Cooperative Localization in Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks

Die großflächige Erkundung und Überwachung von Tiefseegebieten gewinnt mehr und mehr an Bedeutung für Industrie und Wissenschaft. Diese schwer zugänglichen Areale in der Tiefsee können nur mittels Teams unbemannter Tauchbote effizient erkundet werden. Aufgrund der hohen Kosten, war bisher ein Einsatz von mehreren autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) wirtschaftlich undenkbar, wodurch AUV-Teams nur in Simulationen erforscht werden konnten. In den letzten Jahren konnte jedoch eine Entwicklung hin zu günstigeren und robusteren AUVs beobachtet werden. Somit wird der Einsatz von AUV-Teams in Zukunft zu einer realen Option. Die wachsende Nachfrage nach Technologien zur Unterwasseraufklärung und Überwachung konnte diese Entwicklung noch zusätzlich beschleunigen. Eine der größten technischen Hürden für tief tauchende AUVs ist die Unterwasserlokalisierug. Satelitengestützte Navigation ist in der Tiefe nicht möglich, da Radiowellen bereits nach wenigen Metern im Wasser stark an Intensität verlieren. Daher müssen neue Ansätze für die Unterwasserlokalisierung entwickelt werden die sich auch für Fahrzeugenverbände skalieren lassen. Der Einsatz von AUV-Teams ermöglicht nicht nur völlig neue Möglichkeiten der Kooperation, sondern erlaubt auch jedem einzelnen AUV von den Navigationsdaten der anderen Fahrzeuge im Verband zu profitieren, um die eigene Lokalisierung zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein kooperativer Lokalisierungsansatz vorgestellt, welcher auf dem Nachrichtenaustausch durch akustische Ultra-Short Base-Line (USBL) Modems basiert. Ein akustisches Modem ermöglicht die Übertragung von Datenpaketen im Wasser, wärend ein USBL-Sensor die Richtung einer akustischen Quelle bestimmen kann. Durch die Kombination von Modem und Sensor entsteht ein wichtiges Messinstrument für die Unterwasserlokalisierung. Wenn ein Fahrzeug ein Datenpaket mit seiner eignen Position aussendet, können andere Fahrzeuge mit einem USBL-Modem diese Nachricht empfangen. In Verbindung mit der Richtungsmessung zur Quelle, können diese Daten von einem Empfangenden AUV verwendet werden, um seine eigene Positionsschatzung zu verbessern. Diese Arbeit schlägt einen Ansatz zur Fusionierung der empfangenen Nachricht mit der Richtungsmessung vor, welcher auch die jeweiligen Messungenauigkeiten berücksichtigt. Um die Messungenauigkeit des komplexen USBL-Sensors bestimmen zu können, wurde zudem ein detailliertes Sensormodell entwickelt. Zunächst wurden existierende Ansätze zur kooperativen Lokalisierung (CL) untersucht, um daraus eine Liste von erwünschten Eigenschaften für eine CL abzuleiten. Darauf aufbauend wurde der Deep-Sea Network Lokalisation (DNL) Ansatz entwickelt. Bei DNL handelt es sich um eine CL Methode, bei der die Skalierbarkeit sowie die praktische Anwendbarkeit im Fokus stehen. DNL ist als eine Zwischenschicht konzipiert, welche USBL-Modem und Navigationssystem miteinander verbindet. Es werden dabei Messwerte und Kommunikationsdaten des USBL zu einer Standortbestimmung inklusive Richtungsschätzung fusioniert und an das Navigationssystem weiter geleitet, ähnlich einem GPS-Sensor. Die Funktionalität von USBL-Modell und DNL konnten evaluiert werden anhand von Messdaten aus Seeerprobungen in der Ostsee sowie im Mittelatlantik. Die Qualität einer CL hangt häufig von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Die Netzwerktopologie muss genauso berücksichtig werden wie die Lokalisierungsfähigkeiten jedes einzelnen Teilnehmers. Auch das Kommunikationsverhalten der einzelnen Teilnehmer bestimmt, welche Informationen im Netzwerk vorhanden sind und hat somit einen starken Einfluss auf die CL. Um diese Einflussfaktoren zu untersuchen, wurden eine Reihe von Szenarien simuliert, in denen Kommunikationsverhalten und Netzwerktopologie für eine Gruppe von AUVs variiert wurden. In diesen Experimenten wurden die AUVs durch ein Oberflächenfahrzeug unterstützt, welches seine geo-referenzierte Position über DNL an die getauchten Fahrzeuge weiter leitete. Anhand der untersuchten Topologie können die Experimente eingeteilt werden in Single-Hop und Multi-Hop. Single-Hop bedeutet, dass jedes AUV sich in der Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet und dessen Positionsdaten auf direktem Wege erhält. Wie die Ergebnisse der Single-Hop Experimente zeigen, kann der Lokalisierungsfehler der AUVs eingegrenzt werden, wenn man DNL verwendet. Dabei korreliert der Lokalisierungsfehler mit der kombinierten Ungenauigkeit von USBL-Messung und Oberflächenfahrzeugposition. Bei den Multi-Hop Experimenten wurde die Topologie so geändert, dass sich nur eines der AUVs in direkter Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet. Dieses AUV verbessert seine Position mit den empfangen Daten des Oberflächenfahrzeugs und sendet wiederum seine verbesserte Position an die anderen AUVs. Auch hier konnte gezeigt werden, dass sich der Lokalisierungfehler der Gruppe mit DNL einschränken lässt. Ändert man nun das Schema der Kommunikation so, dass alle AUVs zyklisch ihre Position senden, zeigte sich eine Verschlechterung der Lokalisierungsqualität der Gruppe. Dieses unerwartet Ergebnis konnte auf einen Teil des DNL-Algorithmus zurück geführt werden. Da die verwendete USBL-Klasse nur die Richtung eines Signals misst, nicht jedoch die Entfernung zum Sender, wird in der DNL-Schicht eine Entfernungsschatzung vorgenommen. Wenn die Kommunikation nicht streng unidirektional ist, entsteht eine Ruckkopplungsschleife, was zu fehlerhaften Entfernungsschatzungen führt. Im letzten Experiment wird gezeigt wie sich dieses Problem vermeiden lasst, mithilfe einer relativ neue USBL-Klasse, die sowohl Richtung als auch Entfernung zum Sender misst. Die zwei wesentlichen Beiträge dieser Arbeit sind das USBL-Model zum einen und zum Anderen, der neue kooperative Lokalisierungsansatz DNL. Mithilfe des Sensormodels lassen sich nicht nur Messabweichungen einer USBL-Messung bestimmen, es kann auch dazu genutzt werden, einige Fehlereinflüsse zu korrigieren. Mit DNL wurde eine skalierbare CL-Methode entwickelt, die sich gut für den den Einsatz bei mobilen Unterwassersensornetzwerken eignet. Durch das Konzept als Zwischenschicht, lasst sich DNL einfach in bestehende Navigationslösungen integrieren, um die Langzeitstabilität der Navigation für große Verbände von tiefgetauchten Fahrzeugen zu gewährleisten. Sowohl USBL-Model als auch DNL sind dabei so ressourcenschonend, dass sie auf dem Computer eines Standard USBL laufen können, ohne die ursprüngliche Funktionalität einzuschränken, was den praktischen Einsatz zusätzlich vereinfacht

