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Navigation with Local Sensors in Surgical Robotics
(2011)
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Philipp J. Stolka
- Using robots in medicine and especially in surgery requires an adequate representation of and reaction to a changing environment. This is usually achieved by modeling the environment at different representation levels throughout the process, ranging from complex 3D imaging modalities which reflect the environment geometry to finding appropriate low-level control parameters for actual motion through environment regions. In this work, a common framework for different types of navigational problems in surgical robotics is proposed, and validated by the introduction of navigation cycles on novel local sensors. Currently industrial (and surgical) robotic systems employ almost exclusively static global maps -- if any -- for navigation and planning purposes. Additional information -- intra-process, spatial, current, and persistent sensor data -- is useful to cope with uncertainty, measurement errors, and incompleteness of data. Between global pre-operative navigation and control, this work introduces the concept of intra-operative navigation on local sensor data into surgical robotics. This includes the creation and maintenance (both concurrent as well as independent) of local environment maps for navigation purposes. This intermediate level of sensory feedback and processing allows to react to changes in the environment, based on persistent but incremental mapping. Furthermore, local sensors permit intra-operative sampling of additional information which may be unattainable before process execution, or available only with reduced precision. This work proposes to augment robot world models by introducing such local sensors (in particular, force and sound as well as ultrasonic sensors, all of which provide data from an estimated local epsilon-environment) and to build precise maps from local sensors, which serve as input for several introduced navigation algorithms. This map-building is improved by precise data localisation and precise data insertion. The general idea of nested control loops is illustrated on the basis of a specific surgical application -- robot-based milling at the lateral skull base.
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Constraint-System für eine mehrschichtige Metamodellierungsumgebung
(2011)
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Michael Zeising
- In vielen Bereichen wird die Bewältigung von komplexen Problemstellungen durch Modelle unterstützt. Modelle beschreiben Software-Systeme, geschäftliche Abläufe, Kommunikationsbeziehungen zwischen Menschen und vieles mehr. Sogenannte Metamodelle beschreiben dabei die Struktur und Bedeutung von Modellen, dienen also als „Sprache“ für deren Formulierung. Die meisten Modellierungswerkzeuge sind eng an ein bestimmtes Metamodell gekoppelt, können also nur zur Entwicklung einer bestimmten „Art“ von Modellen dienen. Ein Ansatz flexiblere Werkzeuge zu erhalten besteht darin, zwischen der Repräsentation und der Bedeutung von Modellen zu trennen. Ein flexibles Werkzeug basiert dann auf einem Metamodell, dass lediglich die Repräsentation von Modellen beschreibt und kann damit zur Entwicklung von Metamodellen selbst dienen. Zu Beginn der Entwicklung eines Modells darf das Werkzeug so wenige Einschränkungen wie möglich vorgeben. Für bestimmte Anwendungsfälle sind hingegen strikte Regeln für die Form eines Modells sinnvoll. Das Werkzeug muss es daher ermöglichen einem Modell je nach Bedarf Regeln bezüglich seiner Struktur aufzuerlegen. Für viele inhaltliche Zusammenhänge wären sehr komplexe Modelle notwendig um alle Randbedingungen präzise zu erfassen und manches lässt sich unter Umständen mit den Mitteln der Modellierungssprache überhaupt erst gar nicht ausdrücken. Auch inhaltlich muss es daher möglich sein, dass Modell durch beliebige Randbedingungen zu verfeinern. In dieser Arbeit wird eine Sprache zur Formulierung solcher Randbedingungen (engl. constraints) entwickelt. Diese dienen einerseits dazu, die Modellierungssprache selbst einzuschränken, ermöglichen also den oben erwähnten Wechsel zwischen freien und strikten Modellierungsparadigmen. Andererseits ermöglicht sie eine inhaltliche Verfeinerung von Modellen über die Modellierungssprache hinaus.
