Self-stabilizing Overlays for high-dimensional Monotonic Searchability

We extend the concept of monotonic searchability for self-stabilizing systems from one to multiple dimensions. A system is self-stabilizing if it can recover to a legitimate state from any initial illegal state. These kind of systems are most often used in distributed applications. Monotonic searchability provides guarantees when searching for nodes while the recovery process is going on. More precisely, if a search request started at some node $u$ succeeds in reaching its destination $v$, then all future search requests from $u$ to $v$ succeed as well. Although there already exists a self-stabilizing protocol for a two-dimensional topology and an universal approach for monotonic searchability, it is not clear how both of these concepts fit together effectively. The latter concept even comes with some restrictive assumptions on messages, which is not the case for our protocol. We propose a simple novel protocol for a self-stabilizing two-dimensional quadtree that satisfies monotonic searchability. Our protocol can easily be extended to higher dimensions and offers routing in $\mathcal O(\log n)$ hops for any search request

Bilateral Functional Electrical Stimulation for the Treatment of Presbyphonia in a Sheep Model

Objectives: The aim of the study was to increase muscle volume and improve phonation characteristics of the aged ovine larynx by functional electrical stimulation (FES) using a minimally invasive surgical procedure. Methods: Stimulation electrodes were placed bilaterally near the terminal adduction branch of the recurrent laryngeal nerves (RLN). The electrodes were connected to battery powered pulse generators implanted subcutaneously at the neck region. Training patterns were programmed by an external programmer using a bidirectional radio frequency link. Training sessions were repeated automatically by the implant every other day for 1 week followed by every day for 8 weeks in the awake animal. Another group of animals were used as sham, with electrodes positioned but not connected to an implant. Outcome parameters included gene expression analysis, histological assessment of muscle fiber size, functional analysis, and volumetric measurements based on three-dimensional reconstructions of the entire thyroarytenoid muscle (TAM). Results: Increase in minimal muscle fiber diameter and an improvement in vocal efficiency were observed following FES, compared with sham animals. Conclusion: This is the first study to demonstrate beneficial effects in the TAM of FES at molecular, histological, and functional levels. FES of the terminal branches of the RLN reversed the effects of age-related changes and improved vocal efficiency

Nachbildung der Diplophonie in einem künstlichen Kehlkopfmodell

Hintergrund: Geometrische Strömungsrandbedingungen oberhalb der Stimmlippen haben großen Einfluss auf das supraglottische Strömungsfeld und die Schallerzeugung (Kniesburges et al. 2013). Im künstlichen Kehlkopfmodell konnten neben den harmonischen Tönen der symmetrischen Stimmlippenschwingungen zusätzliche, subharmonische Töne festgestellt werden, die charakteristisch für Diplophonie sind. Die Frequenz der subharmonischen Töne lag immer exakt in der Mitte zweier harmonischer Töne. Ihre Lautstärke war dabei abhängig vom transversalen Durchmesser des supraglottischen Ansatzrohrs, d.h. den Strömungsrandbedingungen.Material und Methoden: Das künstliche Kehlkopfmodell enthält Silikonstimmlippen, die bei Frequenzen zwischen 100 und 150 Hz symmetrisch mit Glottisschluss schwingen. Der transversale Durchmesser des supraglottischen Ansatzrohrs wurde systematisch variiert. Um Hinweise auf die subharmonische Schallentstehung im Strömungsfeld zu erhalten, wurden 40 Drucksensoren im supraglottischen Ansatzrohr eingebracht, mit denen der statische Strömungsdruck zeitlich hoch aufgelöst gemessen wurde. Zusätzlich wurde der abgestrahlte Schall detektiert.Ergebnisse: Die Frequenzanalyse des supraglottischen Strömungsdrucks zeigt in Fällen mit subharmonischen Tönen einen sehr kleinen Peak bei der halben Schwingungsfrequenz der Stimmlippen, der aber im Frequenzspektrum des abgestrahlten Schalls nicht zu sehen ist. Dieser Peak ist auf eine zyklische Änderung des Druckniveaus im Strömungsfeld unmittelbar oberhalb der Stimmlippen zurückzuführen. Durch Visualisierung des supraglottischen Strömungsfeldes konnte diese Druckänderung mit ebenfalls zyklischen Lageänderungen des glottischen Freistrahls begründet werden.Fazit: Die Ergebnisse legen nahe, dass auch im Falle symmetrischer Stimmlippenschwingungen subharmonische Töne erzeugt werden können. Diese entstehen durch bestimmte supraglottische Randbedingungen mit kleinen transversalen Durchmessern, die dann eine zyklische Lageänderung des glottischen Freistrahls induzieren

