Characterization of Calcium Phosphate Structures obtained by 3D Printing

Image processing is a technique that is increasingly being used to extract, quickly and easily, different parameters used to characterize three-dimensional structures that, through other conventional characterization techniques, would take much longer and be more expensive. The objective of this study is to analyse the macroscopic attributes (filament geometry, porosity, specific surface and concavity), of three-dimensional structures of calcium phosphate with different filament morphologies from the images obtained by computed micro-tomography (Micro- CT). The study compares the results obtained with three software (CTAn, ImageJ and MeshMixer), as well as those obtained from theoretical calculations from 2D measurements. The sections of the different nozzles used by scanning electron microscopy (SEM) have also been characterized, comparing them with the sections of the printed filaments. In order to determine the degree of concavity of the different structures, an estimation of this parameter has been made both in 3D, using an extension of ImageJ software, as in 2D, from the images of the filament sections (Micro-CT) and nozzles (SEM). The study has allowed quantifying the degree of deviation in the different morphological parameters between the nozzles and the printed filaments, although the fact of having used imaging techniques (SEM and Micro-CT) with different resolution may also have influenced the observed differences. For porosity, the different software used have given similar values and it has been observed that when structures with a fixed pore size are printed (as in this case), a smaller filament measure increases the porosity of the material. Regarding the specific surface, the calculation of meshes has not given good results, and this may be due to an error when reconstructing the mesh from the Micro-CT images by the 3D Viewer extension of the ImageJ program. On the other hand, it has been observed that, for specific surface calculations, not only the shape of the filament is important, but also the measurement of its section; the filaments with a small section are repeated more throughout the piece and therefore the total value of specific surface is larger than those pieces with larger sections. Finally, in the case of concavity, the two ways of calculation (2D and 3D) have given similar results, and the 2D comparison of the section of the nozzle and the section of the filament have revealed the existing deviation between both of them.El processament d´imatges és una eina que s´està utilitzant cada vegada més per extreure, de manera senzilla i ràpida, diferents paràmetres utilitzats per caracteritzar estructures tridimensionals que, mitjançant altres tècniques de caracterització trigaríem molt més temps i serien més costoses. L'objectiu d'aquest estudi és analitzar els atributs macroscòpics (geometria dels filaments, porositat, superfície específica i concavitat), d'estructures tridimensionals de fosfat de calci amb diferents morfologies dels filaments a partir de les imatges obtingudes per micro-tomografia computeritzada (Micro-CT). A l’estudi es comparen els resultats obtinguts amb tres softwares (CTAN, ImageJ i MeshMixer), així com els obtinguts a partir dels càlculs teòrics a partir de mesures en 2D. També s’han caracteritzat les seccions dels diferents broquets d’impressió utilitzats mitjançant microscòpia electrònica de rastreig (SEM), comparant-los amb la secció dels filaments impresos. Pel que fa a la determinació del grau de concavitat de les diferents estructures, s'ha fet una estimació d’aquest paràmetre tant en 3D, utilitzat una extensió del software ImageJ, com en 2D, a partir de les imatges de les seccions dels filaments (Micro-CT) i dels broquets d’impressió (SEM). L’estudi ha permès quantificar el grau de desviació existent en els diferents paràmetres morfològics entre els broquets d’impressió i els filaments impresos, malgrat que el fet d’haver utilitzat tècniques d’imatge (SEM i micro-CT) amb diferent resolució també pot haver influït en les diferències observades. Pel que fa a la porositat, els diferents softwares emprats han resultat en valors similars i s'ha observat que quan s'imprimeix estructures amb una mida de porus fix (com és en aquest cas), una mida de filament menor augmenta la porositat del material. Respecte a la superfície específica, el càlcul per malles no ha donat bons resultats, i això pot ser degut a un error a l'hora de reconstruir la malla a partir de les imatges de Micro-CT per l'extensió 3D Viewer de el programa ImageJ. D´altra banda, s´ha pogut observar que, per als càlculs de superfície especifica, no només és important la forma del filament, sinó també la mida de la seva secció; els filaments con una secció petita es repeteixen més al llarg de la peça i per tant el valor total de superfície especifica és més gran que en peces amb una secció més gran. Finalment, en el cas de la concavitat, les dues formes de càlcul (3D i 2D) han donat resultats semblants, i la comparativa en 2D de la secció del broquet d’impressió i la secció del filament ha posat de manifest la desviació existent entre ambdues.El procesamiento de imágenes es una técnica que cada vez se está usando más para extraer, de manera rápida y sencilla, diferentes parámetros utilizados para caracterizar estructuras tridimensionales que, mediante otras técnicas de caracterización convencionales llevarían mucho más tiempo y serían más costosas. El objetivo de este estudio es analizar los atributos macroscópicos (geometría de los filamentos, porosidad, superficie específica y concavidad), de estructuras tridimensionales de fosfato de calcio con diferentes morfologías de filamentos a partir de las imágenes obtenidas por micro-tomografía computarizada (Micro-CT). En el estudio se comparan los resultados obtenidos con tres softwares (CTAn, ImageJ y MeshMixer), así como los obtenidos a partir de los cálculos teóricos a partir de medidas en 2D. También se han caracterizado las secciones de las diferentes boquillas de impresión utilizadas mediante microscopia electrónica de rastreo (SEM), comparándolos con las secciones de los filamentos impresos. Para poder determinar el grado de concavidad de las diferentes estructuras, se ha hecho una estimación de este parámetro tanto en 3D, utilizando una extensión del software ImageJ, como en 2D, a partir de las imágenes de las secciones de los filamentos (Micro-CT) y de las boquillas de impresión (SEM). El estudio ha permitido cuantificar el grado de desviación existente en los diferentes parámetros morfológicos entre las boquillas de impresión y los filamentos impresos, a pesar de que el hecho de haber usado técnicas de imagen (SEM y Micro-CT) con diferente resolución también puede haber influido en las diferencias observadas. Para la porosidad, los diferentes softwares usados han dado valores similares y se ha observado que cuando se imprimen estructuras con una medida de poro fija (como es en este caso), una medida de filamento menor aumenta la porosidad del material. Respecto a la superficie específica, el cálculo de mallas no ha dado buenos resultados, y esto se puede deber a un error a la hora de reconstruir la malla a partir de las imágenes de Micro-CT por la extensión 3D Viewer del programa ImageJ. Por otra parte, se ha podido observar que, para los cálculos de superficie específica, no solo es importante la forma del filamento, sino también la medida de su sección; los filamentos con una sección pequeña se repiten más a lo largo de la pieza y por tanto el valor total de superficie específica es más grande que aquellas piezas con secciones más grandes. Finalmente, en el caso de la concavidad, las dos maneras de cálculo (2D y 3D) han dado resultados similares, y la comparación en 2D de la sección de la boquilla de impresión y la sección del filamento han puesto de manifiesto la desviación existente entre ambos