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ExchanGE processes in mountainous Regions (EGER)- Documentation of the Intensive Observation Period (IOP3) June, 13th to July, 26th 2011
(2011)
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Andrei Serafimovich
Fabian Eder
Jörg Hübner
Eva Falge
Linda Voß
Matthias Sörgel
Andreas Held
Qianqian Liu
Rafael Eigenmann
Kilian Huber
Henrique F. Duarte
Peter Werle
Eckhard Gast
Stanislaw Cieslik
Liu Heping
Thomas Foken
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Neuartige Schichtverbindungen zur Herstellung von Nanokompositen mit verbesserten Flammschutzeigenschaften.
(2011)
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Michael R. Schütz
- Die vorliegende Arbeit wurde teilweise in Kooperation mit der Firma Dronco AG, Wunsiedel durchgeführt. Im Focus der Arbeit stand die Synthese von Füllstoffen für Polymer-Nanokomposite, wobei die erhaltenen Materialien höhere thermische Stabilitäten sowie bessere Performance im Bereich Flammschutz zeigen sollten. Es wurde grundsätzlich mit drei verschiedenen Füllstoffen gearbeitet. Zwei silicatische und ein hydroxidischer Füllstoff wurden synthetisiert und in verschiedenen Polymermatrizes dispergiert, wobei die Wahl des Matrixpolymers zunächst eine untergeordnete Rolle spielte. Zur Synthese des einen silicatischen Füllstoffs wurde ein molekularer Silanprecursor benutzt, aus dem ein Silsesquioxane Füllstoff in situ im benutzten PF-Prepolymer gebildet wurde. Der Wirkmechanismus sowie die Bildung des entstehenden Komposits wurden aufgeklärt. Aus dem eingesetzten Triethylaminopropylsilan entsteht nach Hydrolyse und Kondensation in situ ein Silsesquioxannetzwerk, das das PF-Polymer homogen durchzieht. Somit konnten keine Silsesquioxanpartikel oder Agglomerate im Matrixpolymer nachgewiesen werden. Aus der homogenen Verteilung des Silsesquioxannetzwerks im Polymer ergeben sich signifikant verbesserte mechanische und thermooxidative Eigenschaften. Verbesserte Flammschutzeigenschaften konnten für dieses System jedoch nicht nachgewiesen werden. Weiterhin wurden synthetische Schichtsilicate als Füllstoffe benutzt. Die Synthese dieser Schichtsilicate wurde am Lehrstuhl AC I über die letzten Jahre optimiert. Sie stellen sehr interessante, neue Ausgangstoffe für die Entwicklung von nanoskopischen Zuschlagstoffen dar. Im Speziellen wurden ein Na-Hectorit sowie ein Li-Hectorit benutzt, die beide herausragende Eigenschaften besitzen um als Füllstoff im Bereich Flammschutz von Polymeren eingesetzt zu werden. Diese Schichtsilicate zeichnen sich insbesondere durch hohe Aspektverhältnisse im Vergleich zu natürlichen Schichtsilicaten wie MMT aus. Der benutzte Natrium-Hectorit wurde mit Hilfe von Kationenaustauschreaktionen zunächst scherlabil gemacht und anschließend mit Hilfe einer Rührwerkskugelmühle exfoliert um das Aspektverhältnis zu maximieren. Die Reaktionsfähigkeit der erhaltenen Plättchen wurde anschließend durch einen weiteren Austausch der Zwischenschichtkationen auf die äußeren Oberflächen beschränkt. Diese Grenzfläche wurde dann mit einem oligomeren Modifikator belegt und damit der Phasentransfer in ein organisches Medium ermöglicht. Die so erhaltenen Schichtsilicatpakete, die ausschließlich an der Oberfläche modifiziert waren, wurden dann in PS dispergiert. Die erhaltenen Füllstoffe zeigten eine sehr gute Dispergierbarkeit und ein hohes Aspektverhältnis, was sich durch ausgezeichnete mechanische, thermische und Flammschutzeigenschaften äußerte. Der Anteil des organischen Modifikators am reinen Füllstoff war auf Grund dieser optimierten Nanokomposit-Synthese beträchtlich geringer als bei vergleichbaren Füllstoffen. Der Lithium-Hectorit wurde in der vorliegenden Studie mit einem natürlichen MMT verglichen. Mit typischen Aspektverhältnissen im Bereich 1000 des synthetischen Hectorit im Vergleich zu nur ca. 50 für das natürliche Schichtsilicat konnte zum ersten Mal eindeutig der Einfluss des Aspektverhältnisses auf die Flammschutzeigenschaften untersucht werden. Hier wurde eindeutig gezeigt, dass ein maximiertes Aspektverhältnis zu deutlich besseren Flammschutzeigenschaften führt. Ein weiterer Focus lag auf dem Vergleich von verschiedenen blending-Methoden. Hier konnte eine optimale Dispergierung in der Polymermatrix nur mit Lösungsmittelmethoden gewährleistet werden, eine Trocknung und ein anschließendes