Simultane Analyse des Pitch-Shift Reflexes (PSR) während der Phonation und des Sprechens mit EEG, EGG und High-Speed Videoendoscopy (HSE)

Hintergrund: Die Funktionsweise der auditiven Feedbackprozesse während der Phonation und des Sprechens ist von wissenschaftlichem und klinischem Interesse. Es wird vermutet, dass gestörte Feedbackprozesse der Sprechapraxie sowie dem Misserfolg einer Stimmtherapie bei funktioneller Dysphonie zugrunde liegen können. Der Pitch-Shift Reflex (PSR) ist die Tonhöhenanpassung während der Phonation bzw. des Sprechens als Reaktion auf eine spontane Tonhöhenveränderung im auditiven Feedback. In dieser Studie wird das auditive Feedback gestört und während der Phonation und des Sprechens untersucht. Hierzu werden das akustische Signal, das EEG, EGG und das High-Speed-Video analysiert.Material und Methoden: 28 gesunde Probanden (21 Frauen, 7 Männer) wurden transnasal mittels High-Speed Endoskopie (8000 fps) während einer gehaltenen Phonation [a], sowie 33 gesunde Probanden (24 Frauen, 9 Männer) während der Artikulation des Zweisilbers ['mama] untersucht. Das auditive Feedback der Probanden wurde während der Phonation bzw. während des Sprechens um 700 cents für ca. 300 ms erhöht. Die Änderung der Phonationsfrequenz (akustisches Signal, EGG und Videosignal) und die akustisch evozierten Potentiale (EEG) bestimmt und analysiert. Eine statistische Analyse wurde durchgeführt um die Feedbackmechanismen während des Phonationsparadigmas und des Sprechparadigmas anhand des ungestörten und gestörten Feedbacks miteinander zu vergleichen.Ergebnisse: Es werden die Ergebnisse der Latenz und Magnitude des PSR für das EEG-, EGG und akustische Signal präsentiert, sowie die glottalen Parameter und Perturbationsmaße des High-Speed Videoendoskopiesignals. Darüber hinaus wird die Sensitivität der drei Signale (Stimmsignal, EGG, GAW) bezüglich der Detektion des PSRs dargelegt. Die Ergebnisse beleuchten die Funktionsweise und Messbarkeit der auditiven Feedbackprozesse während der Phonation und des Sprechens

Einfluss der supraglottalen Strömungsrandbedingungen auf den Onset- und Offsetdruck der Stimmlippenschwingungen

Hintergrund: Die klinische Diagnose von Stimmstörungen ist fast ausschließlich auf die Analyse der Stimmlippenschwingungen und des akustischen Signals der Stimme fokussiert. Aus physikalischer Sicht ist der Prozess eine Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion. Die zeitabhängige Luftströmung oberhalb der Glottis kann im Patienten nicht berücksichtigt werden. Aus diesem Grund ist der Einfluss der Strömungsrandbedingungen im supraglottalen Bereich aus heutiger Sicht nicht hinreichend geklärt.Material und Methoden: Aus diesem Grund wurde ein künstliches Modell des menschlichen Kehlkopfes entwickelt. Die künstlichen Stimmlippen bestehen aus Silikonkautschuk, die durch einen Luftstrom zu Schwingungen angeregt werden. Somit ist es möglich, den Einfluss der Strömungsrandbedingungen im supraglottalen Raum auf den gesamten Prozess der Fluid-Struktur-Akustik Interaktion zu untersuchen. Die Variation der Randbedingungen umfassen die laterale Aufweitung des supraglottalen Strömungskanals und das Einbringen der Taschenfalten. In der vorliegenden Arbeit wurde der Onset- und Offsetdruck der Stimmlippenschwingung bestimmt. Dazu wurde ein Drucksensor verwendet der subglottal fixiert war.Ergebnisse: Es zeigte sich eine Steigerung des Onset- und Offsetdrucks für größere laterale Durchmesser des supraglottalen Kanals. Ferner wurde generell ein niedrigerer Onset- als Offsetdruck beobachtet. Der niedrigste Onsetdruck ergab sich beim Einbringen von Taschenfalten. Geschwindigkeits- und Druckmessungen der Strömung zeigten, dass der Druck innerhalb der Ventrikel zwischen Stimmlippen und Taschenfalten aufgrund der hohen Geschwindigkeit im Freistrahl abfiel. Dadurch wurde ein niedrigerer Onsetdruck für den Beginn der Stimmlippenschwingung benötigt.Diskussion: Bailly und Kollegen beobachteten eine Unterdrückung der Stimmlippenschwingungen bei kleinen Öffnungen zwischen den Taschenfalten, die zu einer Druckerhöhung in den Ventrikeln aufgrund der Stauung des Freistrahls führte. Eine Anfachung konnte bei größerem Spalt beobachtet werden, was durch den oben beschriebenen Effekt erklärt wird

