Computational simulation methodologies for mechanobiological modelling: a cell-centred approach to neointima development in stents

The design of medical devices could be very much improved if robust tools were available for computational simulation of tissue response to the presence of the implant. Such tools require algorithms to simulate the response of tissues to mechanical and chemical stimuli. Available methodologies include those based on the principle of mechanical homeostasis, those which use continuum models to simulate biological constituents, and the cell-centred approach, which models cells as autonomous agents. In the latter approach, cell behaviour is governed by rules based on the state of the local environment around the cell; and informed by experiment. Tissue growth and differentiation requires simulating many of these cells together. In this paper, the methodology and applications of cell-centred techniques-with particular application to mechanobiology-are reviewed, and a cell-centred model of tissue formation in the lumen of an artery in response to the deployment of a stent is presented. The method is capable of capturing some of the most important aspects of restenosis, including nonlinear lesion growth with time. The approach taken in this paper provides a framework for simulating restenosis; the next step will be to couple it with more patient-specific geometries and quantitative parameter data.

Multiscale simulation of nanometric cutting of single crystal copper and its experimental validation

In this paper a multiscale simulation study was carried out in order to gain in-depth understanding of machining mechanism of nanometric cutting of single crystal copper. This study was focused on the effects of crystal orientation and cutting direction on the attainable machined surface quality. The machining mechanics was analyzed through cutting forces, chip formation morphology, generation and evolution of defects and residual stresses on the machined surface. The simulation results showed that the crystal orientation of the copper material and the cutting direction significantly influenced the deformation mechanism of the workpiece materials during the machining process. Relatively lower cutting forces were experienced while selecting crystal orientation family {1 1 1}. Dislocation movements were found to concentrate in front of the cutting chip while cutting on the (1 1 1) surface along the View the MathML source cutting direction thus, resulting in much smaller damaged layer on the machined surface, compared to other orientations. This crystal orientation and cutting direction therefore recommended for nanometric cutting of single crystal copper in practical applications. A nano-scratching experiment was performed to validate the above findings.

Evaluation of drilling process in Ti6Al4V using 3D FE simulation

Drilling of Ti6Al4V is investigated experimentally and numerically. A 3D finite element model developed based on Lagrangian approach using commercial finite element software ABAQUS/explicit. 3D complex drill geometry is included in the model. The drilling process simulations are performed at the combinations of three cutting speed and four feed rates. The effects of cutting parameters on the induced thrust force and torque are predicted by the developed model. For validation purpose, experimental trials have been performed in similar condition to the simulations. The forces and torques measured during experiment are compared to the results of the finite element analysis. The agreement of the experimental results for force and torque values with the FE results is very good. Moreover, surface roughness of the holes was measured for mapping of machining. Copyright © 2013 Inderscience Enterprises Ltd.

Application du concept des transactions pour la modélisation et la simulation multicoeur des systèmes sur puce

Avec la complexité croissante des systèmes sur puce, de nouveaux défis ne cessent d’émerger dans la conception de ces systèmes en matière de vérification formelle et de synthèse de haut niveau. Plusieurs travaux autour de SystemC, considéré comme la norme pour la conception au niveau système, sont en cours afin de relever ces nouveaux défis. Cependant, à cause du modèle de concurrence complexe de SystemC, relever ces défis reste toujours une tâche difficile. Ainsi, nous pensons qu’il est primordial de partir sur de meilleures bases en utilisant un modèle de concurrence plus efficace. Par conséquent, dans cette thèse, nous étudions une méthodologie de conception qui offre une meilleure abstraction pour modéliser des composants parallèles en se basant sur le concept de transaction. Nous montrons comment, grâce au raisonnement simple que procure le concept de transaction, il devient plus facile d’appliquer la vérification formelle, le raffinement incrémental et la synthèse de haut niveau. Dans le but d’évaluer l’efficacité de cette méthodologie, nous avons fixé l’objectif d’optimiser la vitesse de simulation d’un modèle transactionnel en profitant d’une machine multicoeur. Nous présentons ainsi l’environnement de modélisation et de simulation parallèle que nous avons développé. Nous étudions différentes stratégies d’ordonnancement en matière de parallélisme et de surcoût de synchronisation. Une expérimentation faite sur un modèle du transmetteur Wi-Fi 802.11a a permis d’atteindre une accélération d’environ 1.8 en utilisant deux threads. Avec 8 threads, bien que la charge de travail des différentes transactions n’était pas importante, nous avons pu atteindre une accélération d’environ 4.6, ce qui est un résultat très prometteur.

