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Fast 3D particle reconstruction using a convolutional neural network: application to dusty plasmas
(2021)
AbstractWe present an algorithm to reconstruct the three-dimensional positions of particles in a dense cloud of particles in a dusty plasma using a convolutional neural network. The approach is found to be very fast and yields a relatively high accuracy. In this paper, we describe and examine the approach regarding the particle number and the reconstruction accuracy using synthetic data and experimental data. To show the applicability of the approach the 3D positions of particles in a dense dust cloud in a dusty plasma under weightlessness are reconstructed from stereoscopic camera images using the prescribed neural network.
Entwicklung eines freien Perforator- Fett- Faszienlappens der Arteria epigastrica inferior (DIEAPA) mit geringem Entnahmedefekt zur mikrochirurgischen Rekonstruktion eines Volumendefektes bei querer Gesichtsspalte Einleitung: In der Gesichtschirurgie stellt die Rekonstruktion von reinem Fettgewebe in einer Menge, welche die Möglichkeiten der freien autologen Fettgewebstransplantation mittels Mikrokanülen nach Coleman übersteigt eine besondere Herausforderung dar. In der folgenden Dissertation soll die Entwicklung eines Perforatorgefäß gestielten freien Fett- bzw. Fett- Fascienlappens der Arteria epigastrica inferior und seine erfolgreiche klinische Anwendung zur Volumenrekonstruktion bei einer seltenen Form der queren Gesichtsspalte beschrieben werden. Materieal und Methodik: In anatomischen Studien wurden an 5 formalinfixierten Leichen, davon 2 männliche und 3 weibliche pro Seite jeweils ein periumbilicaler Fett- Fascienlappen gestielt an einem Perforatorgefäß von ca. 2mm präpariert und gehoben. Ein freier Fettlappen der A. epigastrica inferior (DIEA: deep inferior epigastric atery) wurde endoskopisch assistiert gewonnen. In klinischen Studien wurden an 20 Patienten, die sich zur Durchführung von Bauchdeckenreduktionsplastiken in unserer Klinik einfanden, kontinuierliche intra- und postoperative Messungen der interzellulären Sauerstoffkonzentrationen und Gewebetemperaturen mittels Licox Sonden durchgeführt, um den Einfluß der Perforatorgefäße der A. epigastica inferior auf den periumbilikalen Fettpannus zu quantifizieren. Eine Messung erfolgte bei einer Bauchdeckenplastik mit geringer Hautresektion, die endoskopisch assistiert und unter Schonung der lateralen Perforatorgefäße durchgeführt wurde. Bei einer 19 jährigen Patientin mit eine seltenen Form der queren Gesichtsspalte, führten wir eine Volumenrekonstruktion der rechten Gesichtsseite mittels freien Perforatorgefäß gestielten Fett- Fascienlappens der A. epigastica inferior durch. Die Volumenstabilität des mikrochirurgisch anastastomosierten Fettlappens wurde über 2 Jahre mittels Ultraschalluntersuchungen, postoperativen MRTs sowie fotodokumentatorisch nachuntersucht. Ergebnisse: In einem Radius von ca. 8cm um den Bauchnabel herum fanden sich unsymmetrisch 2 bis 5 die Faszie des Muskulus obliquus externus perforierende Gefäße, die nach Präperation in den Muskulus rectus abdominis mikrochirurgisch relevante Gefäßkaliber von mehr als 2 mm aufwiesen. Die intra- und postoperativen interzellulären Sauerstoffkonzentrationen im periumbilikalen Fettpannus zeigten einen massiven Abfall nach Absetzung der Perforatorgefäße der A. epigastrica inferior bei den Bauchdeckenreduktionsplastiken. Ein Perforator gestielter Fett- Fascienlappen der A. epigastrica inferior (DIEAPA) konnte endoskopisch assistiert mit minimalem Entnahmedefekt gehoben und zur Augmentation der Wange bei einer Patientin mit queren Gesichtsspalte eingesetzt werden. Das Transplantat wurde zwei Jahre nachkontrolliert und eine Volumenabnahme von ca. 30% festgestellt werden. Diskussion: Die Entwicklung des perforatorgestielten Fett- Fascienlappens aus der vorderen Bauchregion, sowie seine klinische Anwendung sind nach unserem Wissen in der Literatur noch nicht beschrieben worden und stellen in der rekonstruktiven Chirurgie eine Möglichkeit der autologen Weichgewebeaugmentation mit kaum sichtbaren Entnahmedefekt dar.
