Efficient parallel proximity queries and an application to highly complex motion planning problems with many narrow passages

In vielen Bereichen der industriellen Fertigung, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, wer- den digitale Versuchsmodelle (sog. digital mock-ups) eingesetzt, um die Entwicklung komplexer Maschinen m ̈oglichst gut durch Computersysteme unterstu ̈tzen zu k ̈onnen. Hierbei spielen Be- wegungsplanungsalgorithmen eine wichtige Rolle, um zu gew ̈ahrleisten, dass diese digitalen Pro- totypen auch kollisionsfrei zusammengesetzt werden k ̈onnen. In den letzten Jahrzehnten haben sich hier sampling-basierte Verfahren besonders bew ̈ahrt. Diese erzeugen eine große Anzahl von zuf ̈alligen Lagen fu ̈r das ein-/auszubauende Objekt und verwenden einen Kollisionserken- nungsmechanismus, um die einzelnen Lagen auf Gu ̈ltigkeit zu u ̈berpru ̈fen. Daher spielt die Kollisionserkennung eine wesentliche Rolle beim Design effizienter Bewegungsplanungsalgorith- men. Eine Schwierigkeit fu ̈r diese Klasse von Planern stellen sogenannte “narrow passages” dar, schmale Passagen also, die immer dort auftreten, wo die Bewegungsfreiheit der zu planenden Objekte stark eingeschr ̈ankt ist. An solchen Stellen kann es schwierig sein, eine ausreichende Anzahl von kollisionsfreien Samples zu finden. Es ist dann m ̈oglicherweise n ̈otig, ausgeklu ̈geltere Techniken einzusetzen, um eine gute Performance der Algorithmen zu erreichen.rnDie vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile: Im ersten Teil untersuchen wir parallele Kollisionserkennungsalgorithmen. Da wir auf eine Anwendung bei sampling-basierten Bewe- gungsplanern abzielen, w ̈ahlen wir hier eine Problemstellung, bei der wir stets die selben zwei Objekte, aber in einer großen Anzahl von unterschiedlichen Lagen auf Kollision testen. Wir im- plementieren und vergleichen verschiedene Verfahren, die auf Hu ̈llk ̈operhierarchien (BVHs) und hierarchische Grids als Beschleunigungsstrukturen zuru ̈ckgreifen. Alle beschriebenen Verfahren wurden auf mehreren CPU-Kernen parallelisiert. Daru ̈ber hinaus vergleichen wir verschiedene CUDA Kernels zur Durchfu ̈hrung BVH-basierter Kollisionstests auf der GPU. Neben einer un- terschiedlichen Verteilung der Arbeit auf die parallelen GPU Threads untersuchen wir hier die Auswirkung verschiedener Speicherzugriffsmuster auf die Performance der resultierenden Algo- rithmen. Weiter stellen wir eine Reihe von approximativen Kollisionstests vor, die auf den beschriebenen Verfahren basieren. Wenn eine geringere Genauigkeit der Tests tolerierbar ist, kann so eine weitere Verbesserung der Performance erzielt werden.rnIm zweiten Teil der Arbeit beschreiben wir einen von uns entworfenen parallelen, sampling- basierten Bewegungsplaner zur Behandlung hochkomplexer Probleme mit mehreren “narrow passages”. Das Verfahren arbeitet in zwei Phasen. Die grundlegende Idee ist hierbei, in der er- sten Planungsphase konzeptionell kleinere Fehler zuzulassen, um die Planungseffizienz zu erh ̈ohen und den resultierenden Pfad dann in einer zweiten Phase zu reparieren. Der hierzu in Phase I eingesetzte Planer basiert auf sogenannten Expansive Space Trees. Zus ̈atzlich haben wir den Planer mit einer Freidru ̈ckoperation ausgestattet, die es erlaubt, kleinere Kollisionen aufzul ̈osen und so die Effizienz in Bereichen mit eingeschr ̈ankter Bewegungsfreiheit zu erh ̈ohen. Optional erlaubt unsere Implementierung den Einsatz von approximativen Kollisionstests. Dies setzt die Genauigkeit der ersten Planungsphase weiter herab, fu ̈hrt aber auch zu einer weiteren Perfor- mancesteigerung. Die aus Phase I resultierenden Bewegungspfade sind dann unter Umst ̈anden nicht komplett kollisionsfrei. Um diese Pfade zu reparieren, haben wir einen neuartigen Pla- nungsalgorithmus entworfen, der lokal beschr ̈ankt auf eine kleine Umgebung um den bestehenden Pfad einen neuen, kollisionsfreien Bewegungspfad plant.rnWir haben den beschriebenen Algorithmus mit einer Klasse von neuen, schwierigen Metall- Puzzlen getestet, die zum Teil mehrere “narrow passages” aufweisen. Unseres Wissens nach ist eine Sammlung vergleichbar komplexer Benchmarks nicht ̈offentlich zug ̈anglich und wir fan- den auch keine Beschreibung von vergleichbar komplexen Benchmarks in der Motion-Planning Literatur.

