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Verbundfestigkeit zu einem CAD/CAM-Komposit und zum Dentin: Einfluss verschiedener Befestigungsmaterialien, Vorbehandlungen und in-vitro Alterung
Get PDFZiele. Diese in-vitro Studie sollte den Einfluss von verwendeter Befestigungsmaterialkategorie, Vorbehandlung der Restauration (sandgestrahlt oder nicht) und in-vitro Alterung auf die Scherhaftfestigkeit und den Bruchmodus im Verbund zum Dentin und zu einem CAD/CAM kunststoff-basierten Komposit evaluieren.
Material und Methode. Es wurden 400 Prüfkörper der verschiedenen Befestigungsmaterialkategorien im Verbund zu einem CAD/CAM-Komposit erstellt. Die Hälfte der CAD/CAM-Komposit-Oberflächen (n = 200) wurden mit 50 µm Aluminiumoxid und mit einem Druck von 1 bar sandgestrahlt. Weitere 200 Prüfkörper der verschiedenen Befestigungsmaterialkategorien im Verbund zu humanem Dentin wurden erstellt. Die fünf verwendeten Befestigungsmaterialkategorien waren: (1) ein provisorischer Zinkphosphatzement, (2) ein Glasionomerzement, (3) ein kunststoffmodifizierter Glasionomerzement, (4) ein konventioneller Befestigungskomposit mit selbstätzendem Primer, und (5) ein selbstätzender Befestigungskomposit. Alle Prüfkörper wurden bei 100% Luftfeuchtigkeit für 1 h und für weitere 23 h in destilliertem Wasser bei 37 °C gelagert. Die Messung der Scherhaftfestigkeiten wurde in einer Universalprüfmaschine mit einer Vorschubbewegung von 0,5 mm/min entweder nach 24 h (n = 300) oder nach zusätzlicher in-vitro Alterung (10.000 Thermozyklen zwischen 5 und 55 °C) (n = 300) durchgeführt. Die Bruchmodi wurden unter einem Lichtmikroskop und in ausgewählten Fällen in einem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Die erhaltenen Daten wurden statistisch mit ein- und mehrfaktorieller Varianzanalysen (ANOVA), gefolgt von einem Games-Howell post-hoc-Tests (α = 0,05) ausgewertet. Nichtparametrische Pearson’s chi-quadrat Tests und Weibull-Analysen wurden durchgeführt.
Ergebnisse. Die mittleren Scherhaftfestigkeiten variierten je nach verwendetem Substrat (CAD/CAM-Komposit oder Dentin), Befestigungsmaterialkategorie, Vorbehandlung der Restauration und in-vitro Alterung. Die höchsten Verbundfestigkeiten zeigten beide Befestigungskomposite, gefolgt von dem kunststoffmodifizierten und dem konventionellen Glasionomerzement. Letztere zeigten im Verbund zum Dentin vergleichbare Verbundfestigkeiten, während der kunststoffmodifizierte Glasionomerzement signifikant bessere Ergebnisse beim Verbund zum CAD/CAM-Komposit aufwies. Das schwächste Befestigungsmaterial im Hinblick auf die Verbundfestigkeiten war der provisorische Zinkphosphatzement. Das Sandstrahlen des CAD/CAM-Komposits führte zu einer signifikanten Zunahme der Verbundfestigkeiten bei allen Befestigungsmaterialien – mit Ausnahme des Zinkphosphatzements. In-vitro Alterung führte zu einer signifikanten Abnahme der Verbundfestigkeiten hauptsächlich bei den konventionellen Zementen. Weibull-Analysen zeigten, dass das zuverlässigste Befestigungsmaterial nach 24 h und nach in-vitro Alterung zum Zahn der selbstätzende Befestigungskomposit ist. Nach in-vitro Alterung im Verbund zum CAD/CAM-Komposit wies jedoch der konventionelle Befestigungskomposit höhere Zuverlässigkeit auf. Bruchanalysen unter dem Lichtmikroskop identifizierten die häufigsten Bruchmodi als “adhäsiv” und “gemischt”. Außerdem konnten lediglich bei den sandgestrahlten Prüfkörpern der beiden Befestigungskomposite deutliche Defekte im CAD/CAM-Komposit nach dem Scherfestigkeitsversuch festgestellt werden. Ein ähnlicher Defekt konnte ein mal im Dentin beobachtet werden.