In this thesis, a stereoscopic camera system is presented that is designed for the use on parabolic flights for the investigation of dusty plasmas under microgravity conditions. This camera system consists of three synchronously triggered high-speed cameras observing a common volume of approximately (15 × 15 × 15) mm³ size. In this volume, the three-dimensional trajectories of a large number of particles surrounded by a dense dust cloud were reconstructed. For this task an intricate set of reconstruction algorithms has been developed, including a four-frame linking algorithm and a complex combined 2D/3D tracking algorithm for a reliable tracking of 3D particles. Furthermore, these algorithms effectively suppress so-called ghost particles in the evaluation process which are reconstructed from falsely identified 2D particle correspondences. Dusty plasmas under microgravity conditions are of special interest due to their complex structure and the variety of observable dynamic phenomena. Under typical discharge conditions, a central dust-free void is formed, surrounded by a dense particle cloud. Since the void is inherently dust-free, particles shot into the void can be uniquely identified and used to probe plasma properties inside this region. In the dust cloud itself, processes like self-excited dust-density waves can be observed under suitable experimental conditions. Using the presented camera setup and reconstruction algorithms, two parts of a dusty plasma under microgravity on parabolic flights are investigated. Initially, the force field creating and sustaining the central void is deduced and characterized. The combination of ion drag and electric field force is measured and compared to current models of the ion drag, showing a good agreement with these models. While previous investigations on the forces were limited to two-dimensional slices through the void, our measurements represent the first three-dimensional quantitative analysis of a large fraction of the void region. From this analysis the structure of the force field is determined and separated into a radial and a non-radial (or orthogonal) contribution. It is shown that the radial contribution dominates in the central void, while non-radial forces increase in magnitude close to the void edge. The radial domination is also observed in the velocity distribution of the probe particles which is significantly shifted to radially outward directed velocities for particles leaving the void. Assuming a strictly radial force profile in the horizontal mid-plane of the void, the friction coefficient determining the interaction of the probe particles with the neutral gas background is experimentally determined and shown to match the theoretical expectation. Subsequently, particles at the outer surface of the dust cloud are reconstructed. There, the particles are found to oscillate due to dust-density waves propagating through the high-density dust cloud. For the investigation of the correlation between waves and oscillating particles, the instantaneous wave and oscillation properties are determined and the instantaneous phase difference is obtained. Modeling the probe particles as driven, damped harmonic oscillators, these phase differences between waves and particles are interpreted with respect to the resonance frequency of the oscillating particles. Spatial variations of the phase difference are observed that may be attributed to different frequencies of the dust-density waves, or to changes of the resonance frequency induced by changing local plasma parameters. From a few measurements of particles oscillating at their resonance frequency, information about the surrounding plasma or properties of the particles themselves can be deduced. However, a larger number of reconstructed trajectories is necessary in order to interpret the phase differences on a reliable data basis. The presented camera setup in combination with the evaluation algorithms is a flexible system for the investigation of three-dimensional dusty plasmas. Its robust construction allows the operation of the system in challenging environments such as on parabolic flights, where spatial limitations and vibrations produced by the aircraft make special demands on such a diagnostic tool. This versatility makes our stereoscopic camera setup and the reconstruction process a suitable standard diagnostic for the application with dusty plasmas; this system will therefore be used in future research amongst other things for the investigation of boundary layers in extended three-dimensional dust clouds under microgravity.