Analytische Ableitungen der Energie für den "Equation-of-Motion-Coupled-Cluster"-Ansatz zur Berechnung von Ionisationspotentialen

In der vorliegenden Arbeit wird die Theorie der analytischen zweiten Ableitungen für die EOMIP-CCSD-Methode formuliert sowie die durchgeführte Implementierung im Quantenchemieprogramm CFOUR beschrieben. Diese Ableitungen sind von Bedeutung bei der Bestimmung statischer Polarisierbarkeiten und harmonischer Schwingungsfrequenzen und in dieser Arbeit wird die Genauigkeit des EOMIP-CCSD-Ansatzes bei der Berechnung dieser Eigenschaften für verschiedene radikalische Systeme untersucht. Des Weiteren können mit Hilfe der ersten und zweiten Ableitungen vibronische Kopplungsparameter berechnet werden, welche zur Simulation von Molekülspektren in Kombination mit dem Köppel-Domcke-Cederbaum (KDC)-Modell - in der Arbeit am Beispiel des Formyloxyl (HCO2)-Radikals demonstriert - benötigt werden.rnrnDer konzeptionell einfache EOMIP-CC-Ansatz wurde gewählt, da hier die Wellenfunktion eines Radikalsystems ausgehend von einem stabilen geschlossenschaligen Zustand durch die Entfernung eines Elektrons gebildet wird und somit die Problematik der Symmetriebrechung umgangen werden kann. Im Rahmen der Implementierung wurden neue Programmteile zur Lösung der erforderlichen Gleichungen für die gestörten EOMIP-CC-Amplituden und die gestörten Lagrange-Multiplikatoren zeta zum Quantenchemieprogramm CFOUR hinzugefügt. Die unter Verwendung des Programms bestimmten Eigenschaften werden hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit im Vergleich zu etablierten Methoden wie z.B. CCSD(T) untersucht. Bei der Berechnung von Polarisierbarkeiten und harmonischen Schwingungsfrequenzen liefert die EOMIP-CCSD-Theorie meist gute Resultate, welche nur wenig von den CCSD(T)-Ergebnissen abweichen. Einzig bei der Betrachtung von Radikalen, für die die entsprechenden Anionen nicht stabil sind (z.B. NH2⁻ und CH3⁻), liefert der EOMIP-CCSD-Ansatz aufgrund methodischer Nachteile keine aussagekräftige Beschreibung. rnrnDie Ableitungen der EOMIP-CCSD-Energie lassen sich auch zur Simulation vibronischer Kopplungen innerhalb des KDC-Modells einsetzen.rnZur Kopplung verschiedener radikalischer Zustände in einem solchen Modellpotential spielen vor allem die Ableitungen von Übergangsmatrixelementen eine wichtige Rolle. Diese sogenannten Kopplungskonstanten können in der EOMIP-CC-Theorie besonders leicht definiert und berechnet werden. Bei der Betrachtung des Photoelektronenspektrums von HCO2⁻ werden zwei Alternativen untersucht: Die vertikale Bestimmung an der Gleichgewichtsgeometrie des HCO2⁻-Anions und die Ermittlung adiabatischer Kraftkonstanten an den Gleichgewichtsgeometrien des Radikals. Lediglich das adiabatische Modell liefert bei Beschränkung auf harmonische Kraftkonstanten eine qualitativ sinnvolle Beschreibung des Spektrums. Erweitert man beide Modelle um kubische und quartische Kraftkonstanten, so nähern sich diese einander an und ermöglichen eine vollständige Zuordnung des gemessenen Spektrums innerhalb der ersten 1500 cm⁻¹. Die adiabatische Darstellung erreicht dabei nahezu quantitative Genauigkeit.