Schlussfolgerung. Konventionelle oder selbstätzende Befestigungskomposite zeigen die höchsten und zuverlässigsten Verbundfestigkeiten für die dauerhafte Befestigung eines CAD/CAM-Komposits zum Zahn. Das Sandstrahlen des CAD/CAM-Komposits führt zwar für die meisten Befestigungsmaterialkategorien zu höheren Verbundfestigkeiten, sorgt aber auch für Mikrorisse im CAD/CAM-Komposit, deren klinische Auswirkung noch unbekannt ist.Objectives. The purpose of this in-vitro study was to evaluate the influence of luting material category, pretreatment of the restoration material (sandblasting or not) and aging on the shear bond strength (SBS) and failure mode to human dentin and a CAD/CAM resin-based composite (RBC).
Methods. 400 specimens of different luting material categories bonding to a CAD/CAM-RBC were prepared. Half of the CAD/CAM-RBC surfaces (n = 200) were sandblasted with 50 µm aluminum oxide at a pressure of 1 bar. Another 200 specimens of the different luting material categories bonding to human dentin were prepared. The five categories of luting materials used were: (1) temporary zinc phosphate cement, (2) glass ionomer cement, (3) resin-modified glass ionomer cement, (4) conventional RBC with a self-etching primer, and (5) self-adhesive RBC. All specimens were stored in 100% humidity for 1 h and an additional 23 h in distilled water at 37 °C. Measurements of SBS were carried out at a crosshead speed of 0.5 mm/min either after 24 h (n = 300) or after additional aging (10,000 thermo-cycles between 5 and 55 °C) (n = 300). Failure modes were evaluated under a stereomicroscope and scanning electron microscope. The data was statistically analyzed using one‐ and three‐way analysis of variance (ANOVA) followed by Games-Howell post-hoc-test (α = 0.05). Nonparametric Pearson’s chi-square test and Weibull analysis was performed.
Results. SBS varied depending on substrate (CAD/CAM-RBC or dentin), luting material category, pretreatment and aging. The highest bond strengths were recorded for both RBC luting materials, followed by the resin-modified glass ionomer cement and the conventional glass ionomer cement. Latter performed statistically similar when bonding to dentin, but the resin-modified glass ionomer cement showed stronger bond strengths to the CAD/CAM-RBC. The weakest luting material with respect to SBS was the temporary zinc phosphate cement. Sandblasting caused a significant increase in the SBS for all luting materials, except zinc phosphate cement. Aging resulted in a significant decrease in SBS primarily for the conventional cements. Weibull analysis revealed the highest bond reliability to dentin after 24 h and aging for the self-adhesive RBC luting material. However, when bonding to the CAD/CAM-RBC the conventional RBC showed more reliable bond strengths after aging. Fractographic analysis exposed the majority of failure modes as “adhesive” and “mixed” for most luting materials. Moreover, subsurface defects of the CAD/CAM-RBC were found after SBS testing in most of the sandblasted specimens of the RBC luting materials. A similar defect was observed once after SBS testing to dentin.
Conclusions. Using a conventional or a self-adhesive RBC luting material leads to the highest SBS values and the highest bond reliability of a CAD/CAM-RBC to dentin. Sandblasting the CAD/CAM-RBC leads to higher SBS values for the analyzed luting materials, but also to micro-cracks in the CAD/CAM-RBC. The in-vivo consequences of these microcracks are still unknown
Die Gangstörung bei Patienten mit orthostatischem Tremor
Get PDFDer primäre orthostatische Tremor ist eine seltene Erkrankung, die einen hochfrequenten Tremor von 13-18 Hz der unteren Extremität beim Stehen aufweist mit einer Symptomlinderung beim Sitzen, Gehen oder Hinlegen. Der Erkrankung liegt ein pathologisches, ponto-zerebello-thalamo-kortikales Tremornetzwerk zugrunde, das auch im Liegen weiter aktiviert bleibt. Im Zusammenhang mit dieser Erkrankung befasst sich diese Dissertation mit folgenden Fragestellungen:
1) Wie verändert sich der Tremor bei der Transition vom Stehen zum Gehen?
2) Gibt es eine objektivierbare Gangstörung trotz subjektiver Symptomregredienz beim Gehen?
3) Kann der Tremor durch propriozeptive Reize moduliert und gegebenenfalls gelindert werden?
