On Quantifying Local Geometric Structures of Fiber Tracts

International audienceIn diffusion MRI, fiber tracts, represented by densely distributed 3D curves, can be estimated from diffusion weighted images using tractography. The spatial geometric structure of white matter fiber tracts is known to be complex in human brain, but it carries intrinsic information of human brain. In this paper, inspired by studies of liquid crystals, we propose tract-based director field analysis (tDFA) with total six rotationally invariant scalar indices to quantify local geometric structures of fiber tracts. The contributions of tDFA include: 1) We propose orientational order (OO) and orientational dispersion (OD) indices to quantify the degree of alignment and dispersion of fiber tracts; 2) We define the local orthogonal frame for a set of unoriented curves, which is proved to be a generalization of the Frenet frame defined for a single oriented curve; 3) With the local orthogonal frame, we propose splay, bend, and twist indices to quantify three types of orientational distortion of local fiber tracts, and a total distortion index to describe distortions of all three types. The proposed tDFA for fiber tracts is a generalization of the voxel-based DFA (vDFA) which was recently proposed for a spherical function field (i.e., an ODF field). To our knowledge, this is the first work to quantify orientational distortion (splay, bend, twist, and total distortion) of fiber tracts. Experiments show that the proposed scalar indices are useful descriptors of local geometric structures to visualize and analyze fiber tracts

Unified representation of tractography and diffusion-weighted MRI data using sparse multidimensional arrays

Recently, linear formulations and convex optimization methods have been proposed to predict diffusion-weighted Magnetic Resonance Imaging (dMRI) data given estimates of brain connections generated using tractography algorithms. The size of the linear models comprising such methods grows with both dMRI data and connectome resolution, and can become very large when applied to modern data. In this paper, we introduce a method to encode dMRI signals and large connectomes, i.e., those that range from hundreds of thousands to millions of fascicles (bundles of neuronal axons), by using a sparse tensor decomposition. We show that this tensor decomposition accurately approximates the Linear Fascicle Evaluation (LiFE) model, one of the recently developed linear models. We provide a theoretical analysis of the accuracy of the sparse decomposed model, LiFE_SD, and demonstrate that it can reduce the size of the model significantly. Also, we develop algorithms to implement the optimization solver using the tensor representation in an efficient way.Fil: Caiafa, César Federico. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas. Instituto Argentino de Radioastronomía. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto Argentino de Radioastronomía; Argentina. Indiana University; Estados UnidosFil: Sporns, Olaf. Indiana University; Estados UnidosFil: Saykin, Andy. Indiana University; Estados UnidosFil: Pestilli, Franco. Indiana University; Estados Unidos31st Conference on Neural Information Processing SystemsLong BeachEstados UnidosNational Science Foundatio

Higher-Order Tensors and Differential Topology in Diffusion MRI Modeling and Visualization

Diffusion Weighted Magnetic Resonance Imaging (DW-MRI) is a noninvasive method for creating three-dimensional scans of the human brain. It originated mostly in the 1970s and started its use in clinical applications in the 1980s. Due to its low risk and relatively high image quality it proved to be an indispensable tool for studying medical conditions as well as for general scientific research. For example, it allows to map fiber bundles, the major neuronal pathways through the brain. But all evaluation of scanned data depends on mathematical signal models that describe the raw signal output and map it to biologically more meaningful values. And here we find the most potential for improvement. In this thesis we first present a new multi-tensor kurtosis signal model for DW-MRI. That means it can detect multiple overlapping fiber bundles and map them to a set of tensors. Compared to other already widely used multi-tensor models, we also add higher order kurtosis terms to each fiber. This gives a more detailed quantification of fibers. These additional values can also be estimated by the Diffusion Kurtosis Imaging (DKI) method, but we show that these values are drastically affected by fiber crossings in DKI, whereas our model handles them as intrinsic properties of fiber bundles. This reduces the effects of fiber crossings and allows a more direct examination of fibers. Next, we take a closer look at spherical deconvolution. It can be seen as a generalization of multi-fiber signal models to a continuous distribution of fiber directions. To this approach we introduce a novel mathematical constraint. We show, that state-of-the-art methods for estimating the fiber distribution become more robust and gain accuracy when enforcing our constraint. Additionally, in the context of our own deconvolution scheme, it is algebraically equivalent to enforcing that the signal can be decomposed into fibers. This means, tractography and other methods that depend on identifying a discrete set of fiber directions greatly benefit from our constraint. Our third major contribution to DW-MRI deals with macroscopic structures of fiber bundle geometry. In recent years the question emerged, whether or not, crossing bundles form two-dimensional surfaces inside the brain. Although not completely obvious, there is a mathematical obstacle coming from differential topology, that prevents general tangential planes spanned by fiber directions at each point to be connected into consistent surfaces. Research into how well this constraint is fulfilled in our brain is hindered by the high precision and complexity needed by previous evaluation methods. This is why we present a drastically simpler method that negates the need for precisely finding fiber directions and instead only depends on the simple diffusion tensor method (DTI). We then use our new method to explore and improve streamsurface visualization.<br /