Einfluss künstlicher Ligamentfasern auf die Stimmlippenschwingung in einem manipulierbaren, selbst-oszillierenden, synthetischen Silikon-Stimmlippenmodell

Hintergrund: Synthetische Silikon-Kehlkopfmodelle sind für das Verständnis der Biomechanik von physiologischen und pathologischen Stimmlippenschwingungen unerlässlich. Ziel dieser Studie ist es, die Auswirkungen künstlicher Ligamentfasern auf die Stimmlippenschwingung in einem synthetischen Kehlkopfmodell mit elastischen Silikonstimmlippen zu untersuchen, das in der Lage ist, die physiologischen Kehlkopffunktionen wie Elongation, Kompression und Abduktion/Adduktion der Stimmlippen nachzubilden.Material und Methoden: Es wurde ein Mehrschicht-Silikonmodell mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften für den Musculus Vocalis und der Lamina Propria bestehend aus Ligament und Schleimhaut verwendet. Künstliche Ligamentfasern verschiedener Durchmesser und Tragfähigkeiten wurden in die Stimmlippen eingegossen und bei unterschiedlicher Dehnung/Spannung getestet. Für die Nachahmung der Kehlkopfphysiologie wurde ein elektromechanischer Aufbau entwickelt. Die Messungen umfassten Hochgeschwindigkeits-Videoaufzeichnungen der Stimmlippenschwingungen, subglottale Druckerfassung und Aufzeichnung des produzierten Schalls. Für die Bewertung der Schwingungseigenschaften wurden alle Messwerte ausgewertet und mit Parametern aus ex vivo Studien verglichen.Ergebnisse: Die Fundamentalfrequenz des synthetischen Kehlkopfmodells beträgt je nach eingegossener Ligamentfaser und mechanischer Spannung ca. 200-650 Hz, was der Reproduktion einer weiblichen Normal- sowie Gesangsstimmlage entspricht. Die untersuchten Stimmparameter aus Stimmlippenschwingung, Akustik und subglottalem Druck lagen innerhalb normaler Wertebereiche aus ex und in vivo Studien.Diskussion: Die Integration künstlicher Ligamentfasern führt zu einem Anstieg der Fundamentalfrequenz mit zunehmendem Luftstrom, bei konstant bleibender mechanischer Spannung der Ligamentfasern. Darüber hinaus bewirken die Fasern einen Anstieg der Fundamentalfrequenz bei steigender mechanischer Spannung und konstantem Luftstrom. Dieses Verhalten entspricht der physiologischen Erwartung unter Beachtung des bekannten Materialverhaltens der Stimmlippen in longitudinaler Richtung.Fazit: Somit steht mit diesem Kehlkopfmodell eine künstliche experimentelle Plattform ohne die typischen Einschränkungen von exzidierten Kehlkopfmodellen zur Verfügung, in der reguläre Stimmlippenschwingungen reproduziert und im Detail analysiert werden können

Simulation der Vokaltraktdurchströmung bei nasaler Phonation

Hintergrund: Zur Untersuchung der Nasalität werden hauptsächlich akustische Messungen des Stimmsignals durchgeführt. Die Ursachen für den akustischen Eindruck einer Nasalität in der Strömung innerhalb des Vokaltraktes können damit allerdings nicht bestimmt werden.Mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist es möglich, die Strömungsvorgänge innerhalb des Vokaltraktes im Computer zu simulieren. In diesen Simulationen kann die Strömung an jedem beliebigen Ort innerhalb des Vokaltraktes gemessen und analysiert werden. Darüber hinaus kann die Geometrie des nachgebildeten Vokaltraktes modifiziert werden, um Teilstrukturen (z.B. einzelne Nasennebenhöhlen) bei der Simulation zu vernachlässigen, um so deren Einfluss auf die Luftströmung und Schallerzeugung zu identifizieren.Material und Methoden: Aus CT-Scans eines menschlichen Kopfes wird das Volumen des Vokaltraktes segmentiert. Aus diesen Daten wird ein 3D Geometriemodell des Luftraumes erstellt. Darin wird dann die Luftströmung bei simulierter konstanter Phonation simuliert. Dazu wird direkt oberhalb der Stimmlippen ein konstanter oder periodisch pulsierender Luftstrom eingeprägt, wie er durch die Oszillation der Stimmlippen bei der Phonation entsteht. Ziel ist es, die Durchströmung des Vokaltraktes bei unterschiedlichen Verschlusszuständen des Nasopharynx zu analysieren.Ergebnisse: Neben den Gebieten der konstanten Hauptdurchströmung können im Vokaltrakt auch Gebiete identifiziert werden, die kaum oder gar nicht durchströmt werden. Darüber hinaus treten an charakteristischen Positionen hohe Fluktuationen der Strömung auf, dies sind potentielle Regionen der Schallerzeugung. Durch eine Spektralanalyse dieser Fluktuationen wird ein Zusammenhang zu periodischen und aperiodischen Schallereignissen hergestellt.Fazit: Mit dem entwickelten Computermodell werden nun Schallquellen der nasalen Stimmmerkmale im Vokaltrakt identifiziert. Dadurch wird es in der Folge möglich sein, therapeutische Ansätze zur Reduktion von nasalen Schallmerkmalen in betroffenen Stimmen zu entwickeln