In einer klinischen Untersuchung mittels eines drucksensitiven Laufbands und Oberflächen-Elektromyographie konnte gezeigt werden, dass der Tremor während des Gehens persistiert mit einer zwischenzeitlichen Verlagerung der Tremorfrequenz in höhere Frequenzbereiche. Die Tremorintensität zeigte sich zudem abhängig vom Gangzyklus und der muskulären Belastung während des Gehens. Diese Beobachtungen legen nahe, dass es zu einer Interaktion zwischen dem orthostatischen Tremor und oszillatorischen, supraspinalen Lokomotionsarealen kommt und dass die periphere Manifestation des Tremors durch spinale Interneuron-Verschaltungen moduliert wird.
Mittels einer multimodalen, klinisch-apparativen Ganguntersuchung wurden spatiotemporale Gangparameter bei Patienten mit orthostatischem Tremor erhoben, die mit einer altersgleichen, gesunden Kohorte verglichen wurde. Patienten mit orthostatischem Tremor zeigten ein breitbasiges Gangmuster mit erhöhter Gangvariabilität. Das Gangmuster verschlechterte sich beim langsamen Gehen und unter Augenschluss passend zu einer ataktischen Gangstörung mit sensorischen- und/oder zerebellären Defiziten. Eine weitere Aggravation in der kognitiven Dual Task-Bedingung offenbarte zudem motorisch-kognitive Defizite der Patienten. Somit scheint beim orthostatischen Tremor eine komplexe Netzwerkerkrankung mit einer spezifischen spino-zerebello-frontokortikalen Gangstörung vorzuliegen.
Schließlich wurde in Folge einer kontinuierlichen Muskelsehnenvibrationsstimulation der unteren Extremitäten bei Patienten mit orthostatischem Tremor eine Reduktion der Tremorintensität und Körperschwankungen beobachtet. Bei bislang limitierten medikamentösen und invasiven Behandlungsmöglichkeiten bietet diese Beobachtung Hoffnung auf eine neue, nicht-invasive Therapieoption für Patienten mit orthostatischem Tremor.Primary orthostatic tremor is a rare disorder with high-frequency (13-18 Hz) leg muscle contractions during standing with relief of symptoms while sitting, walking, and lying. Recent studies found a specific ponto-cerebello-thalamo-cortical tremor network with persisting activity during lying. The aim of this dissertation was to answer following questions:
1) How does the tremor change in response to the transition from standing to walking?
2) Is orthostatic tremor associated with a specific gait disorder despite patients' sensation of symptom relief while walking?
3) Can the tremor be modulated through a non-invasive proprioceptive stimulation?
In a first study, we examined the tremor of patients with orthostatic tremor during standing and walking conditions on a pressure-sensitive treadmill by means of surface electromyography of different leg muscles. We found that the tremor persisted during walking. Directly after gait initiation, the tremor frequency was shifted towards higher frequencies, but returned to the initial frequency after gait termination. While walking, the tremor was modulated in dependence of the gait cycle and individual exerted muscle forces. These observations point to a non-linear interference between the tremor and the oscillatory activity in supraspinal locomotor areas; furthermore, they indicate that the peripheral manifestation of the tremor is likely modulated by spinal interneuron connections.
In a second study, we performed a multi-conditional, instrument-based gait assessment in patients with orthostatic tremor and age-matched healthy controls. Patients showed a broad-based walking pattern with increased gait variability with aggravation during slow walking modes and while walking with eyes closed. These gait alterations resemble an ataxic gait disorder indicative of sensory and/or cerebellar deficits. In addition, patients' walking performance deteriorated during a cognitive dual task paradigm pointing to a motor-cognitive dysfunction. Overall, the gait impairment in orthostatic tremor manifests in a specific spino-cerebello-frontocortical gait disorder.
In a third study, we examined the effects of a proprioceptive leg muscle stimulation via muscle tendon vibration in patients with orthostatic tremor. We found that this stimulation yielded a reduction of tremor intensity and postural sway. In the light of currently limited pharmacological and invasive treatment options for orthostatic tremor, the observations of this study might pave the way for a new, non-invasive treatment option for patients
Etablierung, Evaluierung und klinisch-epidemiologische Anwendung virologisch-diagnostischer Methoden während der SARS-CoV-2-Pandemie
Get PDFDie Ausbreitung des Ende 2019 in China neu aufgetretenen Severe acute respiratory syndrome coronavirus type 2 (SARS-CoV-2) entwickelte sich in kurzer Zeit zu der wissenschaftlich bislang am intensivsten erforschten Pandemie eines viralen respiratorischen Erregers. Basis dieser weltweiten Forschungsbestrebungen war die Verfügbarkeit geeigneter virologisch-diagnostischer Methoden. Nur so war es möglich die klinischen und epidemiologischen Aspekte dieser Infektion rasch und umfassend zu verstehen.