Implémentation de la répartition de charge et du mode TOT pour la simulation d’un détecteur Timepix à pixels

Les détecteurs à pixels Medipix ont été développés par la collaboration Medipix et permettent de faire de l'imagerie en temps réel. Leur surface active de près de $2\cm^2$ est divisée en 65536~pixels de $55\times 55\um^2$ chacun. Seize de ces détecteurs, les Medipix2, sont installés dans l'expérience ATLAS au CERN afin de mesurer en temps réel les champs de radiation produits par les collisions de hadrons au LHC. Ils seront prochainement remplacés par des Timepix, la plus récente version de ces détecteurs, qui permettent de mesurer directement l'énergie déposée dans chaque pixel en mode \textit{time-over-threshold} (TOT) lors du passage d'une particule dans le semi-conducteur. En vue d'améliorer l'analyse des données recueillies avec ces détecteurs Timepix dans ATLAS, un projet de simulation Geant4 a été amorcé par John Id\'{a}rraga à l'Université de Montréal. Dans le cadre de l'expérience ATLAS, cette simulation pourra être utilisée conjointement avec Athena, le programme d'analyse d'ATLAS, et la simulation complète du détecteur ATLAS. Sous l'effet de leur propre répulsion, les porteurs de charge créés dans le semi-conducteur sont diffusés vers les pixels adjacents causant un dépôt d'énergie dans plusieurs pixels sous l'effet du partage de charges. Un modèle effectif de cette diffusion latérale a été développé pour reproduire ce phénomène sans résoudre d'équation différentielle de transport de charge. Ce modèle, ainsi que le mode TOT du Timepix, qui permet de mesurer l'énergie déposée dans le détecteur, ont été inclus dans la simulation afin de reproduire adéquatement les traces laissées par les particules dans le semi-conducteur. On a d'abord étalonné le détecteur pixel par pixel à l'aide d'une source de $\Am$ et de $\Ba$. Ensuite, on a validé la simulation à l'aide de mesures d'interactions de protons et de particules $\alpha$ produits au générateur Tandem van de Graaff du Laboratoire René-J.-A.-Lévesque de l'Université de Montréal.

L’impact d’une simulation sur des dispositifs mobiles et en situation de collaboration sur la compréhension de l’effet photoélectrique au niveau collégial