Innovative micro-NMR/MRI functionality utilizing flexible electronics and control systems

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor. Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. Die behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte

Anisotropy Across Fields and Scales

This open access book focuses on processing, modeling, and visualization of anisotropy information, which are often addressed by employing sophisticated mathematical constructs such as tensors and other higher-order descriptors. It also discusses adaptations of such constructs to problems encountered in seemingly dissimilar areas of medical imaging, physical sciences, and engineering. Featuring original research contributions as well as insightful reviews for scientists interested in handling anisotropy information, it covers topics such as pertinent geometric and algebraic properties of tensors and tensor fields, challenges faced in processing and visualizing different types of data, statistical techniques for data processing, and specific applications like mapping white-matter fiber tracts in the brain. The book helps readers grasp the current challenges in the field and provides information on the techniques devised to address them. Further, it facilitates the transfer of knowledge between different disciplines in order to advance the research frontiers in these areas. This multidisciplinary book presents, in part, the outcomes of the seventh in a series of Dagstuhl seminars devoted to visualization and processing of tensor fields and higher-order descriptors, which was held in Dagstuhl, Germany, on October 28–November 2, 2018

Anisotropy Across Fields and Scales

This open access book focuses on processing, modeling, and visualization of anisotropy information, which are often addressed by employing sophisticated mathematical constructs such as tensors and other higher-order descriptors. It also discusses adaptations of such constructs to problems encountered in seemingly dissimilar areas of medical imaging, physical sciences, and engineering. Featuring original research contributions as well as insightful reviews for scientists interested in handling anisotropy information, it covers topics such as pertinent geometric and algebraic properties of tensors and tensor fields, challenges faced in processing and visualizing different types of data, statistical techniques for data processing, and specific applications like mapping white-matter fiber tracts in the brain. The book helps readers grasp the current challenges in the field and provides information on the techniques devised to address them. Further, it facilitates the transfer of knowledge between different disciplines in order to advance the research frontiers in these areas. This multidisciplinary book presents, in part, the outcomes of the seventh in a series of Dagstuhl seminars devoted to visualization and processing of tensor fields and higher-order descriptors, which was held in Dagstuhl, Germany, on October 28–November 2, 2018

Retainer-Free Optopalatographic Device Design and Evaluation as a Feedback Tool in Post-Stroke Speech and Swallowing Therapy