Die im Folgenden beschriebene kumulative Habilitationsschrift befasst sich mit wissenschaftlichen Erkenntnissen aus insgesamt 17 Originalarbeiten, die Zielsetzungen aus vier Hauptthemenbereichen zur Etablierung, Evaluierung und klinisch-epidemiologische Anwendung virologisch-diagnostischer Methoden während der SARS-CoV-2-Pandemie untersucht haben.
Mittels Nukleinsäure-Amplifikations-Technik-basierter Direktnachweisverfahren wurden Proben von COVID-19-Patienten aus verschiedenen Organsystemen untersucht. In longitudinalen respiratorischen Proben, wie Nasopharynx-Abstrichen und endotrachealer Absaugungen von mild/moderat und schwer verlaufenden SARS-CoV-2-Infektionen, konnte gezeigt werden, dass schwer Erkrankte und immunsupprimierte Lymphompatienten signifikant mehr und länger Virus-RNA ausscheiden. Die Analyse verschiedener Entzündungsparameter dieser Patientengruppen gab einen Hinweis auf die Bedeutung hoher Zytokin-Konzentrationen in der Pathogenese schwer COVID-19-Verläufe. Untersuchungen von Proben der ableitenden Harnwege und des Auges bestätigten einen möglichen Tropismus von SARS-COV-2 in diesen Organsystemen, welche Grundlage für Studien auftretender COVID-19-Symptome wie Pollakisurie und Konjunktivitis waren, aber auch Hygieneempfehlungen für Untersucher und Behandler der entsprechenden medizinischen Fachbereiche begründeten.
Zur Evaluierung Antigen-basierter Direktnachweisverfahren wurden insgesamt 11 Antigenschnelltests und vier automatisierte kommerzielle Tests mittels Abstrichproben und angezüchtetem SARS-CoV-2 verglichen. Die Analysen von point-of-care Testen konnten zeigen, dass sich die ermittelte klinische Sensitivität deutlich von der durch die Hersteller angegebenen Werte unterscheidet und eine signifikant schlechtere Erkennung der Omikron Variant of concern nach Bestimmung der analytischen Sensitivitäten bei verschiedenen Antigenschnelltests zu verzeichnen war. Automatisierte Antigentests zeigten diesbezüglich teilweise eine höhere Leistungsfähigkeit basierend auf der Möglichkeit einer semi-/quantitativen Untersuchung und individuellen cut-off Anpassung.
In zwei Sero-epidemiologischen Studien an über 7000 Beschäftigten des LMU Klinikums konnte die Leistungsfähigkeit neuer Labormethoden zum indirekten SARS-CoV-2 Nachweis mittels Antikörperdetektion untersucht werden. Die auf diese Weise zuverlässig detektierten Infektionen konnten in Verbindung mit detaillierten Fragebögen in den untersuchten Kohorten ein Risikoprofil für Beschäftigte im Gesundheitswesen kartieren. Das statistisch bestimmte, höchste Risiko für eine SARS-CoV-2 Infektion während der ersten pandemischen Welle hatten demnach Personen, die entweder männlich, Pflegekräfte von COVID-19 Schwerpunktstationen oder Nichtraucher waren oder bekannte Risiko-Kontakte hatten. Durch weitergehende serologische Analysen wurde gezeigt, dass sowohl eine vorbestehende Immunität gegen saisonale Coronaviren aber auch die Höhe der ge-messenen SARS-CoV-2-spezifischen Antikörper mit Empfänglichkeit, Schwere des Verlaufs oder Langzeiteffekten einer SARS-CoV-2-Infektion in Verbindung stehen.