L’innovation pédagogique pour elle-même s’avère parfois discutable, mais elle se justifie quand les enseignants se heurtent aux difficultés d’apprentissage de leurs étudiants. En particulier, certaines notions de physique sont réputées difficiles à appréhender par les étudiants, comme c’est le cas pour l’effet photoélectrique qui n’est pas souvent compris par les étudiants au niveau collégial. Cette recherche tente de déterminer si, dans le cadre d’un cours de physique, la simulation de l’effet photoélectrique et l’utilisation des dispositifs mobiles et en situation de collaboration favorisent une évolution des conceptions des étudiants au sujet de la lumière. Nous avons ainsi procédé à l’élaboration d’un scénario d’apprentissage collaboratif intégrant une simulation de l’effet photoélectrique sur un ordinateur de poche. La conception du scénario a d’abord été influencée par notre vision socioconstructiviste de l’apprentissage. Nous avons effectué deux études préliminaires afin de compléter notre scénario d’apprentissage et valider la plateforme MobileSim et l’interface du simulateur, que nous avons utilisées dans notre expérimentation : la première avec des ordinateurs de bureau et la seconde avec des ordinateurs de poche. Nous avons fait suivre à deux groupes d’étudiants deux cours différents, l’un portant sur une approche traditionnelle d’enseignement, l’autre basé sur le scénario d’apprentissage collaboratif élaboré. Nous leur avons fait passer un test évaluant l’évolution conceptuelle sur la nature de la lumière et sur le phénomène de l’effet photoélectrique et concepts connexes, à deux reprises : la première avant que les étudiants ne s’investissent dans le cours et la seconde après la réalisation des expérimentations. Nos résultats aux prétest et post-test sont complétés par des entrevues individuelles semi-dirigées avec tous les étudiants, par des enregistrements vidéo et par des traces récupérées des fichiers logs ou sur papier. Les étudiants du groupe expérimental ont obtenu de très bons résultats au post-test par rapport à ceux du groupe contrôle. Nous avons enregistré un gain moyen d’apprentissage qualifié de niveau modéré selon Hake (1998). Les résultats des entrevues ont permis de repérer quelques difficultés conceptuelles d’apprentissage chez les étudiants. L’analyse des données recueillies des enregistrements des séquences vidéo, des questionnaires et des traces récupérées nous a permis de mieux comprendre le processus d’apprentissage collaboratif et nous a dévoilé que le nombre et la durée des interactions entre les étudiants sont fortement corrélés avec le gain d’apprentissage. Ce projet de recherche est d’abord une réussite sur le plan de la conception d’un scénario d’apprentissage relatif à un phénomène aussi complexe que l’effet photoélectrique, tout en respectant de nombreux critères (collaboration, simulation, dispositifs mobiles) qui nous paraissaient extrêmement utopiques de réunir dans une situation d’apprentissage en classe. Ce scénario pourra être adapté pour l’apprentissage d’autres notions de la physique et pourra être considéré pour la conception des environnements collaboratifs d’apprentissage mobile innovants, centrés sur les besoins des apprenants et intégrant les technologies au bon moment et pour la bonne activité.

A dynamic sequential route choice model for micro-simulation

Dans les études sur le transport, les modèles de choix de route décrivent la sélection par un utilisateur d’un chemin, depuis son origine jusqu’à sa destination. Plus précisément, il s’agit de trouver dans un réseau composé d’arcs et de sommets la suite d’arcs reliant deux sommets, suivant des critères donnés. Nous considérons dans le présent travail l’application de la programmation dynamique pour représenter le processus de choix, en considérant le choix d’un chemin comme une séquence de choix d’arcs. De plus, nous mettons en œuvre les techniques d’approximation en programmation dynamique afin de représenter la connaissance imparfaite de l’état réseau, en particulier pour les arcs éloignés du point actuel. Plus précisément, à chaque fois qu’un utilisateur atteint une intersection, il considère l’utilité d’un certain nombre d’arcs futurs, puis une estimation est faite pour le restant du chemin jusqu’à la destination. Le modèle de choix de route est implanté dans le cadre d’un modèle de simulation de trafic par événements discrets. Le modèle ainsi construit est testé sur un modèle de réseau routier réel afin d’étudier sa performance.