Stimmauffälligkeiten bei Ektodermaler Dysplasie

Hintergrund: Unter ektodermaler Dysplasie (ED) versteht man Erkrankungen, deren Ursache in erblichen Entwicklungsstörungen des äußeren Keimblattes des Embryos (Ektoderm) liegen. Neben den Hauptsymptomen, wie einer deutlich schwächeren Ausprägung der Zähne, Haare und Schweißdrüsen, tritt dabei auch eine verminderte Speichelproduktion auf. Neben Kau- und Schluckbeschwerden beschreiben ED Patienten gehäuft den subjektiven Eindruck einer rauen, heiseren und "kratzigen" Stimme. Ein Zusammenhang zwischen der reduzierten Speichelproduktion und Stimmauffälligkeiten wurde bei dieser seltenen Krankheit bisher nur unzureichend mit Hilfe objektiver Methoden untersucht.Material und Methoden: Es wurden 42 ED Betroffene und ein Kontrollkollektiv von 47 stimmgesunden Freiwilligen gemäß dem ELS Protokoll untersucht. Die Stimmlippenschwingungen wurden per High-Speed-Videoendoskopie (HSV) bei 4kHz aufgenommen und mit Hilfe von Segmentierungsalgorithmen objektiv analysiert. Das resultierende akustische Signal wurde sowohl subjektiv als auch objektiv mit Hilfe von Stimmfeldmessungen und anhand des "Nordwind und Sonne"-Textes beurteilt. Der individuelle Leidensdruck der Betroffenen wurde durch den standardisierten VHI-Fragebogen dokumentiert. Zusätzlich wurde über einen definierten Zeitraum eine Speichelmengenmessung vorgenommen.Ergebnisse: Die Testgruppe der ED Probanden weist einen signifikant geringeren Speichelfluss als die Kontrollgruppe auf. Des Weiteren wurden in der Kohorte der von ED betroffenen Männer signifikant schlechtere Werte auf der RBH-Skala erreicht, wobei die Mehrheit (67%) keine oder nur geringe Beeinträchtigung in der Selbsteinschätzung (VHI) angeben. Eine Clusterzentren-Analyse zeigte keinen signifikanten Zusammenhang zwischen der Stimmqualität und der Speichelmenge.Diskussion: Die Menge des Speichelflusses wurde aufgrund der einfacheren Zugänglichkeit zunächst als Indikator für die Menge des laryngealen Mukus auf den Stimmlippen untersucht. Die Zusammensetzung und Eigenschaften variieren allerdings, was eine eindeutige Interpretation verhindert. Zudem stellt die ED eine relativ seltene Krankheit dar, so dass nur ein verhältnismäßig kleines Testkollektiv zur Verfügung steht, was statistisch valide Aussagen erschwert.Fazit: Weiterführende Untersuchungen zur Zusammensetzung und Korrelation von Speichel und laryngealem Mukus sind notwendig