Stroke is one of the leading causes of long-term motor disability, including oro-facial impairments which affect speech and swallowing. Over the last decades, rehabilitation programs have evolved from utilizing mainly compensatory measures to focusing on recovering lost function. In the continuing effort to improve recovery, the concept of biofeedback has increasingly been leveraged to enhance self-efficacy, motivation and engagement during training. Although both speech and swallowing disturbances resulting from oro-facial impairments are frequent sequelae of stroke, efforts to develop sensing technologies that provide comprehensive and quantitative feedback on articulator kinematics and kinetics, especially those of the tongue, and specifically during post-stroke speech and swallowing therapy have been sparse. To that end, such a sensing device needs to accurately capture intraoral tongue motion and contact with the hard palate, which can then be translated into an appropriate form of feedback, without affecting tongue motion itself and while still being light-weight and portable. This dissertation proposes the use of an intraoral sensing principle known as optopalatography to provide such feedback while also exploring the design of optopalatographic devices itself for use in dysphagia and dysarthria therapy. Additionally, it presents an alternative means of holding the device in place inside the oral cavity with a newly developed palatal adhesive instead of relying on dental retainers, which previously limited device usage to a single person. The evaluation was performed on the task of automatically classifying different functional tongue exercises from one another with application in dysphagia therapy, whereas a phoneme recognition task was conducted with application in dysarthria therapy. Results on the palatal adhesive suggest that it is indeed a valid alternative to dental retainers when device residence time inside the oral cavity is limited to several tens of minutes per session, which is the case for dysphagia and dysarthria therapy. Functional tongue exercises were classified with approximately 61 % accuracy across subjects, whereas for the phoneme recognition task, tense vowels had the highest recognition rate, followed by lax vowels and consonants. In summary, retainer-free optopalatography has the potential to become a viable method for providing real-time feedback on tongue movements inside the oral cavity, but still requires further improvements as outlined in the remarks on future development.:1 Introduction 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Problem statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Goals and contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 Scope and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Basics of post-stroke speech and swallowing therapy 2.1 Dysarthria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 Dysphagia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 Treatment rationale and potential of biofeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4 Summary and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3 Tongue motion sensing 3.1 Contact-based methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.1 Electropalatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.2 Manometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1.3 Capacitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Non-contact based methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1 Electromagnetic articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.2 Permanent magnetic articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.3 Optopalatography (related work) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3 Electro-optical stomatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4 Extraoral sensing techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5 Summary, comparison and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4 Fundamentals of optopalatography 4.1 Important radiometric quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.1 Solid angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.2 Radiant flux and radiant intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.1.3 Irradiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.1.4 Radiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.2 Sensing principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.2.1 Analytical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2.2 Monte Carlo ray tracing methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2.3 Data-driven models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.4 Model comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 A priori device design consideration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Optoelectronic components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.2 Additional electrical components and requirements . . . . . . . . . . . . 43 4.3.3 Intraoral sensor layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5 Intraoral device anchorage 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.1.1 Mucoadhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.1.2 Considerations for the palatal adhesive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.2.1 Polymer selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.2.2 Fabrication method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.2.3 Formulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.2.4 PEO tablets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.2.5 Connection to the intraoral sensor’s encapsulation . . . . . . . . . . . . 50 5.2.6 Formulation evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.3.1 Initial formulation evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.3.2 Final OPG adhesive formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6 Initial device design with application in dysphagia therapy 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6.2 Optode and optical sensor selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.2.1 Optode and optical sensor evaluation procedure . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2.2 Selected optical sensor characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.2.3 Mapping from counts to millimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.2.4 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.3 Device design and hardware implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.3.1 Block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.3.2 Optode placement and circuit board dimensions . . . . . . . . . . . . . 