Volume 55, Issue 1

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A brain-computer interface (BCI) is a new communication channel between humans and computers that translates brain activity into recognizable command and control signals. Attended events can evoke P300 potentials in the electroencephalogram. Hence, the P300 has been used in BCI systems to spell, control cursors or robotic devices, and other tasks. This paper introduces a novel P300 BCI to communicate Chinese characters. To improve classification accuracy, an optimization algorithm (particle swarm optimization, PSO) is used for channel selection (i.e., identifying the best electrode configuration). The effects of different electrode configurations on classification accuracy were tested by Bayesian linear discriminant analysis offline. The offline results from 11 subjects show that this new P300 BCI can effectively communicate Chinese characters and that the features extracted from the electrodes obtained by PSO yield good performance.

Models of the middle ear basing on the finite element method (FEM) have contributed to a better understanding of the function of its different components. The geometry, the choice of boundary conditions and material properties have a crucial influence on the model. The influence of individual parameters was investigated. Based on a magnetic resonance imaging data set, a finite element model (FEm) of the middle ear was established. The transfer function (TF) at a sound pressure level of 90 dB and a frequency range from 100 Hz to 10 kHz was determined. Altogether, 24 parameters were varied individually and the influence on the TF was investigated. The parameter study was based on varying the stiffness and damping of each material as well as on anatomic variations, such as thickness and anisotropy of the tympanic membrane and sliding within the joints. It could be shown that each parameter had influence over the entire or sections of the frequency range in different magnitudes. A chart was derived to show the influence of each parameter depending on the frequency. The results allow improved distinguishing between parameters being relevant for a FEM simulation of the middle ear and those that can be neglected. This could contribute to further improvement of FEms of the middle ear. Zusammenfassung Modelle des menschlichen Mittelohrs, basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM), haben wesentlich zu dessen Verständnis beigetragen. Entscheidenden Einfluss bei solchen Modellen haben neben der Geometrie die Wahl der Randbedingungen sowie Materialeigenschaften, wobei sich letztere jedoch oft nur unzureichend experimentell bestimmen lassen. Es wurde daher der Einfluss einzelner Parameter auf das Modell untersucht. Ausgehend von einem Magnetresonanztomographie (MRI)-Datensatz wurde ein Finite-Elemente-Modell (FEm) des Mittelohrs erstellt und die Übertragungsfunktion (TF) bei einem Schalldruck von 90 dB im Frequenzbereich 100 Hz bis 10 kHz bestimmt. Insgesamt 24 Parameter dieses Modells wurden daraufhin jeweils einzeln verändert und der Einfluss auf die TF untersucht. Die Variationen bezogen sich dabei auf Steifigkeit (E-Modul) und Dämpfung der einzelnen Materialien. Weiterhin wurden anatomische Fragestellungen, z.B. der Einfluss von Dicke und Anisotropie des Trommelfells, sowie Gleitbewegungen im Bereich der Gelenke untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die einzelnen Parameter unterschiedlich starken Einfluss über Teile oder das gesamte Frequenzspektrum haben. Daraus konnte eine Tabelle abgeleitet werden, die Auswirkungen der jeweils variierten Parameter in Abhängigkeit von der Frequenz angibt. Die Ergebnisse ermöglichen es, besser zwischen wichtigen und unwichtigen Parametern für eine FEM-Simulation des Mittelohrs zu unterscheiden. Dies kann dazu beitragen, FEms des Mittelohrs weiter zu verbessern.

This article describes a new measuring device to investigate balancing strategies of human stance: the totter-slab, i.e., a standing plate suspended with steel cables to hooks on a steel frame. First, we analysed the physical properties of the device by recording free oscillations under different conditions [varying amplitude, mass and centre of mass (COM) height]. This allowed us to determine the eigenfrequency and the damping coefficient D <1 Ns/m for each trial. The trials showed that the measured damped eigenfrequency of Hz is barely dependent on the mass loaded. The ratio 1/s is a constant almost independent of the different conditions. Furthermore, we determined the stiffnesses of the suspending cables and their suspension points to check for potential energy storage capacity of the totter-slab. We found that the totter-slab is a useful, well-defined, reliable and developable measuring device for different non-rigid-ground stance conditions. In a second part of the investigation, we compared the frequency spectra of six subjects balancing on the totter-slab with their spectra while standing quietly on a force plate fixed to the ground. The totter-slab spectra showed two distinct, dominant peak regions at approximately 0.3 and 1.1 Hz. This finding enforces the double inverted pendulum to be an adequate model particularly for balancing on the totter-slab. Compared with the firm ground condition, these two peak regions were more pronounced when balancing on the totter-slab. However, there is a variety of frequencies in the region 0.2…1.5 Hz specific for an individual subject in both balancing conditions.