simVoice - Numerische Simulation des Phonationsprozesses

Hintergrund: Durch die numerische Berechnung von Strömungsvorgängen bei der Phonation in geeigneten Modellen können Zusammenhänge zwischen Luftströmung, Stimmlippenbewegung und erzeugtem akustischen Signal abgebildet und detailliert analysiert werden. Im Gegensatz zu experimentellen Messungen sind numerische Simulationen weniger material- und kostenintensiv. Des Weiteren können im Vergleich zu ex-vivo oder in-vivo Messungen eine größere Zahl von Parametern im abgebildeten Simulationsgebiet kontrolliert, aufgezeichnet und analysiert werden.Material und Methoden: Unser zentrales Ziel ist die Entwicklung eines dreidimensionalen aeroakustischen Computermodells (simVoice) zur zukünftigen Anwendung im klinischen Umfeld. Das simVoice-Modell ist ein Hybridmodell. Es besteht aus einem fluiddynamischen Modell mit extern vorgegebenen Stimmlippenbewegungen, welches auf der 3D Finite-Volumen-Methode (3D-FVM) basiert, sowie einem aeroakustischen Modell, welches auf der 3D Finite-Elemente-Methode (3D-FEM) beruht. Das Hybridmodell wird bezüglich Rechenzeit und Komplexität optimiert.Das numerische Modell in simVoice bildet die Stimmlippen, die falschen Stimmlippen und einen reduzierten Vokaltrakt auf Basis eines künstlichen Modells ab. Die Bewegung der Stimmlippen wird dabei nicht vom Luftstrom erzeugt, sondern wird extern vorgegeben.Ergebnisse: Die erwarteten klinischen Erkenntnisse des Projekts simVoice sind: ein besseres Verständnis der gestörten und gesunden Stimmgebung die Identifizierung von neuen Behandlungsansätzen die Möglichkeit zur Simulation von konservativen und chirurgischen Stimmbehandlungsmethoden Diskussion: Zur Verifizierung von simVoice werden die errechneten Strömungsfelder und die errechnete Akustik mit den experimentellen Ergebnissen eines synthetischen Silikonmodells verglichen. Für den Abgleich mit realen klinische Daten werden die Stimmlippenbewegungen aus in-vivo und ex-vivo Messungen reproduziert.Fazit: Die innovativen wissenschaftlichen Aspekte des Projekts beinhalten: die Untersuchung bis zu welchen Größenskalen die zeitabhängige turbulente Strömung aufgelöst werden muss, um die gewünschten akustischen Charakteristika zu beinhalten Einblicke in die Ursache-Wirkungsbeziehung von Stimmlippenbewegung, Luftstrom und Akustik die erste detaillierte numerische Studie hinsichtlich der Auswirkung der Stimmlippenschwingungen auf die akustische Stimmqualitä

3D-Rekonstruktion der Stimmlippenoberfläche aus in vivo Hochgeschwindigkeitsaufnahmen

Hintergrund: Konventionelle endoskopische Methoden zur Untersuchung des Kehlkopfes erlauben bislang nur eine eingeschränkte, zweidimensionale Beurteilung der lateral-longitudinalen Stimmlippenbewegung. In Versuchen mit Kadaver-Halbkehlköpfen wurde jedoch auch eine deutliche, vertikale Komponente nachgewiesen.Mit Hilfe der Stereotriangulation ist es möglich, die 3D-Koordinaten der gesamten sichtbaren oberen Stimmlippenoberfläche aus endoskopischen 2D-Aufnahmen zu rekonstruieren. Diese Methode ist bereits an exzidierten Kadaver-Kehlköpfen erprobt worden. Um einen klinischen Einsatz dieser Technik zu ermöglichen wurde der Aufbau entsprechend miniaturisiert.Material und Methoden: Ein Nd:YAG-Laser der Wellenlänge 532 nm ist über einen Lichtleiter mit einem zweiten, starren Endoskop (Durchmesser: 5 mm) verbunden, das die Projektionseinheit enthält und parallel an einem üblichen Laryngoskop befestigt wird. Ein Lasergitter wird auf die Stimmlippen projiziert und über das Laryngoskop mit einer Hochgeschwindigkeitskamera (512x256 Pixel bei 4000fps) aufgezeichnet. Nachdem die Laserstrahlen unter einem bekannten Winkel alpha zur optischen Achse der Kamera eingestrahlt werden, erscheint jede Änderung der Stimmlippenoberfläche in Vertikalrichtung als lateral-longitudinale Verschiebung eines Laserpunktes in der Bildebene. Durch vorherige Kalibrierung kann daraus die vertikale Position der Laserpunkte bestimmt und daraus die gesamte sichtbare Oberfläche der Stimmlippen rekonstruiert werden.In einer vorläufigen Studie wurden je fünf gesunde Frauen und Männer während einer gehaltenen Phonation des Vokals /i/ untersucht. Auf der Basis dieser Daten konnten dynamische 3D-Parameter wie Schwingungsamplituden und Geschwindigkeitswerte berechnet werden.Ergebnisse: Neben den dynamischen 3D-Parametern werden auch Abschätzungen zur Genauigkeit des vorgestellten Systems diskutiert. Die Ergebnisse der Studie demonstrieren die klinische Anwendbarkeit der vorgestellten Methode