Der vierte Hauptthemenbereich dieser Habilitationsarbeit baut auf der Anwendung bereits präpandemisch entwickelter Auswertemethoden zur verbesserten Liquor/Serum-Diagnostik auf. Nach Verfügbarwerden entsprechend geeigneter serologischer Testsysteme zu Beginn der SARS-CoV-2-Pandemie erlaubten diese Rechenalgorithmen eine rasche Etablierung der Bestimmung eines SARS-CoV-2-Antikörperspezifitäts-Index bei COVID-19-Patienten mit ZNS-Symptomatik.
Der Inhalt dieser Habilitationsschrift gliedert sich in eine kurze Einleitung und Übersicht relevanter Aspekte der SARS-CoV-2-Pandemie (Kapitel 2), die Formulierung der Forschungsziele und anschließende Zusammenfassung der einzelnen Forschungsprojekte (Kapitel 3 und 4 mit Unterpunkten) sowie Diskussion der Bedeutung der erhobenen Daten. Abschließend sind Sonderdrucke der in Fachzeitschriften veröffentlichten Originalarbeiten angefügt (Kapitel 9)
Ein optogenetischer Ansatz zur funktionserhaltenden Langzeitkultur von organotypischen Schnittpräparaten des Myokards
Get PDFIn der kardiovaskulären Grundlagenforschung und Arzneimittelentwicklung nehmen Modellsysteme einen großen Stellenwert ein. Dünne Schnitte aus kardialem Gewebe vereinen hierbei die Vorteile von isolierten Herzmuskelzellen und komplexen Herzpräparaten und ermöglichen Untersuchungen auf molekularer, subzellulärer und zellulärer Ebene. Solche Gewebeschnitte sind bislang nicht für Langzeitstudien verfügbar, da sie in einer normalen Gewebekultur schnell degenerieren. In dieser Arbeit sollen biomimetische Bedingungen entwickelt und optimiert werden, unter denen die Struktur und Funktion des Gewebes in Kultur erhalten bleiben.
Für diese Studien wurden Gewebeschnitte aus Mäuseherzen hergestellt, die verschiedensten mechanischen Belastungen ausgesetzt wurden. Die Anwendung einer diastolischen Gewebespannung im physiologischen Bereich des Mäuseherzens zeigte eine deutliche positive Auswirkung auf den Erhalt der Kontraktilität der Schnitte. Die zusätzliche Verminderung von oxidativem Stress durch Zugabe von 2-Mercaptoethanol und die Verbesserung der Sauerstoffversorgung des Gewebes bewirkten sogar einen Anstieg der Kontraktionskraft im Verlauf einer 2-tägigen Kultur. Zur Verminderung der Inaktivitätsatrophie wurde außerdem eine optogenetische Stimulation der Gewebeschnitte etabliert, die makroskopisch sichtbare Kontraktionen auslöste, welche kontinuierlich registriert werden konnten. Obwohl strukturelle Veränderungen der Schnittpräparate nicht beobachtet wurden, induzierte die Kultur jedoch deutliche Expressionsänderungen wichtiger kardiomyozytärer Strukturgene.
Es konnte demnach gezeigt werden, dass biomimetische Kulturbedingungen das Überleben von murinem Myokard in vitro ermöglichen. Dies bildet die Basis für neue physiologische und pharmakologische Untersuchungen, sowie für weitergehende Optimierungen, die den Gewebeumbau der Präparate gänzlich verhindern könnten
Automatisierte Erkennung und Kategorisierung der Molaren-Inzisiven-Hypomineralisation mit Hilfe künstlicher Intelligenz auf Fotografien von Zähnen
Get PDFA deep learning-based convolutional neural network (CNN) could improve dental diagnostic accuracy by automated detection and categorization of molar-incisor-hypomineralisation (MIH) on intra-oral photographs.
For the purpose of this study on artificial intelligence (AI), an image set consisting of 3.241 intraoral images was split into training (N = 2.596) and test set (N = 649). The overall dataset was classified into the following categories: teeth with no signs of hypomineralisation and no dental intervention (N = 767), teeth with no signs of hypominerlisation and a MIH-related “atypical” restoration (N = 76), teeth with no signs of hypomineralisation and presence of pit and fissure sealant (N = 742), teeth with hypomineralisation and intervention (N = 815), teeth with hypominerlisation and an atypical restoration (N = 158), teeth with hypomineralisation and fissure sealing (N = 181), teeth with enamel disintegration and no intervention (n = 290), teeth with enamel disintegration and an atypical restoration (N = 169) and teeth with enamel disintegration and presence of sealing material (N = 43).