64 6.3.3 Firmware description and measurement cycle . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.3.4 Encapsulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.3.5 Fully assembled OPG device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.4 Evaluation on the gesture recognition task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.4.1 Exercise selection, setup and recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.4.2 Data corpus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.4.3 Sequence pre-processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.4.4 Choice of classifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.4.5 Training and evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.4.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 7 Improved device design with application in dysarthria therapy 7.1 Device design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.1.1 Design considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.1.2 General system overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.1.3 Intraoral sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.1.4 Receiver and controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 7.1.5 Multiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7.2 Hardware implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 7.2.1 Optode placement and circuit board layout . . . . . . . . . . . . . . . . 87 7.2.2 Encapsulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 7.3 Device characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.3.1 Photodiode transient response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 7.3.2 Current source and rise time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 7.3.3 Multiplexer switching speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 7.3.4 Measurement cycle and firmware implementation . . . . . . . . . . . . . 93 7.3.5 In vitro measurement accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7.3.6 Optode measurement stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.4 Evaluation on the phoneme recognition task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.4.1 Corpus selection and recording setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.4.2 Annotation and sensor data post-processing . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.4.3 Mapping from counts to millimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.4.4 Classifier and feature selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 7.4.5 Evaluation paradigms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 7.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 7.5.1 Tongue distance curve prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 7.5.2 Tongue contact patterns and contours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 7.5.3 Phoneme recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8 Conclusion and future work 115 9 Appendix 9.1 Analytical light transport models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 9.2 Meshed Monte Carlo method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 9.3 Laser safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 9.4 Current source modulation voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9.5 Transimpedance amplifier’s frequency responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9.6 Initial OPG device’s PCB layout and circuit diagrams . . . . . . . . . . . . . . 127 9.7 Improved OPG device’s PCB layout and circuit diagrams . . . . . . . . . . . . 129 9.8 Test station layout drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Bibliography 152Der Schlaganfall ist eine der häufigsten Ursachen für motorische Langzeitbehinderungen, einschließlich solcher im Mund- und Gesichtsbereich, deren Folgen u.a. Sprech- und Schluckprobleme beinhalten, welche sich in den beiden Symptomen Dysarthrie und Dysphagie äußern. In den letzten Jahrzehnten haben sich Rehabilitationsprogramme für die Behandlung von motorisch ausgeprägten Schlaganfallsymptomatiken substantiell weiterentwickelt. So liegt nicht mehr die reine Kompensation von verlorengegangener motorischer Funktionalität im Vordergrund, sondern deren aktive Wiederherstellung. Dabei hat u.a. die Verwendung von sogenanntem Biofeedback vermehrt Einzug in die Therapie erhalten, um Motivation, Engagement und Selbstwahrnehmung von ansonsten unbewussten Bewegungsabläufen seitens der Patienten zu fördern. Obwohl jedoch Sprech- und Schluckstörungen eine der häufigsten Folgen eines Schlaganfalls darstellen, wird diese Tatsache nicht von der aktuellen Entwicklung neuer Geräte und Messmethoden für quantitatives und umfassendes Biofeedback reflektiert, insbesondere nicht für die explizite Erfassung intraoraler Zungenkinematik und -kinetik und für den Anwendungsfall in der Schlaganfalltherapie. Ein möglicher Grund dafür liegt in den sehr strikten Anforderungen an ein solche Messmethode: Sie muss neben Portabilität idealerweise sowohl den Kontakt zwischen der Zunge und dem Gaumen, als auch die dreidimensionale Bewegung der Zunge in der Mundhöhle erfassen, ohne dabei die Artikulation selbst zu beeinflussen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird in dieser Dissertation das Messprinzip der Optopalatographie untersucht, mit dem Schwerpunkt auf der Anwendung in der Dysarthrie- und Dysphagietherapie. Dies beinhaltet auch die Entwicklung eines entsprechenden Gerätes sowie dessen Befestigungsmethode in der Mundhöhle über ein dediziertes Mundschleimhautadhäsiv. Letzteres umgeht das bisherige Problem der notwendigen Anpassung eines solchen intraoralen Gerätes an einen einzelnen Nutzer. Für die Anwendung in der Dysphagietherapie erfolgte die Evaluation anhand einer automatischen Erkennung von Mobilisationsübungen der Zunge, welche routinemäßig in der funktionalen Dysphagietherapie durchgeführt werden. Für die Anwendung in der Dysarthrietherapie wurde eine Lauterkennung durchgeführt. Die Resultate bezüglich der Verwendung des Mundschleimhautadhäsives suggerieren, dass dieses tatsächlich eine valide Alternative zu den bisher verwendeten Techniken zur Befestigung intraoraler Geräte in der Mundhöhle darstellt. Zungenmobilisationsübungen wurden über Probanden hinweg mit einer Rate von 61 % erkannt, wogegen in der Lauterkennung Langvokale die höchste Erkennungsrate erzielten, gefolgt von Kurzvokalen und Konsonanten. Zusammenfassend lässt sich konstatieren, dass das Prinzip der Optopalatographie eine ernstzunehmende Option für die intraorale Erfassung von Zungenbewegungen