, Alltagsprobleme eigenständig zu lösen, sodass Menschen mit Demenz einen zunehmenden Selbständigkeitsverlust erleben und immer mehr auf Unterstützung angewiesen sind. Die extreme Unruhe von Menschen mit Demenz kann sich dabei in einem hohen Bewegungsdrang (sog. „Wandering“) äußern. In Kombination mit den beschriebenen Defiziten können diese zu einem Selbstgefährdungspotential führen, weil eine örtliche Orientierung kaum oder gar nicht mehr möglich ist. Andererseits wird gerade Bewegung als Intervention zur Aktivierung der Gehirnfunktion und zur Teilhabe am sozialen Leben empfohlen. Die Bewegung kann damit als eine wirkungsvolle und nebenwirkungsarme Schlüsselkomponente bei der Pflege und Betreuung von Menschen mit Demenz angesehen werden. Mit ihr ist sowohl eine motorische als auch eine sensorische, aber auch eine soziale Aktivierung verbunden, die sich auf die subjektive Lebensqualität und den funktionellen Status der Menschen mit Demenz auswirken und dazu beitragen, Stürze, Kontrakturen sowie Dekubitus zu verhindern. So können bestehende Ressourcen so lange wie möglich erhalten, und eine hohe Pflegeintensität kann hinausgezögert werden. Die Realisierung von Bewegung vor allem außerhalb der Einrichtung stellt allerdings die Pflegenden, die Bewohner und deren Angehörige, aber auch die Bürger im Quartier vor eine dilemmatische Situation: Einerseits soll die Selbstständigkeit der Menschen mit Demenz gefordert und gefördert werden, andererseits besteht in Abhängigkeit von der Tagesform und den individuellen kognitiven Fähigkeiten der Wunsch der Pflegenden und der Angehörigen nach Sicherheit, was dann häufig mit Formen von Freiheitsentzug korreliert. Dies führt dazu, dass die eigentlich gewollte Selbstbestimmung und Selbstständigkeit durch Sicherheitserwägungen und Furcht vor Selbstgefährdung eingeschränkt wird. Hieraus folgend muss es in der pflegerischen Praxis darum gehen, das dargelegte Spannungsfeld von Freiheit und Selbstbestimmung versus Sicherheit mit den Beteiligten zu thematisieren und Bewegung innerhalb und außerhalb der Einrichtung zu ermöglichen. Ziel ist es, das „Draußen aktiv“ unter dem Motto: „So viel Freiheit wie möglich, so viel Schutz wie nötig“ zu gestalten. Ausgehend von diesen spezifischen Problemlagen widmete sich das Movemenz-Projekt der Fragestellung, ob und wie zu entwickelnde technische Artefakte Formen der Unterstützung anbieten können, um die Grundanforderung „Bewegung“ in einem gerahmten Pflegesetting aufrechterhalten, bzw. zu unterstützen. Dafür hat das Forschungsteam die Institutionen für einige Wochen zur teilnehmenden Beobachtung besucht und anschließend mit den beteiligten Personen (Betroffenen, Pflege- und Betreuungskräften, Angehörigen und Ehrenamtlichen sowie Vertretern des Quartiers) die auf Mobilitätsaspekte bezogenen Ergebnisse besprochen. In einem weiteren Schritt wurden die Beobachtungen mit einem Team von Technikentwicklern diskutiert, um technische Lösungsansätze und Entwicklungsmöglichkeiten zu erforschen. Basis für die Vorgehensweise im Projekt war der Ansatz der Grounded Theory: Hier wurden alle für die Forscher und Allgemeinheit verfügbaren Informationen wie Webseiten oder die teilnehmende Beobachtung genutzt, um daraus unbeeinflusste Thesen zu formulieren und zu begründen. Die Grounded Theory ist ein weit akzeptiertes sozialwissenschaftliches Vorgehen, um strukturiert und begründet Erkenntnisse erhalten, und erinnert in gewisser Weise nach einem Design Pattern aus der Informatik. Im skandinavischen Film Kitchen Stories von 2003 wird das gewählte Vorgehen der teilnehmenden Beobachtung einer kritischen und gleichzeitig humoristischen Betrachtung unterzogen. Ein Ergebnis und Beispiel für eine mögliche Innovation, die sich statt aus einem Technology Push aus den Beobachtungen, Diskussionen mit Betroffenen und den Technikentwicklern also einem Demand Pull herausgebildet hat, ist die Möglichkeit Menschen mit Ortslokalisierung zu helfen. Diese Technikdee wird zusammen mit einer starken sozialen Innovation einem unterstützenden Helfernetz im QuartrBack-Projekt untersucht. Den Ansatz neben dem Technology Push auch den Demand Pull zu setzen und im Vorfeld die Technikfolgen zu beachten wird auch im Terrain Projekt umgesetzt: So werden entsprechend interdisziplinäre Experten befragt, um weitere Anforderungen und Aspekte frühzeitig in die Entwicklung einfließen zu lassen. Ebenso werden im Projektverlauf mit Bürgerbeteiligung auch intensiv mögliche Technikfolgen und vorab Bedenken, aber auch Chancen des Technikeinsatzes untersucht. Publikationen und weiterführende InformationenN. Weinberger, J. Hirsch: Welche Art von mobilitätsfördernder Technologie ist im Pflegearrangement von Menschen mit Demenz zur Bedarfserfüllung notwendig? Aushandlungsprozesse zwischen Pflegekräften und Technikentwicklern. In: VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (Hrsg.): Zukunft Lebensräume. Proceedings des 9. AAL Kongresses 2016. Berlin, Offenbach: VDE 2016, S. 216-220 T. Zentek, N. Weinberger, C. Brändle, J. Hirsch: Analyse von Anforderungen an eine intelligente Notfallkette für Menschen mit Demenz im Quartier – Das Projekt QuartrBack. In: VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (Hrsg.): Zukunft Lebensräume. Proceedings des 9. AAL Kongresses 2016. Berlin, Offenbach: VDE 2016, S. 213-215 N. Weinberger, B.-J. Krings, M. Decker: Enabling a mobile and independent way of life for people with dementia – Needs-oriented technology development. In: Dominguez-Rué, E.; Nierling, L. (Hrsg.): Ageing and technology. Perspectives from the social sciences. Bielefeld: transcript 2016, S. 183-204 M. Decker, N. Weinberger: Was sollen wir wollen? Möglichkeiten und Grenzen der bedarfsorientierten Technikentwicklung. In: Weidner, R.; Redlich, T.; Wulfsberg, J.P. (Hrsg.): Technische Unterstützungssysteme. Berlin Heidelberg: Springer Vieweg 2015, S. 19-29 N. Weinberger, M. Decker: Technische Unterstützung für Menschen mit Demenz? Zur Notwendigkeit einer bedarfsorientierten Technikentwicklung. Technikfolgenabschätzung – Theorie und Praxis 24(2015)2, S. 36-45 N. Weinberger, M. Decker, B.-J. Kriegs: Pflege von Menschen mit Demenz–Bedarfsorientierte Technikgestaltung. Schultz, T.; Putze, F.; Kruse, A.(Hg.): Technische Unterstützung für Menschen mit Demenz, Symposium. Vol. 30. No. 1.10. 2014. Podcast A. Grunwald: Armin Grunwald und die Zukünfte, Gespräch mit H. Klein im Resonator Podcast Folge 25, Holger Klein/Helmholtz-Gemeinschaft, 2014.