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A new numerical test for quantifying microgravity-induced bone alterations in cosmonauts
No full textOne of the most important alterations that occur in man and experimental animals during spaceflight affects the skeletal system (trabecular compartment of load-bearing bones), and results from an important bone loss and mechanical properties decay. The macro-scale mechanical properties of cancellous bone derive from its mass (composition and mineral content) and from its complex micro-scale structure (trabecular micro-architecture arrangement), and it is widely accepted that both these factors contribute to determine the mechanical strength of the whole bone [1]. In space research, bone quality changes due to unloading, are usually assessed by measuring bone density. More rarely, 3D micro-imaging, complemented by morphological indexes, has been used [2,3]. A software that, by means of numerical simulations, evaluates the load bearing capabilities of trabecular bone from planar radiographic images, has recently been developed at the University of Trieste [4]. The technique, already proved to be able to classify the quality of bone for the evaluation of fracture risk in osteoporotic patients [5,6], is here proposed for a more effective monitoring of bone quality changes in long duration spaceflight.
References
1. Kleerekoper, M. et al., “The role of three dimensional trabecular microstructure in the pathogenesis of vertebral compression fractures”, Calcif Tissue Int, Vol. 37, pp. S594-S597, 1985.
2. Vico, L. et al., “Effects of gravitational changes on the bone system in vitro and in vivo”, Bone, Vol. 22, pp. 95-100, 1998.
3. Lang, T. et al., “Cortical and trabecular bone mineral loss from the spine and hip in long duration spaceflight”, J Bone and Mineral Research, Vol. 19, pp. 1006-1012, 2004.
4. Patent: USA No. 10509512, deposited by University of Trieste, 2008.
5. Cosmi F., Dreossi D., “The Application of the Cell Method in a Clinical Assessment of Bone Fracture Risk”, Acta of Bioengineering & Biomechanics, Vol. 9, pp. 35-39, 2007.
6. Cosmi F., Mazzoleni G., “Un nuovo metodo strutturale per la valutazione del rischio di frattura nelle malattie degenerative”, 41° Convegno AIAS, Vicenza (I), Sept. 5-8, 2012
Analisys of the fatigue properties of different specimens of a 10% by weight short glass fibre reinforced polyamide 6.6
No full textThe fatigue behavior of a short fibre reinforced polyamide was investigated using small specimens, as part of a larger study of the fatigue damage phenomena in this material, using micro computed tomography techniques. These techniques require very small specimens, smaller than the usual specimens commonly used in the industry. Therefore, preliminary investigations were conducted upon the effect of the shape of the specimens upon the tensile and fatigue properties. Standard small ASTM D 1822 specimens and larger ISO 527 specimens were used. The results are discussed in the light of cyclic behavior and of the evolution of the surface temperature during fatigue tests
D-dimer, oral anticoagulation, and venous thromboembolism recurrence
No full textVenous thromboembolism (VTE) requires prolonged treatment to prevent late recurrences. However, the optimal duration of vitamin K antagonist (VKA) therapy is still controversial. More recently, D-dimer (D-d) has emerged as a predictive factor for recurrences. D-d has been evaluated both during and after VKA treatment. Some patients with DVT of the lower limbs have persistently high D-d during anticoagulation and this could reflect insufficient anticoagulation despite apparently adequate antithrombotic treatment. Altered D-d during anticoagulation is more frequent in patients with idiopathic or cancer-associated VTE than in those with secondary VTE. In subjects with an unprovoked VTE event, the time spent at near normal international normalization ratio (INR) values (< 1.5) during the first 3 months of treatment is associated with higher D-d during and after VKA treatment and with a higher risk for late recurrences. Moreover, the combination of altered D-d and inherited thrombophilia, and not residual venous obstruction, is associated with a significantly higher hazard ratio for recurrence. Preliminary results of a management study, the PROLONG study, indicate that subjects with normal D-d at 1 month after VKA withdrawal have a low risk of recurrence, and those with altered D-d have a significantly higher risk and deserve prolonged treatment
BEST: Bone Elasticity and Strength Testing
No full textNella determinazione della resistenza e delle proprietà elastiche dell’osso trabecolare, oltre a composizione e densità, gioca un ruolo fondamentale anche la micro-architettura. Lo sviluppo della tecnologia permette oggigiorno l’acquisizione non distruttiva di immagini tridimensionali di campioni in-vitro con risoluzioni tali da consentire una buona definizione della morfologia trabecolare. Ciò rende possibile l’implementazione di metodi di calcolo, quali ad esempio il Metodo Elementi Finiti, per la stima delle proprietà meccaniche derivanti direttamente dalla micro-architettura. I principali ostacoli all’impiego di questo approccio sono legati al grande numero di elementi necessari a definire la micro-struttura in esame, da cui deriva un’ingente richiesta di risorse di calcolo.
Scopo di questo lavoro è presentare alcuni risultati preliminari ottenuti mediante l’impiego del Metodo delle Celle, metodo che risulta particolarmente adatto in presenza di eterogeneità o di discontinuità in genere. Applicazioni del Metodo delle Celle alla modellazione di leghe sinterizzate e di compositi a matrice metallica, sia mediante modelli piani sia in tre dimensioni, hanno già prodotto risultati in buon accordo con i dati sperimentali.