Evaluation Of Atrial Fibrillation Burden Before Catheter Ablation Predicts Outcome After Pulmonary Vein Isolation

Background: Paroxysmal atrial fibrillation (PAF) is defined as recurrent AF terminating spontaneously within 7 days. This definition allows the consideration of any AF occurrence lasting < 7 days as paroxysmal, irrespective of the frequency and duration of episodes. The aim of this study was to investigate symptomatic AF burden (AFB) defined as total duration of symptomatic AF episodes within 3 months prior to abalation, for prediction of outcome after pulmonary vein isolation (PVI).Methods: A total of 320 consecutive patients with symptomatic AF (PAF=244, men=214, age=58 y) were enrolled. AFB in patients with PAF was defined as time spent in AF within 3 months prior to PVI. After the AFB cut-off point was optimized at 500 h, patients with PAF were categorized into 2 groups: Group 1 - patients with AFB<500 h (n=192), Group 2 - patients with AFB≥500 h (n=52). Patients with persistent AF (PersAF, n = 76) comprised control group (Group 3). PVI was performed either with irrigated tip catheter (n=215) or using cryoballoon (n=105). The endpoint of study was first documented recurrence of AF >30 sec.Results: Symptomatic AFB was found to be appropriate for prediction of outcome after PVI. The freedom from AF within 2 years was observed in 69%, 31%, and 43% patients in Group 1, 2 and 3, respectively (Group 1 vs. Group 2, p <.001; Group 1 vs. Group 3, p< .001; Group 2 vs. Group 3, p = 0.46).Conclusions: Low AFB < 500 h /3 months was associated with better outcome after PVI. Patients with PAF and high AFB should be treated as patients with PersAF