Simulating Fully‐Integrated Hydrological Dynamics in Complex Alpine Headwaters: Potential and Challenges

Highly simplified approaches continue to underpin hydrological climate change impact assessments across the Earth's mountainous regions. Fully-integrated surface-subsurface models may hold far greater potential to represent the distinctive regimes of steep, geologically-complex headwater catchments. However, their utility has not yet been tested across a wide range of mountainous settings. Here, an integrated model of two adjacent calcareous Alpine headwaters that accounts for two-dimensional surface flow, three-dimensional (3D) variably-saturated groundwater flow, and evapotranspiration is presented. An energy balance-based representation of snow dynamics contributed to the model's high-resolution forcing data, and a sophisticated 3D geological model helped to define and parameterize its subsurface structure. In the first known attempt to calibrate a catchment-scale integrated model of a mountainous region automatically, numerous uncertain model parameters were estimated. The salient features of the hydrological regime could ultimately be satisfactorily reproduced – over an 11-month evaluation period, the Nash-Sutcliffe efficiency of simulated streamflow at the main gauging station was 0.76. Spatio-temporal visualization of the forcing data and simulated responses further confirmed the model's broad coherence. Presumably due to unresolved local subsurface heterogeneity, closely replicating the somewhat contrasting groundwater level signals observed near to one another proved more elusive. Finally, we assessed the impacts of various simplifications and assumptions that are commonly employed in physically-based modeling – including the use of spatially uniform forcings, a vertically limited model domain, and global geological data products – on key simulated outputs, finding strongly affected model performance in many cases. Although certain outstanding challenges must be overcome if the uptake of integrated models in mountain regions around the world is to increase, our work demonstrates the feasibility and benefits of their application in such complex systems

Stochastic reconstruction of paleovalley bedrock morphology from sparse datasets

Stochastic groundwater models enable the characterization of geological uncertainty. Often the major source of uncertainty is not related to aquifer heterogeneity, but to the general shape of the aquifer. This is especially the case in paleovalley-type alluvial aquifers where the bedrock surface limits the extent of easily extractable groundwater. Determining the shape of a bedrock surface is not straightforward, because it is typically non-stationary and defined by few data points that are generally far apart. This paper presents a new workflow for the stochastic reconstruction of bedrock surfaces using limited datasets that are typically available for aquifer characterization. The method is based on a lateral propagation of basement cross-sections interpreted from geophysical surveys, and conditions the reconstructed surface to existing well-log data and digital elevation model. To alleviate the typical limitations of sparse data, we use an analog approach to incorporate prior geological knowledge. We test the methodology on a synthetic example and a dataset from an alluvial aquifer in Northern Chile. Results of these case studies show that the algorithm is capable of enforcing the general notion of structural continuity, with the aquifer shape being conceptualized as an elongated, continuous and connected valley-shaped body. Our method captures the large-scale topographic features of fluvial incision into bedrock and the uncertainty in the positioning of the surface. Small-scale spatial variability is incorporated using Sequential Gaussian Simulation informed by geological analogs. Being stochastic, the methodology allows characterization of the uncertainty associated with positioning of the bedrock surface, by generating an ensemble of models via a Monte-Carlo analysis. This makes it possible to quantify the uncertainty associated with estimating the aquifer volume. We also discuss how this methodology may be used to better quantify the influence of uncertainty associated with defining the aquifer geometry on water resource assessment and management