Rapid palatal expansion is indicated in the orthopedic treatment of transverse maxillary deficiency for correction of severe crossbite. The fixation of the appliance at the tooth crowns leads to more tipping connected with resorptions at the buccal cortical bone, fenestrations and gingival retraction. The aim of the present study was focused on the improvement of bodily movement and optimization of the surgical osteotomy (Glassman's technique) in adult patients with application of the Dresden Distractor (DD). In 18 patients, the new method with a special mechanism of adaptation involving minimized surgical intervention and direct fixation of the hyrax screw by one implant and one bone screw was tested. The implants were loaded directly by activation of the hyrax screw two times per day. CT scans were taken before and 6 months after insertion of the DD. In the horizontal and vertical planes there was a V-shaped opening of the suture in anterior and cranial direction, corroborating previous studies. Dental arch also showed this V-shape, indicating tooth protection. DD is a suitable minimally invasive tooth-independent bone-borne expansion method, protecting teeth and causing skeletal as well as dental effect with tipping reduced by 10°. Zusammenfassung Die forcierte Gaumennahterweiterung ist zur kieferorthopädischen Behandlung extrem schmaler Oberkiefer und zur Behandlung des Kreuzbisses indiziert. Die Befestigung der Apparatur an den Zahnkronen führt aufgrund der starken Widerstände zu Zahnkippungen verbunden mit Knochenresorptionen und Gingivaretraktion. Ziel der Studie war die Verbesserung der körperlichen Bewegung der Kieferhälften und die Optimierung der chirurgischen Schwächung (Glassmann) bei Erwachsenen unter Einsatz des Dresden Distraktors (DD). Bei 18 Patienten wurde die neue minimalinvasive Methode, welche die direkte Fixierung der Dehnschraube am Kiefer mit Hilfe eines Implantates und einer Knochenschraube beinhaltet, eingesetzt. Die Schraube wurde unmittelbar nach Insertion des Implantates zweimal pro Tag aktiviert. CT-Aufnahmen wurden vor und sechs Monate nach Insertion der Apparatur angefertigt. In der Horizontal- und Vertikalebene erfolgte eine V-förmige Öffnung der Gaumennaht in anteriorer bzw. kranialer Richtung. Der Zahnbogen zeigte diese V-Form ebenfalls, jedoch ohne Zahnbelastung. DD erwies sich als alternative minimalinvasive, zahnunabhängige und knochengetragene Expansionsmethode, bei der die Kippung der Kieferhälften um 10° reduziert werden konnte.

Impingement and dislocations rank among the frequent failure causes of hip endoprotheses. The further optimization of endoprotheses requires a comprehensive mathematical description of the kinematics with consideration of surgical and design parameters. For the investigation of dislocation behavior, spatial movements up to impingement with associated load scenarios should be generated. We present fundamentals for the determination of the range of motion of total hip replacements with consideration of multidirectional, superimposed movements. Therefore, the remaining angle, e.g., of abduction/adduction or internal/external rotation depending on flexion/extension can be calculated. Thereby, the substantial design parameters such as head and neck diameter, CCD angle and head coverage are considered. Moreover, the position of the acetabular cup in terms of inclination and anteversion angle as well as neck anteversion is considered. Using this approach, especially designed for superimposed movements, residual range of motion for given movements, e.g., abduction or internal rotation for given angles of flexion/extension can be calculated. Thus, the critical dislocation-initiating joint positions for primary or revision total hip arthroplasty can be determined for arbitrary superimposed movements; subsequently, the operating surgeon can evaluate the maximum range of motion for a given implant position. Additionally, the calculations are of help for further geometrical optimization of implants. The calculation algorithms can be used to create ROM maps (graphical illustration of the range of motion depending on implant position) which support the operating surgeon in placement of the implant components. Moreover, our results are utilized for experimental test setups to analyze impingement and subluxation.

State-of-the-art non-thrombogenic blood contacting surfaces are based on heparin and struggle with the problem of bleeding. However, appropriate blood flow characteristics are essential for clinical application. Thus, there is increasing demand to develop new coating materials for improved human body acceptance. Materials deposited by vacuum coating techniques would be an excellent alternative if the coating temperatures can be kept low because of the applied substrate materials of low temperature resistance (polymers). Most of the recently used plasma-based deposition techniques cannot fulfill this demand. However, adequate film structure and high adhesion can be reached by the pulsed laser deposition at room temperature, which was developed to an industrial-scaled process at Laser Center Leoben. Here, this process is described in detail and the resulting structural film properties are shown for titanium, titanium nitride, titanium carbonitride, and diamond-like carbon on polyurethane, titanium and silicon substrates. Additionally, we present the biological response of blood cells and the kinetic mechanism of eukaryote cell attachment. In conclusion, high biological acceptance and distinct differences for the critical delamination shear stress were found for the coatings, indicating higher adhesion at higher carbon contents. Zusammenfassung Derzeit verwendete Oberflächen für den Blutkontakt basieren im Allgemeinen auf Heparin, wobei es in der klinischen Verwendung leicht zum Problem von Blutungen kommen kann. Nichtsdestotrotz ist aber ein optimaler Blutfluss entscheidend, wodurch sich zunehmend die Forderung nach der Entwicklung von neuen Materialien mit verbesserter Körperakzeptanz stellt. Mittels Plasmaverfahren auf Oberflächen abgeschiedene Werkstoffe könnten zukünftig eine Alternative zu Heparin bieten, wenn die Temperaturen während des Herstellprozesses auf nahezu Raumtemperatur abgesenkt werden könnten, um vor allem die vielfach verwendeten Kunststoffe mit geringer Temperaturbeständigkeit beschichten zu können. Als eine der wenigen Techniken bietet sich dafür die Pulslaserabscheidung (PLD) an, welche zu einem industriell einsetzbaren Prozess am Laserzentrum Leoben entwickelt wurde. Diese Arbeit beschreibt die Hauptmerkmale dieses Prozesses und die sich ergebenden strukturellen Filmeigenschaften von Ti, TiN, Ti(C,N) und diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) auf Polyurethan-, Titan- und Siliziumoberflächen. Zudem werden die biologische Antwort von Blutzellen und die kinetischen Haftungsmechanismen von Eukaryotzellen dargestellt. Zusammengefasst zeigen diese Schichtwerkstoffe hohe biologische Akzeptanz und deutliche Unterschiede in den kritischen Scherspannungen zur Delamination, wobei eine höhere Zelladhäsion bei höheren Kohlenstoffgehalten erreicht wird.