Fano resonances in nanoscale structures

Nowadays nanotechnology allows to scale-down various important devices (sensors, chips, fibres, etc), and, thus, opens up new horizon for their applications. Nevertheless, the efficiency most of them is still based on the fundamental physical phenomena, such as resonances. Thus, the understanding of the resonance phenomena will be beneficial. One of the well-known examples is the resonant enhancement of the transmission known as Breit-Wigner resonances, which can be described by a Lorentzian function. But, in many physical systems the scattering of waves involves propagation along different paths, and, as a consequence, results in interference phenomena, where constructive interference corresponds to resonant enhancement and destructive interference to resonant suppression of the transmission. Recently, a variety of experimental and theoretical work has revealed such patterns in different branches of physics. The purpose of this Review is to demonstrate that this kind of resonant scattering is related to the Fano resonances, known from atomic physics. One of the main features of the Fano resonances is the asymmetric profile. The asymmetry comes from the close coexistence of resonant transmission and resonant reflection. Fano successfully explained such a phenomenon in his seminal paper in 1961 in terms of interaction of a discrete (localized) state with a continuum of propagation modes. It allows to describe both resonant enhancement and resonant suppression in a unified manner. All of these properties can be demonstrated in the frame of a very simple model, which will be used throughout the Review to show that resonant reflections observed in different complex systems are indeed closely related to the Fano resonances.Comment: This review paper was submitted to Review of Modern Physics. But all comments are still welcome

Clinical and virological characteristics of hospitalised COVID-19 patients in a German tertiary care centre during the first wave of the SARS-CoV-2 pandemic: a prospective observational study

Purpose: Adequate patient allocation is pivotal for optimal resource management in strained healthcare systems, and requires detailed knowledge of clinical and virological disease trajectories. The purpose of this work was to identify risk factors associated with need for invasive mechanical ventilation (IMV), to analyse viral kinetics in patients with and without IMV and to provide a comprehensive description of clinical course. Methods: A cohort of 168 hospitalised adult COVID-19 patients enrolled in a prospective observational study at a large European tertiary care centre was analysed. Results: Forty-four per cent (71/161) of patients required invasive mechanical ventilation (IMV). Shorter duration of symptoms before admission (aOR 1.22 per day less, 95% CI 1.10-1.37, p < 0.01) and history of hypertension (aOR 5.55, 95% CI 2.00-16.82, p < 0.01) were associated with need for IMV. Patients on IMV had higher maximal concentrations, slower decline rates, and longer shedding of SARS-CoV-2 than non-IMV patients (33 days, IQR 26-46.75, vs 18 days, IQR 16-46.75, respectively, p < 0.01). Median duration of hospitalisation was 9 days (IQR 6-15.5) for non-IMV and 49.5 days (IQR 36.8-82.5) for IMV patients. Conclusions: Our results indicate a short duration of symptoms before admission as a risk factor for severe disease that merits further investigation and different viral load kinetics in severely affected patients. Median duration of hospitalisation of IMV patients was longer than described for acute respiratory distress syndrome unrelated to COVID-19

Electrooptics of membrane electroporation and vesicle shape deformation

Neumann E, Kakorin S. Electrooptics of membrane electroporation and vesicle shape deformation. CURRENT OPINION IN COLLOID &amp; INTERFACE SCIENCE. 1996;1(6):790-799.Electrooptical and conductometric methods continue to reveal new and more detailed information on the dynamic properties of membranes in electric fields. In particular, the electric pore formation in lipid vesicles, doped with optical probes, has been successfully investigated with electrooptical techniques thus providing new insight into the lipid rearrangements underlying membrane electroporation (ME) and vesicle deformation. Progress in understanding the molecular mechanism of ME and related phenomena, such as electrofusion of cells or electroinsertion of foreign proteins into membranes, is crucially important for the numerous applications of ME, for example, direct electroporative gene transfer and drug delivery in the new medical discipline of electroporative chemotherapy

Electrooptical relaxation spectrometry of membrane electroporation in lipid vesicles

