Biomechanical influence of crown-to-implant ratio on stress distribution over internal hexagon short implant: 3-D finite element analysis with statistical test

The study of short implants is relevant to the biomechanics of dental implants, and research on crown increase has implications for the daily clinic. The aim of this study was to analyze the biomechanical interactions of a singular implant-supported prosthesis of different crown heights under vertical and oblique force, using the 3-D finite element method. Six 3-D models were designed with Invesalius 3.0, Rhinoceros 3D 4.0, and Solidworks 2010 software. Each model was constructed with a mandibular segment of bone block, including an implant supporting a screwed metal-ceramic crown. The crown height was set at 10, 12.5, and 15 mm. The applied force was 200 N (axial) and 100 N (oblique). We performed an ANOVA statistical test and Tukey tests; p < 0.05 was considered statistically significant. The increase of crown height did not influence the stress distribution on screw prosthetic (p > 0.05) under axial load. However, crown heights of 12.5 and 15 mm caused statistically significant damage to the stress distribution of screws and to the cortical bone (p <0.001) under oblique load. High crown to implant (C/I) ratio harmed microstrain distribution on bone tissue under axial and oblique loads (p < 0.001). Crown increase was a possible deleterious factor to the screws and to the different regions of bone tissue. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A 3-D finite element study of the influence of crown-implant ratio on stress distribution

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Fatigue crack growth assessments in welded components including crack closure effects: Experiments and 3-D numerical modeling

This work provides a numerical and experimental investigation of fatigue crack growth behavior in steel weldments including crack closure effects and their coupled interaction with weld strength mismatch. A central objective of this study is to extend previously developed frameworks for evaluation of crack clo- sure effects on FCGR to steel weldments while, at the same time, gaining additional understanding of commonly adopted criteria for crack closure loads and their influence on fatigue life of structural welds. Very detailed non-linear finite element analyses using 3-D models of compact tension C ( T ) fracture spec- imens with center cracked, square groove welds provide the evolution of crack growth with cyclic stress intensity factor which is required for the estimation of the closure loads. Fatigue crack growth tests con- ducted on plane-sided, shallow-cracked C ( T ) specimens provide the necessary data against which crack closure effects on fatigue crack growth behavior can be assessed. Overall, the present investigation pro- vides additional support for estimation procedures of plasticity-induced crack closure loads in fatigue analyses of structural steels and their weldments

3-D geometry reconstruction using a color image stereo pair and partial differential equations

[EN] In this work, we present a new model for a dense disparity estimation and the 3-D geometry reconstruction using a color image stereo pair. First, we present a brief introduction to the 3-D Geometry of a camera system. Next, we propose a new model for the disparity estimation based on an energy functional. We look for the local minima of the energy using the associate Euler-Langrage partial differential equations. This model is a generalization to color image of the model developed in, with some changes in the strategy to avoid the irrelevant local minima. We present some numerical experiences of 3-D reconstruction, using this method some real stereo pairs.

Reconstrucción 3-D a partir de un par estéreo de imágenes en color utilizando ecuaciones en derivadas parciales

[ES] En este trabajo proponemos un nuevo modelo para el cálculo de la disparidad y la reconstrucción 3-D a partir de un sistema estéreo compuesto por 2 imágenes en color. Proponemos un nuevo modelo para el cálculo de la disparidad basado en un criterio de energía. Para calcular los mínimos de este funcional de energía utilizamos la ecuación en derivadas parciales de Euler-Langrage asociada. Este modelo es una extensión a imágenes color del modelo desarrollado en "L. Alvarez, R. Deriche, J. Sánchez and J. Weickert, Dense disparity map estimation respecting image discontinuities : A PDE and Scale-Space Based Approach. INRIA Rapport de Recherche Nº 3874, 2000". Con algunos cambios en la estrategia parav evitar caer en mínimos locales de la energía. Por último presentamos algunas experiencias numéricas de la reconstrucción 3-D obtenida con este método en algunos pares estéreos de imágenes reales.