After the cyclic training of the convolutional neural network most dental photographs could be automatically classified with an acceptable diagnostic accuracy. Here, an overall diagnostic accuracy of 95.2% was achieved. AUC values ranged from 0.873 (enamel breakdown with a sealant) to 0.994 (atypical restoration with no MIH).
It can be concluded that AI powered MIH detection and diagnostics showed promising results in the diagnostic study. However, there is a substantial need for further improvements
Research and development of a segmented GEM readout detector
Get PDFMicro-Pattern Gaseous detectors are high-rate capable particle detectors. They show an excellent spatial and temporal resolution. Two types of them, GEM (Gas Electron Multiplier) and Micromegas (Micro-MEsh GAseous Structure) detectors are widely used in HEP experiments.
This work combines both detector types to the novel Segmented GEM Readout (SGR) detector. The SGR detector uses a 2D Micromegas strip readout structure and a GEM foil whose copper coating on one or both sides is segmented into strips. This GEM foil replaces the micro-mesh of the Micromegas detector. Based on this new technology, up to two new readout strip layers are added to the detector, so that it has up to four readout strip layers in total.
The SGR detector has two main advantages over the conventional Micromegas detector:
Firstly, due to the geometry of the detector readout, one coordinate of the incident particle is determined more accurately than the other one. The signal of the GEM strips is used to compensate for this.
Secondly, a unique 2D particle position reconstruction is only possible if the detector is hit by only one particle at the same time. If multiple particles arrive simultaneously a unique X-Y assignment is strongly aggravated. This can be compensated by GEM strips rotated 45° to the Micromegas strips. Simulations have shown a large reduction in ambiguities in the multiparticle reconstruction by turning the GEM strips by 45X to the Micromegas strips. Thus, the detector is read out at the GEM foil along an additional coordinate (U-coordinate), while the X and Y-coordinate are obtained by the Micromegas readout strip layers. The SGR detector is expected to be very well suited to determine the unambiguous 2D position of several particles simultaneously.
The SGR prototype developed and built for this work uses GEM strips that are perpendicular to the strips of the upper Micromegas readout layer. At perpendicular incidence, the SGR detector provides an excellent energy (ΔE/E ≈ 10%) and position resolution (better than 80 mm). Even at a large incidence angle of 20X, the resolution remains better than 155 mm. In both cases, the 2D position reconstruction efficiency is well above 90 %.
Additionally, this work provides a comprehensive description of the signal shapes observed in experiments, through extensive simulations using ANSYS and Garfield++. The results reveal significant differences in signal shapes among the various active detector layers. Bipolar signals are observed in both Micromegas readout coordinates and on the GEM strips when the segmentation faces the anode. If the segmented side faces toward the other direction, the signal on this layer is unipolar. The strong influence of electron motion on the highly resistive anode onto the properties and signal shapes of the Micromegas readout layers was elaborated in detail. The different accuracies of the two Micromegas readout strip layers were understood. Based on that suggestions for optimizations are provided.
This work shows that the principle of an SGR detector works very well and the working principle is understood. Based on this work, the construction of an X, Y, U SGR detector is possible
Seismic full-waveform inversion of the crust-mantle structure beneath China and adjacent regions
Get PDFSince the late 1970s, seismic tomography has been emerging as the pre-eminent tool for imaging the Earth’s interior from the meter to the global scale. Significant recent advances in seismic data acquisition, high-performance computing, and modern numerical methods have drastically progressed tomographic methods. Today it is technically feasible to accurately simulate seismic wave propagation through realistically heterogeneous Earth models across a range of scales. When seismic waves propagate inside the Earth and encounter structural heterogeneities with a certain scale, wave propagation speed changes, reflection, and scattering phenomena occur, and interconversions between compressional and shear waves happen. The combined effect of multiple heterogeneities produces a highly complicated wavefield recorded in the form of three-component (vertical, radial, transverse) seismograms. The ultimate objective of seismic imaging is to utilize the full information from waveforms recorded at seismic stations distributed around the globe in a broad frequency range to characterize detailed tomographic images of Earth’s interior by fitting synthetic seismograms to recorded seismograms. The full-waveform inversion technique based on adjoint and spectral-element methods can be employed to maximumly exploit the information contained in these seismic wavefield complexities to determine the fine-scale structural heterogeneities from which they originated across various orders of magnitude in frequency and wavelength.