Progetto e sviluppo di un banco prova per articolazioni protesiche attive ad un grado di libertà basato su programmable automation controller e motion capture

L'elaborato descrive il lavoro svolto in cinque mesi presso il Centro Protesi INAIL di Budrio (BO), che ha portato allo sviluppo di un banco prova per testare articolazioni elettromeccaniche. I dispositivi target, in particolare, sono stati due gomiti mioelettrici: il primo di produzione interna INAIL e il secondo prodotto da Selex ES in collaborazione con il Centro Protesi stesso. Per il controllo del movimento e l'acquisizione dei segnali elettrici si è scelto il PAC CompactRIO (National Instruments), mentre per le acquisizioni cinematiche di angolo e velocità angolare si è sfruttata la stereofotogrammetria.

Ottimizzazione di un'unita di controllo per protesi mioelettrica di arto superiore e confronto prestazionale tramite programmable automation controller e motion capture

Con il passare degli anni le tecnologie nel campo delle protesi mioelettriche di arto superiore stanno compiendo sempre più passi in avanti. In questo elaborato di tesi si darà un iniziale introduzione sulla protesica di arto superiore cercando di coprire tutte le possibili tipologie di protesi, prestando particolare attenzione agli arti artificiali mioelettrici. Gli scopi di questo studio sono in prima analisi una miglioria dell'unità di controllo di una protesi comandata da segnali elettromiografici di superficie, tramite l'utilizzo del nuovo IDE della Microchip (MPLAB X). In seconda analisi, invece, si attuerà un confronto prestazionale a livello di consumo in corrente di un prototipo di protesi mioelettrica nata dalla sinergia tra l'azienda "Selex ES" e il "Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio". Per questo studio ci si è serviti di stereofotogrammetrica per la determinazione delle grandezze meccaniche, mentre tramite un sistema PAC si è riusciti ad ottenere specifiche grandezze elettriche. Lo studio ha portato, a livello di Firmware, l'inserimento del giusto comando di attuazione di un servofreno comandato in corrente e l'introduzione di una particolare modalità a basso consumo che consente un risparmio energetico di circa il 60% rispetto alla vecchia modalità. Discorso diverso per i risultati del confronto prestazionale che non ha portato ai risultati sperati in fase di progetto.

Pelvic lymph nodes: distribution and nodal tumour burden of urothelial bladder cancer

To evaluate the number of lymph nodes and the lymph node tumour burden in different anatomical pelvic regions to better asses the impact of variations in the extent of lymphadenectomy on reported LN parameters and pelvic tumour clearance.

Determination of Pelvic Orientation from Ultrasound Images Using Patch-SSMs and a Hierarchical Speed of Sound Compensation Strategy

In the field of computer assisted orthopedic surgery (CAOS) the anterior pelvic plane (APP) is a common concept to determine the pelvic orientation by digitizing distinct pelvic landmarks. As percutaneous palpation is - especially for obese patients - known to be error-prone, B-mode ultrasound (US) imaging could provide an alternative means. Several concepts of using ultrasound imaging to determine the APP landmarks have been introduced. In this paper we present a novel technique, which uses local patch statistical shape models (SSMs) and a hierarchical speed of sound compensation strategy for an accurate determination of the APP. These patches are independently matched and instantiated with respect to associated point clouds derived from the acquired ultrasound images. Potential inaccuracies due to the assumption of a constant speed of sound are compensated by an extended reconstruction scheme. We validated our method with in-vitro studies using a plastic bone covered with a soft-tissue simulation phantom and with a preliminary cadaver trial.

The ischial spine sign: does pelvic tilt and rotation matter?