L’applicazione del Metodo delle Celle alla stima del modulo elastico di campioni di osso trabecolare è stata sviluppata a partire da immagini di micro-CT con radiazione di sincrotrone presso la beamline SYRMEP ad Elettra (Trieste). Le immagini sono state successivamente elaborate per ottenere un modello in grado di riprodurre la struttura in esame ed analizzabile col Metodo delle Celle. Nel modello alcune celle “costituiscono” l’osso, ed hanno le conseguenti proprietà meccaniche, mentre altre celle sono “vuote”.
Sono stati simulati dei test di compressione ed è stato valutato il modulo di Young apparente, assumendo elasticità, omogeneità ed isotropicità del tessuto osseo. Il metodo proposto ha fornito dei risultati in buon accordo con i dati sperimentali, si è mostrato sensibile all’anisotropia della struttura e risulta quindi applicabile allo studio della morfologia dell’osso trabecolare
The Application of the Cell Method for the Clinical Assessment of Bone Fracture risk
No full textThe aim of this paper is to introduce a new technique for in vivo quantification of bone structure fracture risk. The elastic properties of the architecture obtained from bone digital radiographic images are determined using the cell method. Compression tests are simulated and the results of the numerical analysis are indexed. Such an index is considered to be indicative of the bone structure capabilities. The first clinical validation was carried on at CSMMO, Centro Studi Malattie Metaboliche dell'Osso (Gorizia, Italy), showing that this technique can improve the diagnosis and help a physician in the identification of an actual fracture risk. The examination is not expensive, uses instrumentation that is widely available and therefore could be easily introduced in clinical use as a complement to the current osteoporosis diagnosis methodologie
Procedimento per la realizzazione di un prodotto per la modellazione e simulazione del comportamento fisico ed ingegneristico di un oggetto, di un sistema, o di campi fisici
No full textProcedimento per la realizzazione di un prodotto per la modellazione e simulazione di problemi scientifici ed ingegneristici basato sul Metodo delle Celle e sviluppato su piattaforma ID
Numerical and experimental structural analysis of trabecular architectures
No full textThis paper presents the application of the Cell Method to the static analysis of 3D structures obtained from micro-computed tomography reconstructions of trabecular bone.
The Cell Method is a recently introduced numerical method, based on a direct discrete formulation of equilibrium equations, which is particularly promising for the analysis of complex structures. In fact, due to the direct discrete approach employed, no restriction is imposed by differentiability conditions and the characteristic length of the elementary cell of the discretization can be of the same order of magnitude as the heterogeneities of the structure.
The same 3D microstructures used for the numerical simulations were reproduced by means of a rapid prototyping process, by selective laser sintering of polyamide powder. The compression elastic modulus of the replicas was experimentally determined and used as parameter for comparison with the simulations results. The experimental values are in good agreement with the numerical ones, thus validating the methodology employed
Analisi dell’anisotropia microstrutturale in materiali compositi rinforzati con fibre corte
No full textLa microtomografia con luce di sincrotrone si è rivelata una tecnica particolarmente efficace per l’analisi della struttura risultante dalla distribuzione degli orientamenti assunti dalle fibre di rinforzo di compositi rinforzati con fibre di vetro. La ricostruzione dell'immagine tridimensionale ha consentito la visualizzazionedella distribuzione spaziale delle fibre all'interno della matrice polimerica anche nel caso di fibre di piccole dimensioni (diametro medio di 10 micrometri). E' stato quindi possibile misurare le differenze nell'orientamento delle fibre nei differenti strati di un campione utilizzando metodi basati sulla valutazione del Mean Intercept Length (MIL) e del fabric tensor. La tecnica descritta è stata applicata a un campione di poliammide 6 rinforzato con il 30% di fibre corte di vetro ricavato da lastra
Analisi microstrutturale con tomografia a luce di sincrotrone
No full textLa micro-tomografia con luce di sincrotrone è una
tecnica particolarmente efficace per l’analisi della
struttura risultante dalla distribuzione degli
orientamenti assunti dalle fibre di rinforzo di
compositi rinforzati con fibre di vetro.
La ricostruzione dell’immagine tridimensionale
consente la visualizzazione della distribuzione
spaziale delle fibre all’interno della matrice
polimerica anche nel caso di fibre di piccole
dimensioni (diametro medio di 10 micrometri).
È possibile misurare le differenze nell’orientamento
delle fibre nei differenti strati di un campione
utilizzando metodi basati sulla valutazione del Mean
Intercept Length (MIL) e del fabric tensor. La tecnica
descritta è stata applicata a un campione di
poliammide 6 rinforzato con il 30% di fibre corte di
vetro ricavato da una lastra iniettata di testa e da un
provino di geometria più complessa
Numerical and experimental analysis of bone microarchitectures
No full textNumerical and experimental analysis of bone microarchitecture
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