Over the past two decades, the three-dimensional crust and mantle structure beneath the broad Asian region has attracted much attention in seismic studies due to its complicated and unique geological setting involving active lithospheric deformation, intracontinental rifting, intraplate seismotectonics, volcanism and magmatism, continent-continent collision, oceanic plate deep subduction, and mantle dynamics. To enhance our understanding of the subsurface behavior of cold subducting slabs and hot mantle flows and their dynamic relation to the tectonic evolution of the overriding plates as mentioned above, we construct the first-generation full-waveform tomographic model SinoScope 1.0 for the crust-mantle structure beneath China and adjacent regions. The three-component seismograms from 410 earthquakes recorded at 2,427 seismographic stations are employed in iterative gradient-based inversions for three successively broadened period bands of 70 - 120 s, 50 - 120 s, and 30 - 120 s. Synthetic seismograms were computed using GPU-accelerated spectral-element simulations of seismic wave propagation in 3-D anelastic models, and Fréchet derivatives were calculated based on an adjoint-state method facilitated by a checkpointing algorithm. The inversion involved 352 iterations, which required 18,600 wavefield simulations. The simulations were performed on the Xeon Platinum ‘SuperMUC-NG’ at the Leibniz Supercomputing Center and the Xeon E5 ‘Piz Daint’ at the Swiss National Supercomputing Center with a total cost of ~8 million CPU hours. SinoScope 1.0 is described in terms of isotropic P-wave velocity (Vp), horizontally and vertically polarized S-wave velocities (Vsh and Vsv), and mass density (ρ) variations, which are independently constrained with the same data set coupled with a stochastic L-BFGS quasi-Newton optimization scheme. It systematically reduced differences between observed and synthetic full-length seismograms. We performed a detailed resolution analysis by repairing input random parametric perturbations, indicating that resolution lengths can approach the half-propagated wavelength within the well-covered areas.
SinoScope 1.0 exhibits strong lateral heterogeneities in the crust and uppermost mantle, and features correlate well with geological observations, such as sedimentary basins, Holocene volcanoes, Tibetan Plateau, Philippine Sea Plate, orogenic belts, and subduction zones. Estimating lithospheric thickness from seismic velocity reductions at depth reveals significant variations underneath the different tectonic units:~50 km in Northeast and North China, ~70 km in South China, ~90 km in the South China Sea, Philippine Sea Plate, and Caroline Plate, and 150-250 km in the Indian Plate. The thickest (200-250 km) cratonic roots are present beneath the Sichuan, Ordos, and Tarim basins. The large-scale lithospheric deformation is imaged as low-velocity zones from the Himalayan orogen to the Baikal rift system in central Asia. A thin horizontal layer of ~100-200 km depth extent below the lithosphere points toward the existence of the asthenosphere beneath East and Southeast Asia, with heterogeneous anisotropy indicative of channel flows. This provides independent, high-resolution evidence for the low-viscosity asthenosphere that partially decouples plates from mantle flow beneath and allows plate tectonics to work above. Beneath the Indo-Australian Plate, we observe distinct low-velocity anomalies from a depth of ~200 km to the bottom of the mantle transition zone (MTZ), continuously extending northward below western China from the lower MTZ down to the top of the lower mantle. Furthermore, we observe an enhanced image of well-known slabs along strongly curved subduction zones, including Kurile, Japan, Izu-Bonin, Mariana, Ryukyu, Philippines, Indonesia, and Burma. Broad high-velocity bodies persist from the lower MTZ to 1000 km depth or deeper beneath the north of the Indo-Australian Plate. They might be pieces of the ancient Tethyan slab sinking down to the lower mantle before the Indo-Australian Plate and Eurasian Plate collision.
The deep geodynamic processes controlling the large-scale tectonic activity of the broad Asian region are very complicated and not yet well understood, which is a source of much debate. In this thesis, the main focus is on deciphering the three-dimensional seismic structure and dynamics of the lithosphere and mantle beneath China and adjacent regions with the help of the high-resolution full-waveform tomographic model. More importantly, in the subsequent works of geodynamic inversion, it provides the improved seismological basis for a sequential reconstruction of the late Mesozoic and Cenozoic plate motion history of the broad Asian region and the present-day mantle heterogeneity state estimates that, in turn, allow one to track material back in time from any given sampling location through retrodicting past mantle states