3-D reconstruction of the human skeleton during motion

L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto, dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici, richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche della stessa. Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la stereofotogrammetria. Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al. 2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente, uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti sulla cute” (Andriacchi et al. 2000). Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio, attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici. Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche. L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale (Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale strumentazione in alcuni casi può essere invasiva. Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto onerosa (Simon 2004). La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo. Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005), (Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione sviluppata ad-hoc. Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici perseguendo i seguenti obiettivi: 1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza, la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica articolare, 2. diminuire il tempo richiesto, 3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita anche da personale non specializzato. Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei seguenti metodi: • Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato manualmente. • E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle. • E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore, rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’ stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16 repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15 minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.

3-D Boundary element-finite element method for the dynamic analysis of piled buildings.

[EN]A boundary element-finite element model is presented for the three-dimensional dynamic analysis of piled buildings in the frequency domain. Piles are modelled as compressible Euler-Bernoulli beams founded on a linear, isotropic, viscoelastic, zoned-homogeneous, unbounded layered soil, while multi-storey buildings are assumed to be comprised of vertical compressible piers and rigid slabs.

Comparison between 2.5-D and 3-D realistic models for wind field adjustment

[EN]In previous works, many authors have widely used mass consistent models for wind field simulation by the finite element method. On one hand, we have developed a 3-D mass consistent model by using tetrahedral meshes which are simultaneously adapted to complex orography and to terrain roughness length. In addition, we have included a local refinement strategy around several measurement or control points, significant contours, as for example shorelines, or numerical solution singularities. On the other hand, we have developed a 2.5-D model for simulating the wind velocity in a 3-D domain in terms of the terrain elevation, the surface temperature and the meteorological wind, which is consider as an averaged wind on vertical boundaries...

The meccano method for automatic 3-d triangulation and volume parametrization of complex solids

[EN]In this paper we review the novel meccano method. We summarize the main stages (subdivision, mapping, optimization) of this automatic tetrahedral mesh generation technique and we concentrate the study to complex genus-zero solids. In this case, our procedure only requires a surface triangulation of the solid. A crucial consequence of our method is the volume parametrization of the solid to a cube. We construct volume T-meshes for isogeometric analysis by using this result. The efficiency of the proposed technique is shown with several examples. A comparison between the meccano method and standard mesh generation techniques is introduced.-1…

3-D wind field simulation over complex terrain

[EN]A new methodology for wind field simulation or forecasting over complex terrain is introduced. The idea is to use wind measurements or predictions of the HARMONIE mesoscale model as the input data for an adaptive finite element mass consistent wind model. The method has been recently implemented in the freely-available Wind3D code. A description of the HARMONIE Non-Hydrostatic Dynamics can be found in. HARMONIE provides wind prediction with a maximum resolution about 1 Km that is refined by the finite element model in a local scale (about a few meters). An interface between both models is implemented such that the initial wind field approximation is obtained by a suitable interpolation of the HARMONIE results…

Reaching to a target in the 3-D space

Reaching and grasping an object is an action that can be performed in light, under visual guidance, as well as in darkness, under proprioceptive control only. Area V6A is a visuomotor area involved in the control of reaching movements. V6A, besides neurons activated by the execution of reaching movements, shows passive somatosensory and visual responses. This suggests fro V6A a multimodal capability of integrating sensory and motor-related information, We wanted to know whether this integration occurrs in reaching movements and in the present study we tested whether the visual feedback influenced the reaching activity of V6A neurons. In order to better address this question, we wanted to interpret the neural data in the light of the kinematic of reaching performance. We used an experimental paradigm that could examine V6A responses in two different visual backgrounds, light and dark. In these conditions, the monkey performed an istructed-delay reaching task moving the hand towards different target positions located in the peripersonal space. During the execution of reaching task, the visual feedback is processed in a variety of patterns of modulation, sometimes not expected. In fact, having already demonstrated in V6A reach-related discharges in absence of visual feedback, we expected two types of neural modulation: 1) the addition of light in the environment enhanced reach-related discharges recorded in the dark; 2) the light left the neural response unmodified. Unexpectedly, the results show a complex pattern of modulation that argues against a simple additive interaction between visual and motor-related signals.