Schmelz-blending führten zu kaum redispergierbaren Agglomeraten und in der Folge zu „schlechteren“ Kompositen. Durch das hohe Aspektverhältnis und die hohe Homogenität des Hectorit-Nanokomposits (Lösungsmittel-blended) konnte bei einem solchen Material zum ersten Mal ein intumeszens-artiges Verhalten beschrieben werden. Als dritter Füllstoff wurden LDHs synthetisiert. Diese schichtartigen Hydroxide sollten auf Grund ihrer Morphologie, der hohen Konzentration an thermisch abspaltbaren Hydroxyl¬gruppen und der variablen Zusammensetzung, die auch strukturelle Radikalfänger umfasst, optimale Flammschutzadditive darstellen. Hierzu wurden eisenhaltige LDHs mit hohen Aspektverhältnissen synthetisiert. Die direkte Synthese mit etablierten Methoden war hier nicht möglich, da die Löslichkeit des intermediär gefällten FeOOH zu gering ist. Deshalb wurde eine Komplex-unterstützte Synthese entwickelt, die es auf einfachem Weg möglich macht, phasenreine, Fe3+-haltige LDHs mit akzeptablem Aspektverhältnis zu erhalten. Diese Arbeit ist eine kumulative Dissertation. Die detaillierten Ergebnisse werden in den angehängten Publikationen beschrieben.
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Reconstruction of the Late and Mid-Pleistocene climate and landscape history in SE-Central Europe - A paleopedological and geochemical multi-proxy approach in loess-paleosol studies.
(2011)
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Björn Buggle
- Loess-paleosol sequences (LPSS) potentially are valuable archives for past environmental conditions. In SE-Central European lowlands thick loess plateaus can be found comprising several glacial-interglacial cycles. This work focuses on key sections in the middle and lower Danube Basin to i) investigate the origin of the loess and archive genesis, ii) to set up a reliable chronostratigraphy and iii) to contribute to the reconstruction of the Mid- and Late Pleistocene climate and landscape history of the region by a paleopedological – geochemical multi-proxy approach. Furthermore, methodological investigations aim to evaluate the validity of various paleoenvironmental proxies especially geochemically based weathering indices, as well as biomarker and stable isotope approaches in LPSS research. The results from geochemical analyses reveal that alluvial material of the Danube and its tributaries represent major sources for the loess in the middle and lower Danube Basin. From the geochemical point of view the studied loess can be regarded as a representative sample of the upper continental crust altered by at least one sedimentary cycle. The chronostratigraphy of the studied sections is based on the correlation of characteristic patterns of the magnetic susceptibility to the delta 18O record of benthic foraminifera from the Ocean Drilling Program site 677, a proxy record for the global ice volume. This is supplemented by correlating magnetic susceptibility fingerprints and pedostratigraphic marker horizons to previously established chronostratigraphies from profiles in the region as well as in China. The results show that the Batajnica/Stari Slankamen LPSS (Serbia) and Mircea Voda LPSS (Romania) comprise at least the last 700.000 years of climate history i.e. the last 17 marine isotope stages. The multi-proxy approach for paleoenvironmental reconstruction involves micromorphological parameters, silicate weathering intensity as given by element composition, grain size proxies for pedogenic clay formation and wind strength, as well as determination of sedimentation rates. As most suitable proxy for silicate weathering in calcareous sediments, the molar ratio Al2O3/(Na2O + Al2O3) × 100 is introduced as Chemical Proxy of Alteration (CPA) to loess paleosol research. Moreover, diffuse reflectance spectroscopy, soil color proxies and rock magnetic proxies are applied to gain paleoenvironmental information from the concentration and assemblage of iron minerals. Focusing on the warm periods, these proxies reveal a progressive decrease of interglacial weathering and soil formation intensity over the Mid - and Late Pleistocene. Also soil forming milieu was less oxidative as reflected by the iron mineralogical composition. These findings suggest cooling and a decline of rainfall linked to a change in seasonality from a Mediterranean type of climate to a more continental