Verfahren zur echtzeitfähigen Simulation dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Schadstoffe von Ottomotoren

Im Rahmen dieser Arbeit werden Modellbildungsverfahren zur echtzeitfähigen Simulation wichtiger Schadstoffkomponenten im Abgasstrom von Verbrennungsmotoren vorgestellt. Es wird ein ganzheitlicher Entwicklungsablauf dargestellt, dessen einzelne Schritte, beginnend bei der Ver-suchsplanung über die Erstellung einer geeigneten Modellstruktur bis hin zur Modellvalidierung, detailliert beschrieben werden. Diese Methoden werden zur Nachbildung der dynamischen Emissi-onsverläufe relevanter Schadstoffe des Ottomotors angewendet. Die abgeleiteten Emissionsmodelle dienen zusammen mit einer Gesamtmotorsimulation zur Optimierung von Betriebstrategien in Hybridfahrzeugen. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird eine systematische Vorgehensweise zur Planung und Erstellung von komplexen, dynamischen und echtzeitfähigen Modellstrukturen aufgezeigt. Es beginnt mit einer physikalisch motivierten Strukturierung, die eine geeignete Unterteilung eines Prozessmodells in einzelne überschaubare Elemente vorsieht. Diese Teilmodelle werden dann, jeweils ausgehend von einem möglichst einfachen nominalen Modellkern, schrittweise erweitert und ermöglichen zum Abschluss eine robuste Nachbildung auch komplexen, dynamischen Verhaltens bei hinreichender Genauigkeit. Da einige Teilmodelle als neuronale Netze realisiert werden, wurde eigens ein Verfah-ren zur sogenannten diskreten evidenten Interpolation (DEI) entwickelt, das beim Training einge-setzt, und bei minimaler Messdatenanzahl ein plausibles, also evidentes Verhalten experimenteller Modelle sicherstellen kann. Zum Abgleich der einzelnen Teilmodelle wurden statistische Versuchs-pläne erstellt, die sowohl mit klassischen DoE-Methoden als auch mittels einer iterativen Versuchs-planung (iDoE ) generiert wurden. Im zweiten Teil der Arbeit werden, nach Ermittlung der wichtigsten Einflussparameter, die Model-strukturen zur Nachbildung dynamischer Emissionsverläufe ausgewählter Abgaskomponenten vor-gestellt, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Stickstoffmonoxid (NO) sowie Kohlenmono-xid (CO). Die vorgestellten Simulationsmodelle bilden die Schadstoffkonzentrationen eines Ver-brennungsmotors im Kaltstart sowie in der anschließenden Warmlaufphase in Echtzeit nach. Im Vergleich zur obligatorischen Nachbildung des stationären Verhaltens wird hier auch das dynami-sche Verhalten des Verbrennungsmotors in transienten Betriebsphasen ausreichend korrekt darge-stellt. Eine konsequente Anwendung der im ersten Teil der Arbeit vorgestellten Methodik erlaubt, trotz einer Vielzahl von Prozesseinflussgrößen, auch hier eine hohe Simulationsqualität und Ro-bustheit. Die Modelle der Schadstoffemissionen, eingebettet in das dynamische Gesamtmodell eines Ver-brennungsmotors, werden zur Ableitung einer optimalen Betriebsstrategie im Hybridfahrzeug ein-gesetzt. Zur Lösung solcher Optimierungsaufgaben bieten sich modellbasierte Verfahren in beson-derer Weise an, wobei insbesondere unter Verwendung dynamischer als auch kaltstartfähiger Mo-delle und der damit verbundenen Realitätsnähe eine hohe Ausgabequalität erreicht werden kann.

Evaluation of the effectiveness of an organization in the field of brand perception using a computer agent-based simulation system

Este proyecto de investigación busca usar un sistema de cómputo basado en modelación por agentes para medir la percepción de marca de una organización en una población heterogénea. Se espera proporcionar información que permita dar soluciones a una organización acerca del comportamiento de sus consumidores y la asociada percepción de marca. El propósito de este sistema es el de modelar el proceso de percepción-razonamiento-acción para simular un proceso de razonamiento como el resultado de una acumulación de percepciones que resultan en las acciones del consumidor. Este resultado definirá la aceptación de marca o el rechazo del consumidor hacia la empresa. Se realizó un proceso de recolección información acerca de una organización específica en el campo de marketing. Después de compilar y procesar la información obtenida de la empresa, el análisis de la percepción de marca es aplicado mediante procesos de simulación. Los resultados del experimento son emitidos a la organización mediante un informe basado en conclusiones y recomendaciones a nivel de marketing para mejorar la percepción de marca por parte de los consumidores.