Coding of reaching in 3-D space

Many psychophysical studies suggest that target depth and direction during reaches are processed independently, but the neurophysiological support to this view is so far limited. Here, we investigated the representation of reach depth and direction by single neurons in an area of the medial posterior parietal cortex (V6A). Single-unit activity was recorded from V6A in two Macaca fascicularis monkeys performing a fixation-to-reach task to targets at different depths and directions. We found that in a substantial percentage of V6A neurons depth and direction signals jointly influenced fixation, planning and arm movement-related activity in 3D space. While target depth and direction were equally encoded during fixation, depth tuning became stronger during arm movement planning, execution and target holding. The spatial tuning of fixation activity was often maintained across epochs, and this occurred more frequently in depth. These findings support for the first time the existence of a common neural substrate for the encoding of target depth and direction during reaching movements in the posterior parietal cortex. Present results also highlight the presence in V6A of several types of cells that process independently or jointly eye position and arm movement planning and execution signals in order to control reaches in 3D space. It is possible that depth and direction influence also the metrics of the reach action and that this effect on the reach kinematic variables can account for the spatial tuning we found in V6A neural activity. For this reason, we recorded and analyzed behavioral data when one monkey performed reaching movements in 3-D space. We evaluated how the target spatial position, in particular target depth and target direction, affected the kinematic parameters and trajectories describing the motor action properties.

Monitoring the extracellular matrix mineralization processes in biological scaffolds using bioreactors, x-ray μct technology and 3-d modeling methods (monitoraggio dei processi di mineralizzazione della matrice extracellulare in scaffolds biologici, utilizzando bioreattore, tecnologia μct a raggi x e metodi di modellizzazione 3d)

Al fine di migliorare le tecniche di coltura cellulare in vitro, sistemi a bioreattore sono sempre maggiormente utilizzati, e.g. ingegnerizzazione del tessuto osseo. Spinner Flasks, bioreattori rotanti e sistemi a perfusione di flusso sono oggi utilizzati e ogni sistema ha vantaggi e svantaggi. Questo lavoro descrive lo sviluppo di un semplice bioreattore a perfusione ed i risultati della metodologia di valutazione impiegata, basata su analisi μCT a raggi-X e tecniche di modellizzazione 3D. Un semplice bioreattore con generatore di flusso ad elica è stato progettato e costruito con l'obiettivo di migliorare la differenziazione di cellule staminali mesenchimali, provenienti da embrioni umani (HES-MP); le cellule sono state seminate su scaffold porosi di titanio che garantiscono una migliore adesione della matrice mineralizzata. Attraverso un microcontrollore e un'interfaccia grafica, il bioreattore genera tre tipi di flusso: in avanti (senso orario), indietro (senso antiorario) e una modalità a impulsi (avanti e indietro). Un semplice modello è stato realizzato per stimare la pressione generata dal flusso negli scaffolds (3•10-2 Pa). Sono stati comparati tre scaffolds in coltura statica e tre all’interno del bioreattore. Questi sono stati incubati per 21 giorni, fissati in paraformaldehyde (4% w/v) e sono stati soggetti ad acquisizione attraverso μCT a raggi-X. Le immagini ottenute sono state poi elaborate mediante un software di imaging 3D; è stato effettuato un sezionamento “virtuale” degli scaffolds, al fine di ottenere la distribuzione del gradiente dei valori di grigio di campioni estratti dalla superficie e dall’interno di essi. Tale distribuzione serve per distinguere le varie componenti presenti nelle immagini; in questo caso gli scaffolds dall’ipotetica matrice cellulare. I risultati mostrano che sia sulla superficie che internamente agli scaffolds, mantenuti nel bioreattore, è presente una maggiore densità dei gradienti dei valori di grigio ciò suggerisce un migliore deposito della matrice mineralizzata. Gli insegnamenti provenienti dalla realizzazione di questo bioreattore saranno utilizzati per progettare una nuova versione che renderà possibile l’analisi di più di 20 scaffolds contemporaneamente, permettendo un’ulteriore analisi della qualità della differenziazione usando metodologie molecolari ed istochimiche.