steppe climate. Results from n-alkane biomarkers support that summer dryness limiting the expansion of trees was a persistent feature of interglacial climate in SE-European lowlands. In the obtained proxy dataset, increase of wind strength, gradual cooling as well as decrease of rainfall since the early Mid-Pleistocene is also evident for glacial periods. After evaluation of potential triggers, this general climatic trend is proposed to be related to Pleistocene uplift of Eurasian mountain ranges. Changes in atmospheric circulation and rain shadow effects due to mountain uplift (Himalaya, Alps, Carpathians) would provide an explanation for the westward expansion of the Eurasian steppe belt into SE-Central Europe. Future studies on LPSS may also involve highly innovative proxies such as n-alkane biomarker and their D/H isotope signature. However, the methodological investigations on modern soil profiles and samples from litterbag experiments suggest that in a LPSS these proxies might be biased by microbial reworking. Procedures for correcting n-alkane ratios based on the odd over even predominance as reworking indicator have been developed. Hence, these studies highlight the limitations but also the persisting potential of innovative approaches from organic and isotope geochemistry in paleoenvironmental investigations of loess-paleosol sequences.
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Members of the Preprotein and Amino Acid Transporter Family Constitute Components of Novel Protein Import Pathways into Chloroplasts
(2011)
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Claudia Roßig
- In order to sustain their structure and metabolism, chloroplasts and other plastid types must import the majority of their proteins from the cytosol across the envelope membranes. Translocons at the outer and inner chloroplast envelope membranes, called TOC and TIC, were identified that mediate the import of proteins. N-terminal transit peptides essential for import of the protein precursors are cleaved after their entry into the stroma. It was thus far believed that all of the different cytosolic precursors would enter the chloroplast through the same, jointly acting TIC/TOC machineries. Recent evidence, however, suggests that multiple, regulated import pathways exist in plastids that involve different import machineries. Proteomics studies have revealed the presence of a large number of plastid proteins lacking predictable N-terminal transit sequences for import. The import mechanism for the majority of these proteins has not been determined yet. One example is the chloroplast envelope quinone oxidoreductase homologue, ceQORH. This protein is imported into the inner plastid envelope membrane by a TIC/TOC-independent pathway and without any proteolytic cleavage. In the present study 5 proteins were shown to interact with ceQORH during its import and were designated as ceQORH translocon components (QTC). One of these proteins, QTC24 (also called HP20), is a member of the PRAT family comprising preprotein and amino acid transporters found in chloroplasts, mitochondria and free-living bacteria. Different expression patterns and localization of PRAT proteins suggest that they are functionally diverse beyond their role in protein translocation. QTC24/HP20 is located in the outer plastid envelope membrane of chloroplasts where it establishes a hydrophilic translocation pore. Thus, chloroplasts contain besides TOC75 and OEP16-1 a third translocation channel component in their outer envelope membrane that functions in import of transit sequence-less inner envelope proteins. In vitro import into chloroplasts of corresponding isolated A. thaliana knock-out mutants revealed that the lack of HP20 could not be replaced by its close relative HP22. Athp20 plants had no phenotype when grown under standard green house conditions. However, minor defects during the very early stage of greening of etiolated seedlings were observed as the expression of mainly plastid-encoded proteins was delayed. These effects could be interpreted in terms of an impaired amino acid import at this stage of development. A second protein of the PRAT family, HP30, was further subject of this work. However, its role remains unclear at the moment. Isolated homozygous A. thaliana knock-out mutants of HP30 did not reveal any