Recovering speech in the absence of the acoustic speech signal itself, i.e., silent speech, holds great potential for restoring or enhancing oral communication in those who lost it. Radar is a relatively unexplored silent speech sensing modality, even though it has the advantage of being fully non-invasive. We therefore built a custom stepped frequency continuous wave radar hardware to measure the changes in the transmission spectra during speech between three antennas, located on both cheeks and the chin with a measurement update rate of 100 Hz. We then recorded a command word corpus of 40 phonetically balanced, two-syllable German words and the German digits zero to nine for two individual speakers and evaluated both the speaker-dependent multi-session and inter-session recognition accuracies on this 50-word corpus using a bidirectional long-short term memory network. We obtained recognition accuracies of 99.17% and 88.87% for the speaker-dependent multi-session and inter-session accuracy, respectively. These results show that the transmission spectra are very well suited to discriminate individual words from one another, even across different sessions, which is one of the key challenges for fully non-invasive silent speech interfaces.

An in vitro experiment on the dissolved oxygen transport during liquid ventilation by means of measuring global oxygen concentration fields is presented within this work. We consider the flow in an idealized four generation model of the human airways in a range of peak Reynolds numbers of Re=500–3400 and Womersley numbers of α=3–5. Fluorescence quenching measurements were employed in order to visualize and quantify the oxygen distribution with high temporal and spatial resolution during the breathing cycle. Measurements with varying tidal volumes and oscillating frequencies reveal short living times of characteristic concentration patterns for all parameter variations. Similarities to typical velocity patterns in similar lung models persist only in early phases during each cycle. Concentration gradients are quickly homogenized by secondary motions within the lung model. A strong dependency of peak oxygen concentration on tidal volume is observed with considerably higher relative concentrations for higher tidal volumes.

Der Einsatz numerischer Simulationen zur Bearbeitung klinischer Fragestellungen ist eine innovative Vorgehensweise. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Auswertung von Ergebnissen einer Finite-Elemente-Analyse zum Stentgraftverhalten konzipiert, implementiert und im Rahmen einer deutschlandweiten Benutzerstudie getestet. Für einen Vergleich unterschiedlicher Stentgraftkonfigurationen im Kontext mit dem patientenspezifischen Gefäß wurden Stentgraftbewertungsgrößen eingeführt. Hierzu gehören die Fixierungskraft und der Kontaktstatus zwischen Stentringen und Blutgefäßbestandteilen. Für eine Bereitstellung der Ergebnisgrößen im gefäßmedizinischen Arbeitsumfeld wurde eine graphische Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt. Diese ermöglicht eine quantitative und qualitative Auswertung von Stentgraftbewertungsgrößen. Hierfür wurden Module zur automatisierten Auswertung von Fixierungskräften sowie zur 2D- und 3D- Ergebnisvisualisierung implementiert. Im Rahmen der Benutzerstudie wurde die Anwendung der entwickelten Methode für die Ermittlung des Einsatzpotenzials numerischer Simulationen zur Unterstützung der Stentgraftauswahl demonstriert. Im Ergebnis wurde als wesentliches Einsatzpotenzial die Festlegung eines Mindestmaßes an Überdimensionierung, die Optimierung der Schenkellänge sowie der Ver- gleich unterschiedlicher Stentgraftdesigns ermittelt. Weiterhin konnten grundlegende Anforderungen an ein System zur Generierung und Bewertung von Stentgraftkonfigurationen im klinischen Alltag definiert werden. Zu den wesentlichen Funktionen, die der Implanteur für einen Vergleich von Stentgrafts benötigt, zählen eine Übersichtskarte zu farbkodiertem Migrationsrisiko pro Stentgraft und Landungszone, die Visualisierung des Abdichtungszustandes der Stentkomponenten sowie die Darstellung von Stentgraft- und Gefäßdeformationen im 3D-Modell.