Calculation of Franck-Condon factors including anharmonicity: simulation of the C2 H4+ X̃2B 3u←C2 H4X̃1 Ag band in the photoelectron spectrum of ethylene

Our new simple method for calculating accurate Franck-Condon factors including nondiagonal (i.e., mode-mode) anharmonic coupling is used to simulate the C2H4+X2B 3u←C2H4X̃1 Ag band in the photoelectron spectrum. An improved vibrational basis set truncation algorithm, which permits very efficient computations, is employed. Because the torsional mode is highly anharmonic it is separated from the other modes and treated exactly. All other modes are treated through the second-order perturbation theory. The perturbation-theory corrections are significant and lead to a good agreement with experiment, although the separability assumption for torsion causes the C2 D4 results to be not as good as those for C2 H4. A variational formulation to overcome this circumstance, and deal with large anharmonicities in general, is suggested

Laboratory simulation of terrestrial meteorite weathering using the Bensour (LL6) ordinary chondrite

Laboratory dissolution experiments using the LL6 ordinary chondrite Bensour demonstrate that meteoritic minerals readily react with distilled water at low temperatures, liberating ions into solution and forming reaction products. Three experiments were performed, all for 68 days and at atmospheric fO(2) but using a range of water/rock ratios and different ternperatures. Experiments I and 2 were batch experiments and undertaken at room temperature, whereas in experiment 3, condensed boiling water was dripped onto meteorite subsamples within a Soxhlet extractor. Solutions from experiment 1 were chemically analyzed at the end of the experiment, whereas aliquots were extracted from experiments 2 and 3 for analysis at regular intervals. In all three experiments, a very significant proportion of the Na, Cl, and K within the Bensour subsamples entered solution, demonstrating that chlorapatite and feldspar were especially susceptible to dissolution. Concentrations of Mg, Al, Si, Ca, and Fe in solution were strongly affected by the precipitation of reaction products and Mg and Ca may also have been removed by sorption. Calculations predict saturation of experimental solutions with respect to Al hydroxides, Fe oxides, and Fe (oxy)hydroxides, which would have frequently been accompanied by hydrous aluminosilicates. Some reaction products were identified and include silica, a Mg-rich silicate, Fe oxides, and Fe (oxy)hydroxides. The implications of these results are that even very short periods of subaerial exposure of ordinary chondrites will lead to dissolution of primary minerals and crystallization of weathering products that are likely to include aluminosilicates and silicates, Mg-Ca carbonates, and sulfates in addition to the ubiquitous Fe oxides and (oxy)hydroxides.

Molecular dynamics simulation of interactions between a sodium dodecyl sulfate micelle and a poly(ethylene oxide) polymer

We have performed atomistic molecular dynamics simulations of an anionic sodium dodecyl sulfate (SDS) micelle and a nonionic poly(ethylene oxide) (PEO) polymer in aqueous solution. The micelle consisted of 60 surfactant molecules, and the polymer chain lengths varied from 20 to 40 monomers. The force field parameters for PEO were adjusted by using 1,2-dimethoxymethane (DME) as a model compound and matching its hydration enthalpy and conformational behavior to experiment. Excellent agreement with previous experimental and simulation work was obtained through these modifications. The simulated scaling behavior of the PEO radius of gyration was also in close agreement with experimental results. The SDS-PEO simulations show that the polymer resides on the micelle surface and at the hydrocarbon-water interface, leading to a selective reduction in the hydrophobic contribution to the solvent-accessible surface area of the micelle. The association is mainly driven by hydrophobic interactions between the polymer and surfactant tails, while the interaction between the polymer and sulfate headgroups on the micelle surface is weak. The 40-monomer chain is mostly wrapped around the micelle, and nearly 90% of the monomers are adsorbed at low PEO concentration. Simulations were also performed with multiple 20-monomer chains, and gradual addition of polymer indicates that about 120 monomers are required to saturate the micelle surface. The stoichiometry of the resulting complex is in close agreement with experimental results, and the commonly accepted "beaded necklace" structure of the SDS-PEO complex is recovered by our simulations.