phenotype under the growth conditions analysed in this work. The preliminary investigation of stable RNA silencing mutants indicated that the function of HP30 and its close relative HP30-2 is important during the early stages of seedling development. Young leaves of respective mutant plants exhibited a chlorotic phenotype. A further member of the PRAT family is OEP16-1 that was initially identified as amino acid-selective protein channel. Other studies revealed its role as translocation pore for the PORA precursor. Analysis of the corresponding A. thaliana knock-out mutant to dissect these two mutually not exclusive functions has led to the description of different phenotypes. During a re-screen of the original seed stock, four independent OEP16-1-deficient mutant lines were isolated that exhibited different cell death properties. Two mutants contained elevated amounts of free protochlorophyllide (Pchlide) in darkness that was caused by a defect in the Pchlide-dependent import of PORA. Etiolated seedlings of these lines died after light exposure due to the production of singlet oxygen. The two other mutants did not accumulate excessive amounts of free Pchlide and greened normally. Two of the four mutant lines with seemingly no correlation between the lack of PORA and cell death were analysed in more detail in this thesis. Moreover, a complemented Atoep16-1 mutant that re-expressed functional OEP16-1 protein was shown to restore the wild-type phenotype including PORA import that prevented the accumulation of an excess of free Pchlide and singlet oxygen production upon light exposure of dark-grown seedlings.
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Prozessorganisation - Kritische Würdigung von Business Reengineering und Geschäftsprozessoptimierung für den Einsatz in Krankenhäusern
(2011)
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Andreas J. Reuschl
- Die Einführung der Diagnosis Related Groups hat in der deutschen Gesundheitsbranche starke Auswirkungen auf die finanzielle Situation von Krankenhäusern. Um den veränderten Rahmenbedingungen und den damit verbundenen Rationalisierungsansprüchen gerecht zu werden, versuchen Krankenhäuser eine Prozessorganisation einzuführen. Dieser Beitrag erläutert zunächst die Theorie zu Geschäftsprozessen und anschließend das unterschiedliche Vorgehen bei Geschäftsprozessoptimierungen und bei Business Reengineering. Das Vorgehen bei Business Reengineering wird exemplarisch an einem Fallbeispiel dargestellt. Abschließend werden beide Verfahren gegenübergestellt und für den Einsatz in Krankenhäusern kritisch verglichen. Dieser Beitrag bietet Akteuren im Krankenhausbereich einen Überblick über Prozesstheorie und die beiden gängigsten Verfahren der Prozessorganisation.
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Jahresbericht Universitätsbibliothek Bayreuth
(2011)
- Jahresbericht der Universitätsbibliothek Bayreuth - Berichtsjahr 2010
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Studies on the influence of different diets and rearing conditions on the development and growth of the two-spotted cricket Gryllus bimaculatus de Geer
(2011)
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Hassan Ibraik Hassan EL-Damanhouri
- •The effect of rearing conditions and different diets on larvae and adults of the two-spotted cricket, Gryllus bimaculatus de Geer (Orthoptera: Gryllidae), was studied. •The percent increase in body and ovary mass of adult females reared under crowded conditions was higher than that of those reared under isolated conditions. •Higher population density increased reproductive investment in adult females, regardless of the presence or absence of adult males. •The presence or absence of adult males appeared to have no significant effect on the pronotum width, increase in body mass, DLM mass and ovary mass of adult females. •Not only the population density plays an important role in morphological, physiological and behavioural changes, but also the absolute number of animals in a population may influence the above-mentioned parameters. •A strong positive correlation was found between increase in body and ovary mass and decrease in flight muscle and fat body mass; the loss of flight muscle and fat body mass is due to a high egg production. •Five different diets were used: standard diet (ca. 20 % protein, 4.5 % lipid, 45.5 % carbohydrate), modified standard diet (ca. 22 % protein, 6 % lipid, 42 % carbohydrate), and three semi-artificial diets, all containing 30 % protein but differing amounts of lipid (A: normal, B: low, C: high). •The amount of diet consumed highly depends on the type of diet given. •Weak relationships were obtained between increase in body mass and different amounts of diets consumed. •The amount of the different storage products in the fat body of 5-day-old adult females can be arranged in the following order: lipid, protein, glycogen and free carbohydrate. •The total lipid concentration in the haemolymph was generally much higher than carbohydrate concentration. •When fed on a high calory diet, the amount of food consumed was reduced. •When crickets were fed on artificial diets from penultimate larval stage, they displayed a lower increase in body mass and some reduction in flight muscle and ovary mass compared with crickets fed on artificial diet from the day of the adult moult only. •With respect to body and ovary mass, when fed to adult females modified standard diet was heartier, followed by diet A, B, C and standard diet. •When fed to penultimate larvae onwards, however, diets B and C resulted in a significantly reduced body and ovary mass. This indicates that when diets too low or too high in lipid content are fed for a longer period, cricket cannot compensate for it. •The development and reproductive investment of Gryllus bimaculatus shows a high degree of dependence on diet availability, diet quality and quantity, and food intake. Therefore, crickets raised on the different diets did not grow at equal rates. •The results unambiguously show that population density dramatically alters cricket behavioural, morphological and physiological characteristics; as a matter of fact there was a strong correlation between crowded conditions and an increase in metabolic rate, which in turn had an influence on the effects of different diets.
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Auswirkungen eines Ultralangstreckenlaufs auf ausgewählte physiologische und psychologische Parameter als mögliche Marker von Überbelastungen
(2011)
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Thomas Bossmann
- Problemstellung Überbelastungen stellen ein weit reichendes Problem im Leistungs- und ambitionierten Freizeitsport dar. Allgemein gültige Diagnoseparameter fehlen ebenso wie hinreichend verlässliche Parameter, die frühzeitige Warnhinweise bei zu hohen Belastungsfaktoren geben könnten und in der Trainingssteuerung einsetzbar sind. Für Ultralangstreckenläufer, die häufig mehrtägige Wettkämpfe absolvieren, sind besonders solche Parameter interessant, die sich im Feld und in nicht invasiver Form ermitteln lassen. Methode 6 TN ermittelten während einer Trainingsphase mit normalem Belastungsumfang, während eines 17-tägigen Ultramarathons (Deutschlandlauf) sowie während einer anschließenden Regenerationsphase täglich die morgendliche Ruheherzfrequenz, Parameter der Herzfrequenzvariabilität (HRV) sowie die psychische Befindlichkeit. Für jeden Parameter wurden zunächst Normbereiche festgelegt. Mittels Laktat-Stufentests wurde die maximale Leistungsfähigkeit der Teilnehmer zu drei unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt. Gleichzeitig wurden Diagnoseparameter einer Überbelastung vordefiniert und die Annahme formuliert, dass mindestens dreitägige Auslenkungen einzelner Parameter aus den während der ersten Messphase ermittelten Normwertbereichen dem Auftreten der Diagnoseparameter oder dem Abbruch des Laufs vorausgehen würden (kritische Ereignisse) Ergebnisse Vier der sechs untersuchten Sportler mussten den Lauf frühzeitig abbrechen, bei drei Sportlern wurden diagnoserelevante Veränderungen bezüglich einer Überbelastung dokumentiert. Bei den Abbrechern traten bereits während der Wettkampfphase kritisch erhöhte Ruheherzfrequenzwerte, eine kritisch erniedrigte Herzfrequenzvariabilität sowie eine kritisch verschlechterte Befindlichkeit auf. Die untersuchten Parameter reagierten individuell unterschiedlich, zeigten jedoch bereits frühzeitig Auslenkungen an, die dem Abbruch des Laufs bzw. Diagnoseparametern einer Überbelastung voraus gingen. Alle Teilnehmer zeigten während der Regenerationsphase Veränderungen, die auf eine erhöhte sympathische Aktivität schließen lassen.