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Der Einsatz numerischer Simulationen zur Bearbeitung klinischer Fragestellungen ist eine innovative Vorgehensweise. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Auswertung von Ergebnissen einer Finite-Elemente-Analyse zum Stentgraftverhalten konzipiert, implementiert und im Rahmen einer deutschlandweiten Benutzerstudie getestet. Für einen Vergleich unterschiedlicher Stentgraftkonfigurationen im Kontext mit dem patientenspezifischen Gefäß wurden Stentgraftbewertungsgrößen eingeführt. Hierzu gehören die Fixierungskraft und der Kontaktstatus zwischen Stentringen und Blutgefäßbestandteilen. Für eine Bereitstellung der Ergebnisgrößen im gefäßmedizinischen Arbeitsumfeld wurde eine graphische Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt. Diese ermöglicht eine quantitative und qualitative Auswertung von Stentgraftbewertungsgrößen. Hierfür wurden Module zur automatisierten Auswertung von Fixierungskräften sowie zur 2D- und 3D- Ergebnisvisualisierung implementiert. Im Rahmen der Benutzerstudie wurde die Anwendung der entwickelten Methode für die Ermittlung des Einsatzpotenzials numerischer Simulationen zur Unterstützung der Stentgraftauswahl demonstriert. Im Ergebnis wurde als wesentliches Einsatzpotenzial die Festlegung eines Mindestmaßes an Überdimensionierung, die Optimierung der Schenkellänge sowie der Ver- gleich unterschiedlicher Stentgraftdesigns ermittelt. Weiterhin konnten grundlegende Anforderungen an ein System zur Generierung und Bewertung von Stentgraftkonfigurationen im klinischen Alltag definiert werden. Zu den wesentlichen Funktionen, die der Implanteur für einen Vergleich von Stentgrafts benötigt, zählen eine Übersichtskarte zu farbkodiertem Migrationsrisiko pro Stentgraft und Landungszone, die Visualisierung des Abdichtungszustandes der Stentkomponenten sowie die Darstellung von Stentgraft- und Gefäßdeformationen im 3D-Modell.

Although liquid ventilation has been researched and studied for the last six decades, it did not achieve its expected optimal performance. Within this work, a deeper understanding of the fluid dynamics during liquid ventilation shall be gathered to extend the already available clinical knowledge about this ventilation strategy. In order to reach this goal, advanced optical flow measurement techniques are applied in different models of the human conductive airways to obtain global velocity fields, identifying prominent flow structures and to determine important dissolved oxygen transport paths. As the velocity measurements revealed, the evolving flow field is strongly dominated by secondary flow effects and is highly dependent on the local airway geometry. During the visualization experiments of the dissolved oxygen concentration fields, different transportation paths occur at inspirational and expirational flow. The initial concentration distribution can be linked to the underlying flow fields but decouples after the peak velocity phases. With higher flow rates/ tidal volumes, a more homogeneously distributed oxygen concentration can be reached.:List of Figures ....................................................................................... VII List of Tables ........................................................................................XIII Nomenclature ........................................................................................ XV 1 Introduction......................................................................................... 1 1.1 Motivation ........................................................................................1 1.2 Research objectives........................................................................... 3 1.3 Outline............................................................................................ 4 2 State of the art .................................................................................... 5 2.1 Liquid Ventilation............................................................................. 5 2.2 In vitro modeling.............................................................................. 8 2.3 Flow measurements ......................................................................... 11 2.4 Gas transport..................................................................................13 3 Flow field measurements ................................................................... 16 3.1 Hydrodynamic Model.......................................................................16 3.1.1 Lung replica ..........................................................................16 3.1.2 Flow parameter .....................................................................18 3.1.3 Limitations ...........................................................................22 3.2 Particle Tracking Velocimetry (PTV) ................................................24 3.2.1 Measurement principle ...........................................................24 3.2.2 Double-frame 2D-PTV ...........................................................25 3.2.3 Time-resolved 3D-PTV ..........................................................28 3.2.4 Phase-locked ensemble PTV ................................................... 31 3.3 Experimental set-up and measurement procedure ...............................33 3.3.1 Lung flow facility...................................................................33 3.3.2 2D-PTV configuration............................................................36 3.3.3 3D-PTV configuration............................................................36 3.4 Results & Discussion........................................................................38 3.4.1 Artificial lung........................................................................38 3.4.2 Realistic lung ........................................................................52 3.5 Conclusion ......................................................................................59 4 Oxygen transport ...............................................................................61 4.1 Hydrodynamic Model....................................................................... 61 4.1.1 Lung replica .......................................................................... 61 4.1.2 Flow parameter .....................................................................62 4.1.3 Limitations ...........................................................................65 4.2 Oxygen Sensitive Dye ......................................................................66 4.3 Experimental set-up......................................................................... 71 4.4 Results & Discussion........................................................................75 4.4.1 Constant flow rate .................................................................75 4.4.2 Oscillatory flow .....................................................................83 4.5 Conclusion ......................................................................................90 5 Summary............................................................................................ 92 6 Outlook .............................................................................................. 95 Bibliography ............................................................................................ 97 / Trotz intensiver Forschung in den letzten sechs Jahrzehnten, befindet sich die Flüssigkeitsbeatmung immernoch weit entfernt vom klinischen Alltag. Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, um das Wissen um die strömungsmechanischen Effekte während der Flüssigkeitsbeatmung zu vertiefen. Dazu werden verschiedene Modellexperimente durchgeführt, bei welchen moderne laseroptische Strömungsmessmethoden zum Einsatz kommen. Untersucht werden dabei unterschiedlich komplexe Geometrien der leitenden menschlichen Atemwege mit dem Ziel wesentliche Strömungsstrukturen, globale Geschwindigkeitsfelder und wichtige Transportwege des gelösten Sauerstoffs zu identifiziern. Die Geschwindigkeitsmessungen zeigen ein stark durch sekundäre Strömungseffekte dominiertes Geschwindigkeitsfeld, welches wesentlich von der lokalen Geometrie abhängig ist. Durch die qualitative und quantitative Erfassung der gelösten Sauerstoffkonzentrationsfelder können wichtige Transportwege aufgedeckt werden. Diese unterscheiden sich deutlich zwischen inspiratorischer und expiratorischer Strömungsrichtung. Die initialen Konzentrationsfelder stimmen mit den unterliegenden Geschwindigkeitsfeldern überein, unterscheiden sich ab der verzögernden Strömungsphase jedoch. Höhere Volumenströme/Tidalvolumen tragen dabei zu einer gleichmäßigeren Konzentrationsverteilung bei.:List of Figures ....................................................................................... VII List of Tables ........................................................................................XIII Nomenclature ........................................................................................ XV 1 Introduction......................................................................................... 1 1.1 Motivation ........................................................................................1 1.2 Research objectives........................................................................... 3 1.3 Outline............................................................................................ 4 2 State of the art .................................................................................... 5 2.1 Liquid Ventilation............................................................................. 5 2.2 In vitro modeling.............................................................................. 8 2.3 Flow measurements ......................................................................... 11 2.4 Gas transport..................................................................................13 3 Flow field measurements ................................................................... 16 3.1 Hydrodynamic Model.......................................................................16 3.1.1 Lung replica ..........................................................................16 3.1.2 Flow parameter .....................................................................18 3.1.3 Limitations ...........................................................................22 3.2 Particle Tracking Velocimetry (PTV) ................................................24 3.2.1 Measurement principle ...........................................................24 3.2.2 Double-frame 2D-PTV ...........................................................25 3.2.3 Time-resolved 3D-PTV ..........................................................28 3.2.4 Phase-locked ensemble PTV ................................................... 31 3.3 Experimental set-up and measurement procedure ...............................33 3.3.1 Lung flow facility...................................................................33 3.3.2 2D-PTV configuration............................................................36 3.3.3 3D-PTV configuration............................................................36 3.4 Results & Discussion........................................................................38 3.4.1 Artificial lung........................................................................38 3.4.2 Realistic lung ........................................................................52 3.5 Conclusion ......................................................................................59 4 Oxygen transport ...............................................................................61 4.1 Hydrodynamic Model....................................................................... 61 4.1.1 Lung replica .......................................................................... 61 4.1.2 Flow parameter .....................................................................62 4.1.3 Limitations ...........................................................................65 4.2 Oxygen Sensitive Dye ......................................................................66 4.3 Experimental set-up......................................................................... 71 4.4 Results & Discussion........................................................................75 4.4.1 Constant flow rate .................................................................75 4.4.2 Oscillatory flow .....................................................................83 4.5 Conclusion ......................................................................................90 5 Summary............................................................................................ 92 6 Outlook .............................................................................................. 95 Bibliography ............................................................................................ 97