Although the ischial spine sign (ISS) has been advocated to detect acetabular retroversion, it is unknown whether the sign is valid on anteroposterior (AP) pelvic radiographs with tilted or rotated pelves. We therefore evaluated reliability of the ISS as a tool for diagnosing acetabular retroversion in the presence of considerable pelvic tilt and/or malrotation. We obtained radiographs of 20 cadaver pelves in 19 different malorientations resulting in 380 pelvis images (760 hips) for evaluation. In addition, 129 clinical radiographs of patients' hips that had varying pelvis orientations were reviewed. We found an overall sensitivity of 81% (90%), specificity of 70% (71%), positive predictive value of 77% (80.7%), and negative predictive value of 75% (85%) in the cadaver (patient) hips. Our data suggest the ISS is a valid tool for diagnosing acetabular retroversion on plain radiographs taken using a standardized technique regardless of the degree of pelvic tilt and rotation.

Demonstration of pelvic anatomy by modified midline transection that maintains intact internal pelvic organs

Gross dissection for demonstrating anatomy of the human pelvis has traditionally involved one of two approaches, each with advantages and disadvantages. Classic hemisection in the median plane through the pelvic ring transects the visceral organs but maintains two symmetric pelvic halves. An alternative paramedial transection compromises one side of the bony pelvis but leaves the internal organs intact. The authors propose a modified technique that combines advantages of both classical dissections. This novel approach involves dividing the pubic symphysis and sacrum in the median plane after shifting all internal organs to one side. The hemipelvis without internal organs is immediately available for further dissection of the lower limb. The hemipelvis with intact internal organs is ideal for showing the complex spatial relationships of the pelvic organs and vessels relative to the intact pelvic floor.

Management of hemorrhage in severe pelvic injuries

Major pelvic trauma results in high mortality. No standard technique to control pelvic hemorrhage has been identified.

Readaptation of the peritoneum following extended pelvic lymphadenectomy and cystectomy has a significant beneficial impact on early postoperative recovery and complications: results of a prospective randomized trial

Prolonged postoperative pain and delayed intestinal transit are frequent problems following extended pelvic lymph-node dissection (PLND) and cystectomy.

Surface-acoustic-wave counterflow micropumps for on-chip liquid motion control in two-dimensional microchannel arrays

Fully controlled liquid injection and flow in hydrophobic polydimethylsiloxane (PDMS) two-dimensional microchannel arrays based on on-chip integrated, low-voltage-driven micropumps are demonstrated. Our architecture exploits the surface-acoustic-wave (SAW) induced counterflow mechanism and the effect of nebulization anisotropies at crossing areas owing to lateral propagating SAWs. We show that by selectively exciting single or multiple SAWs, fluids can be drawn from their reservoirs and moved towards selected positions of a microchannel grid. Splitting of the main liquid flow is also demonstrated by exploiting multiple SAW beams. As a demonstrator, we show simultaneous filling of two orthogonal microchannels. The present results show that SAW micropumps are good candidates for truly integrated on-chip fluidic networks allowing liquid control in arbitrarily shaped two-dimensional microchannel arrays.

Combining 3D tracking and surgical instrumentation to determine the stiffness of spinal motion segments: a validation study

The spine is a complex structure that provides motion in three directions: flexion and extension, lateral bending and axial rotation. So far, the investigation of the mechanical and kinematic behavior of the basic unit of the spine, a motion segment, is predominantly a domain of in vitro experiments on spinal loading simulators. Most existing approaches to measure spinal stiffness intraoperatively in an in vivo environment use a distractor. However, these concepts usually assume a planar loading and motion. The objective of our study was to develop and validate an apparatus, that allows to perform intraoperative in vivo measurements to determine both the applied force and the resulting motion in three dimensional space. The proposed setup combines force measurement with an instrumented distractor and motion tracking with an optoelectronic system. As the orientation of the applied force and the three dimensional motion is known, not only force-displacement, but also moment-angle relations could be determined. The validation was performed using three cadaveric lumbar ovine spines. The lateral bending stiffness of two motion segments per specimen was determined with the proposed concept and compared with the stiffness acquired on a spinal loading simulator which was considered to be gold standard. The mean values of the stiffness computed with the proposed concept were within a range of ±15% compared to data obtained with the spinal loading simulator under applied loads of less than 5 Nm.