Summer drought in northern midlatitudes in a time-dependent CO2 climate experiment

A time-dependent climate-change experiment with a coupled ocean–atmosphere general circulation model has been used to study changes in the occurrence of drought in summer in southern Europe and central North America. In both regions, precipitation and soil moisture are reduced in a climate of greater atmospheric carbon dioxide. A detailed investigation of the hydrology of the model shows that the drying of the soil comes about through an increase in evaporation in winter and spring, caused by higher temperatures and reduced snow cover, and a decrease in the net input of water in summer. Evaporation is reduced in summer because of the drier soil, but the reduction in precipitation is larger. Three extreme statistics are used to define drought, namely the frequency of low summer precipitation, the occurrence of long dry spells, and the probability of dry soil. The last of these is arguably of the greatest practical importance, but since it is based on soil moisture, of which there are very few observations, the authors’ simulation of it has the least confidence. Furthermore, long time series for daily observed precipitation are not readily available from a sufficient number of stations to enable a thorough evaluation of the model simulation, especially for the frequency of long dry spells, and this increases the systematic uncertainty of the model predictions. All three drought statistics show marked increases owing to the sensitivity of extreme statistics to changes in their distributions. However, the greater likelihood of long dry spells is caused by a tendency in the character of daily rainfall toward fewer events, rather than by the reduction in mean precipitation. The results should not be taken as firm predictions because extreme statistics for small regions cannot be calculated reliably from the output of the current generation of GCMs, but they point to the possibility of large increases in the severity of drought conditions as a consequence of climate change caused by increased CO2.

Context and aims of the Aqua-Planet Experiment

The Aqua-Planet Experiment (APE) was first proposed by Neale and Hoskins (2000a) as a benchmark for atmospheric general circulation models (AGCMs) on an idealised water-covered Earth. The experiment and its aims are summarised, and its context within a modelling hierarchy used to evaluate complex models and to provide a link between realistic simulation and conceptual models of atmospheric phenomena is discussed. The simplified aqua-planet configuration bridges a gap in the existing hierarchy. It is designed to expose differences between models and to focus attention on particular phenomena and their response to changes in the underlying distribution of sea surface temperature.

Secular trends in daily precipitation characteristics: greenhouse gas simulation with a coupled AOGCM

Secular trends of daily precipitation characteristics are considered in the transient climate change experiment with a coupled atmosphere-ocean general circulation model ECHAM4/OPYC3 for 1900-2099. The climate forcing is due to increasing concentrations of the greenhouse gases in the atmosphere. Mean daily precipitation, precipitation intensity, probability of wet days and parameters of the gamma distribution are analyzed. Particular attention is paid to the changes of heavy precipitation, Analysis of the annual mean precipitation trends for 1900-1999 revealed general agreement with observations with significant positive trends in mean precipitation over continental areas. In the 2000-2099 period precipitation trend patterns followed the tendency obtained for 1900-1999 but with significantly increased magnitudes. Unlike the annual mean precipitation trends for which negative values were found for some continental areas, the mean precipitation intensity and scale parameter of the fitted gamma distribution increased over all land territories . Negative trends in the number of wet days were found over most of the land areas except high latitudes in the Northern Hemisphere. The shape parameter of the gamma distribution in general revealed a slight negative trend in the areas of the precipitation increase. Investigation of daily precipitation revealed an unproportional increase of heavy precipitation events for the land areas including local maxima in Europe and the eastern United States.