Kakorin S, Neumann E. Electrooptical relaxation spectrometry of membrane electroporation in lipid vesicles. In: Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. COLLOIDS AND SURFACES. A, PHYSICOCHEMICAL AND ENGINEERING ASPECTS. Vol 209. ELSEVIER SCIENCE BV; 2002: 147-165.The classical interpretation of the experimental electric turbidity and absorbance dichroisms has been extended to account for chemical contributions to the dichroitic signal caused by changes in the immediate neighborhood of the scattering centers or chromophores. In diluted suspensions of lipid bilayer vesicles (Lecithin (20%), concentration I mM) of radius a = 90 nm, doped with diphenylhexatrienyl-phosphatidylcholine (beta-DPH pPC, 5 muM), the chemical modes refer to the entrance of water into the head-group region of the lipids in the bilayer and into those membrane parts constituting the electropores. We propose here, an extended analytical approach to correctly analyze turbidity and absorbance relaxation data on membrane electroporation (ME) and electro-elongation of lipid vesicles. It is shown that the combination of turbidity and absorbance data provides a tool to quantify molecular order and rapid motion of optical probes within the vesicle bilayer in terms of order parameters. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved

Electroporation of curved lipid membranes in ionic strength gradients

Neumann E, Kakorin S. Electroporation of curved lipid membranes in ionic strength gradients. BIOPHYSICAL CHEMISTRY. 2000;85(2-3):249-271.A thermodynamic theory for the membrane electroporation of curved membranes such as those of lipid vesicles and cylindrical membrane tubes has been developed. The theory covers in particular the observation that electric pore formation and shape deformation of vesicles and cells are dependent on the salt concentration of the suspending solvent. It is shown that transmembrane salt gradients can appreciably modify the electrostatic part of Helfrich's spontaneous curvature, elastic bending rigidity and Gaussian curvature modulus of charged membranes. The Gibbs reaction energy of membrane electroporation can be explicitely expressed in terms of salt gradient-dependent contributions of bending, the ionic double layers and electric surface potentials and dielectric polarisation of aqueous pores. In order to cover the various physical contribution to the chemical process of electroporation-resealing, we have introduced a generalised chemophysical potential covering all generalised forces and generalised displacements in terms of a transformed Gibbs energy formalism. Comparison with, and analysis of, the data of electrooptical relaxation kinetic studies show that the Gibbs reaction energy terms can be directly determined from turbidity dichroism (Planck's conservative dichroism). The approach also quantifies the electroporative cross-membrane material exchange such as electrolyte release, electrohaemolysis of red blood cells or uptake of drugs and dyes and finally gene DNA by membrane electroporation. (C) 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved

Membrane electroporation: chemical thermodynamics and flux kinetics revisited and refined

Neumann E, Kakorin S. Membrane electroporation: chemical thermodynamics and flux kinetics revisited and refined. EUROPEAN BIOPHYSICS JOURNAL WITH BIOPHYSICS LETTERS. 2018;47(4):373-387.The chemical thermodynamic concept for membrane electroporation is critically revisited. The hysteresis in the electric field dependence of the rapid in-field electroporation events (on the in-field hysteresis branch) and the slower post-field pore resealing process (zero-field hysteresis branch) is a typical ensemble property involving rapid single-pore opening-closing events that are temporally and spatially distributed. In the case of spherical membrane shells in homogeneous external fields, the acting local field is dependent on the polar-angular position. Hence, the experimental state distribution constant and the ensemble rate coefficients are statistical position averages; they are cosine square averages of the polar angle. Advanced flux analysis uses the concept of time-dependent flux coefficients reflecting the kinetics of the rate-limiting structural processes of electroporation and membrane resealing. The explicit integral flux equations rationalize the sigmoid onset of the in-field kinetics and quantify the post-field-stretched exponentials as exponentials of exponentials. Finally, the new analytical proposal for the evaluation of the electric field strength dependence of global cell electroporation data starts with the low-field range and continues with iterative parameter optimisation over the entire field strength range

Ionic conductivity of electroporated lipid bilayer membranes

Kakorin S, Neumann E. Ionic conductivity of electroporated lipid bilayer membranes. In: Bioelectrochemistry. BIOELECTROCHEMISTRY. Vol 56. ELSEVIER SCIENCE SA; 2002: 163-166.The ionic conductivity of lipid membrane pores has been theoretically analysed in terms of electrostatic interactions of the transported ions with the low-dielectric pore wall for a commonly encountered case of unequal concentrations of electrolyte on the two sides of curved lipid membranes. Theoretical analysis of the data on the conductivity of the electroporated membrane of lipid vesicles (Lecithin 20%) of radius a=90 nm yields the molar energy of interaction of a small monovalent ion with a pore wall w(0)=9+/-1 RT (or w(0)=22+/-kJ mol(-1)), corresponding to a mean pore radius of (r) over bar (p)=0.56+/-0.05 nm. The proposed theoretical approach provides a tool for the analysis and description of the nonlinear current-voltage dependencies in membrane pores and channels. (C) 2002 Published by Elsevier Science B.V