Using Three Dimensional Motion Capture Technology to Describe and Assess Piano Technique: A Case Study

The purpose of the study was to examine any differences that exist in the quality of motions employed by pianists when they are sight-reading versus performing repertoire. A secondary question of interest was whether or not an improvement in the efficiency of motion could be observed between two sight-reading trials of the same musical excerpt. While data analysis for the full study is ongoing, the following results from a case study are illustrative.

Mandibular Angle Fracture Treated With New Three-Dimensional Grid Miniplate

Fractures of the mandibular angle deserve particular attention because they represent the highest percentage of mandibular fractures and have the highest postsurgical complication rate, making them the most challenging and unpredictable mandibular fractures to treat. Despite the evolution in the treatment of maxillofacial trauma and fixation methods, no single treatment modality has been revealed to be ideal for mandibular angle fractures. Several methods of internal fixation have been studied with great variation in complications rates, especially postoperative infections. Recently, new studies have shown reduction of postsurgical complications rates using three-dimensional plates to treat mandibular angle fractures. Nevertheless, only few surgeons have used this type of plate for the treatment of mandibular angle fractures. The aim of this clinical report was to describe a case of a patient with a mandibular angle fracture treated by an intraoral approach and a three-dimensional rectangular grid miniplate with 4 holes, which was stabilized with monocortical screws. The authors show a follow-up of 8 months, without infection and with occlusal stability.

Three-dimensional solitons in cross-combined linear and nonlinear optical lattices

The existence and stability of three-dimensional (3D) solitons, in cross-combined linear and nonlinear optical lattices, are investigated. In particular, with a starting optical lattice (OL) configuration such that it is linear in the x-direction and nonlinear in the y-direction, we consider the z-direction either unconstrained (quasi-2D OL case) or with another linear OL (full 3D case). We perform this study both analytically and numerically: analytically by a variational approach based on a Gaussian ansatz for the soliton wavefunction and numerically by relaxation methods and direct integrations of the corresponding Gross-Pitaevskii equation. We conclude that, while 3D solitons in the quasi-2D OL case are always unstable, the addition of another linear OL in the z-direction allows us to stabilize 3D solitons both for attractive and repulsive mean interactions. From our results, we suggest the possible use of spatial modulations of the nonlinearity in one of the directions as a tool for the management of stable 3D solitons.

Biometry and fetal weight estimation by two-dimensional and three-dimensional ultrasonography: an intraobserver and interobserver reliability and agreement study

Objective To evaluate and compare the intraobserver and interobserver reliability and agreement for the biparietal diameter (BPD), abdominal circumference (AC), femur length (FL) and estimated fetal weight (EFW) obtained by two-dimensional ultrasound (2D-US) and three-dimensional ultrasound (3D-US). Methods Singleton pregnant women between 24 and 40 weeks were invited to participate in this study. They were examined using 2D-US in a blinded manner, twice by one observer, intercalated by a scan by a second observer, to determine BPD, AC and FL. In each of the three examinations, three 3D-US datasets (head, abdomen and thigh) were acquired for measurements of the same parameters. We determined EFW using Hadlock's formula. Systematic errors between 3D-US and 2D-US were examined using the paired t-test. Reliability and agreement were assessed by intraclass correlation coefficients (ICCs), limits of agreement (LoA), SD of differences and proportion of differences below arbitrary points. Results We evaluated 102 singleton pregnancies. No significant systematic error between 2D-US and 3D-US was observed. The ICC values were higher for 3D-US in both intra- and interobserver evaluations; however, only for FL was there no overlap in the 95% CI. The LoA values were wider for 2D-US, suggesting that random errors were smaller when using 3D-US. Additionally, we observed that the SD values determined from 3D-US differences were smaller than those obtained for 2D-US. Higher proportions of differences were below the arbitrarily defined cut-off points when using 3D-US. Conclusion 3D-US improved the reliability and agreement of fetal measurements and EFW compared with 2D-US.

Profiling Three-Dimensional Nuclear Telomeric Architecture of Myelodysplastic Syndromes and Acute Myeloid Leukemia Defines Patient Subgroups

Purpose: Myelodysplastic syndromes (MDS) are a group of disorders characterized by cytopenias, with a propensity for evolution into acute myeloid leukemias (AML). This transformation is driven by genomic instability, but mechanisms remain unknown. Telomere dysfunction might generate genomic instability leading to cytopenias and disease progression. Experimental Design: We undertook a pilot study of 94 patients with MDS (56 patients) and AML (38 patients). The MDS cohort consisted of refractory cytopenia with multilineage dysplasia (32 cases), refractory anemia (12 cases), refractory anemia with excess of blasts (RAEB) 1 (8 cases), RAEB2 (1 case), refractory anemia with ring sideroblasts (2 cases), and MDS with isolated del(5q) (1 case). The AML cohort was composed of AML-M4 (12 cases), AML-M2 (10 cases), AML-M5 (5 cases), AML-M0 (5 cases), AML-M1 (2 cases), AML-M4eo (1 case), and AML with multidysplasia-related changes (1 case). Three-dimensional quantitative FISH of telomeres was carried out on nuclei from bone marrow samples and analyzed using TeloView. Results: We defined three-dimensional nuclear telomeric profiles on the basis of telomere numbers, telomeric aggregates, telomere signal intensities, nuclear volumes, and nuclear telomere distribution. Using these parameters, we blindly subdivided the MDS patients into nine subgroups and the AML patients into six subgroups. Each of the parameters showed significant differences between MDS and AML. Combining all parameters revealed significant differences between all subgroups. Three-dimensional telomeric profiles are linked to the evolution of telomere dysfunction, defining a model of progression from MDS to AML. Conclusions: Our results show distinct three-dimensional telomeric profiles specific to patients with MDS and AML that help subgroup patients based on the severity of telomere dysfunction highlighted in the profiles. Clin Cancer Res; 18(12); 3293-304. (C) 2012 AACR.

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

Experimental Investigation of Three-Dimensional Single and Double optical Lattices

A complete laser cooling setup was built, with focus on threedimensional near-resonant optical lattices for cesium. These consist of regularly ordered micropotentials, created by the interference of four laser beams. One key feature of optical lattices is an inherent ”Sisyphus cooling” process. It efficiently extracts kinetic energy from the atoms, leading to equilibrium temperatures of a few µK. The corresponding kinetic energy is lower than the depth of the potential wells, so that atoms can be trapped. We performed detailed studies of the cooling processes in optical lattices by using the time-of-flight and absorption-imaging techniques. We investigated the dependence of the equilibrium temperature on the optical lattice parameters, such as detuning, optical potential and lattice geometry. The presence of neighbouring transitions in the cesium hyperfine level structure was used to break symmetries in order to identify, which role “red” and “blue” transitions play in the cooling. We also examined the limits for the cooling process in optical lattices, and the possible difference in steady-state velocity distributions for different directions. Moreover, in collaboration with ´Ecole Normale Sup´erieure in Paris, numerical simulations were performed in order to get more insight in the cooling dynamics of optical lattices. Optical lattices can keep atoms almost perfectly isolated from the environment and have therefore been suggested as a platform for a host of possible experiments aimed at coherent quantum manipulations, such as spin-squeezing and the implementation of quantum logic-gates. We developed a novel way to trap two different cesium ground states in two distinct, interpenetrating optical lattices, and to change the distance between sites of one lattice relative to sites of the other lattice. This is a first step towards the implementation of quantum simulation schemes in optical lattices.

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.

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…