darstellt, wobei weitere Entwicklungsschritte notwendig sind, welche im Ausblick zusammengefasst sind.:1 Introduction 1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Problem statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Goals and contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4 Scope and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Basics of post-stroke speech and swallowing therapy 2.1 Dysarthria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 Dysphagia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 Treatment rationale and potential of biofeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4 Summary and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3 Tongue motion sensing 3.1 Contact-based methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.1 Electropalatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.2 Manometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.1.3 Capacitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Non-contact based methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1 Electromagnetic articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.2 Permanent magnetic articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.2.3 Optopalatography (related work) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3 Electro-optical stomatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4 Extraoral sensing techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5 Summary, comparison and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4 Fundamentals of optopalatography 4.1 Important radiometric quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.1 Solid angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.2 Radiant flux and radiant intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.1.3 Irradiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.1.4 Radiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.2 Sensing principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.2.1 Analytical models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2.2 Monte Carlo ray tracing methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2.3 Data-driven models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.4 Model comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 A priori device design consideration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Optoelectronic components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.2 Additional electrical components and requirements . . . . . . . . . . . . 43 4.3.3 Intraoral sensor layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5 Intraoral device anchorage 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.1.1 Mucoadhesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.1.2 Considerations for the palatal adhesive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.2.1 Polymer selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.2.2 Fabrication method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.2.3 Formulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.2.4 PEO tablets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.2.5 Connection to the intraoral sensor’s encapsulation . . . . . . . . . . . . 50 5.2.6 Formulation evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.3.1 Initial formulation evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.3.2 Final OPG adhesive formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6 Initial device design with application in dysphagia therapy 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6.2 Optode and optical sensor selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.2.1 Optode and optical sensor evaluation procedure . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2.2 Selected optical sensor characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.2.3 Mapping from counts to millimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.2.4 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.3 Device design and hardware implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.3.1 Block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.3.2 Optode placement and circuit board dimensions . . . . . . . . . . . . . 64 6.3.3 Firmware description and measurement cycle . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.3.4 Encapsulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.3.5 Fully assembled OPG device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.4 Evaluation on the gesture recognition task . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.4.1 Exercise selection, setup and recording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.4.2 Data corpus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.4.3 Sequence pre-processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.4.4 Choice of classifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6.4.5 Training and evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.4.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 7 Improved device design with application in dysarthria therapy 7.1 Device design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.1.1 Design considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.1.2 General system overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.1.3 Intraoral sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 7.1.4 Receiver and controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 7.1.5 Multiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7.2 Hardware implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13th International Bologna Conference on Magnetic Resonance in Porous Media - Bologna 2016 Conference Handbook and Book of Abstracts

This conference series, founded at the University of Bologna in 1990 and now at the 13th edition, is devoted to the progress in Magnetic Resonance in Porous Media and in our understanding of Porous Media themselves, and to stimulate the contact among people from various parts of Academia and Industry. Researchers in Physics, Chemistry, Engineering, Life Sciences, Mathematics, Computer Sciences, and in Industrial Applications will benefit from exchange of ideas, experiences, and new approaches. Topics will include innovative techniques to study structure, behavior of fluids, and their interactions in every kind of natural and artificial porous materials, including rocks, cements, biological tissues, foodstuffs, wood, particle packs, sediments, pharmaceuticals, zeolites, and bioconstructs. New data acquisition and processing techniques are also expected to be strong features