Stains and stained incipient lesions can be challenging to differentiate with established clinical tools. New diagnostic techniques are required for improved distinction to enable early noninvasive treatment. This in vitro study evaluates the performance of artificial intelligence (AI)-based classification of hyperspectral imaging data for early occlusal lesion detection and differentiation from stains. Sixty-five extracted permanent human maxillary and mandibular bicuspids and molars (International Caries Detection and Assessment System [ICDAS] II 0–4) were imaged with a hyperspectral camera (Diaspective Vision TIVITA® Tissue, Diaspective Vision, Pepelow, Germany) at a distance of 350 mm, acquiring spatial and spectral information in the wavelength range 505–1000 nm; 650 fissural spectra were used to train classification algorithms (models) for automated distinction between stained but sound enamel and stained lesions. Stratified 10-fold cross-validation was used. The model with the highest classification performance, a fine k-nearest neighbor classification algorithm, was used to classify five additional tooth fissural areas. Polarization microscopy of ground sections served as reference. Compared to stained lesions, stained intact enamel showed higher reflectance in the wavelength range 525–710 nm but lower reflectance in the wavelength range 710–1000 nm. A fine k-nearest neighbor classification algorithm achieved the highest performance with a Matthews correlation coefficient (MCC) of 0.75, a sensitivity of 0.95 and a specificity of 0.80 when distinguishing between intact stained and stained lesion spectra. The superposition of color-coded classification results on further tooth occlusal projections enabled qualitative assessment of the entire fissure’s enamel health. AI-based evaluation of hyperspectral images is highly promising as a complementary method to visual and radiographic examination for early occlusal lesion detection.

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