Numerical simulations of bone remodelling and formation following nucleotomy

Nucleotomy is the gold standard treatment for disc herniation and has proven ability to restore stability by creating a bony bridge without any additional fixation. However, the evolution of mineral density in the extant and new bone after nucleotomy and fixation techniques has to date not been investigated in detail. The main goal of this study is to determine possible mechanisms that may trigger the bone remodelling and formation processes. With that purpose, a finite element model of the L4–L5 spinal segment was used. Bone mineral density (BMD), new tissue composition, and endplate deflection were determined as indicators of lumbar fusion. A bone-remodelling algorithm and a tissue-healing algorithm, both mechanically driven, were implemented to predict vertebral bone alterations and fusion patterns after nucleotomy, internal fixation, and anterior plate placement. When considering an intact disc height, neither nucleotomy nor internal fixation were able to provide the necessary stability to promote bony fusion. However, when 75% of the disc height was considered, bone fusion was predicted for both techniques. By contrast, an anterior plate allowed bone fusion at all disc heights. A 50% disc-height reduction led to osteophyte formation in all cases. Changes in the intervertebral disc tissue caused BMD alterations in the endplates. From this observations it can be drawn that fusion may be self-induced by controlling the mechanical stabilisation without the need of additional fixation. The amount of tissue to be removed to achieve this stabilisation remains to be determined

Изучение влагосодержания тропосферы над пунктом наблюдения ULAB (Улан-Батор) с использованием данных GPS-измерений, радиозондирований и приземной метеорологии

The water vapor content is calculated in a conditional vertical column to the tropopause level from remote sensing data on the lower atmosphere. The calculations are based on GPS measurements, surface meteorological data and vertical meteorological profiles produced by radiosondes.Atotal zenith tropospheric delay (ZTD) is estimated as a difference between an estimated straight line, along which the GPS signal propagates in vacuum, and alength of the pathbetween the signal source and the receiver, which is refracted in the real medium. A direct correlation is noted between changes in the ‘wet’ component of the tropospheric delay of the GPS signal and variations in the moisture content of the troposphere. A‘wet’ component value of the tropospheric delay can be converted with a very high confidence into a value of integral water vapor above the observation point.In order to determine the integral water vapor amounts over the ULAB (Ulaanbaatar) permanent GPS monitoring station, empirical equations were used for the linear regressions of the ratios of surface temperature and mean weighted temperature for the water vapor elasticity using the data of radiosondes launched in the city of Ulaanbaatar and Murensettlement. We studied the features of the dynamics of variations in the integral water vapor, surface values of atmospheric pressure, air temperature and precipitation volumes over the ULAB station, using the data of July 2016.Рассматривается определение содержания водяного пара в условном вертикальном столбе до уровня тропопаузы с использованием дистанционного зондирования нижней части атмосферы методом GPS-измерений приземных метеорологических параметров, а также вертикальных метеорологических профилей, полученных посредством запусков радиозондов. Полная тропосферная зенитная задержка является разностью между предполагаемой прямой линией, по которой GPS-сигнал распространяется в вакууме, и преломленной в реальной среде длиной пути от источника до приемника. Отмечена прямая связь изменений «влажной» компоненты тропосферной задержки сигнала GPS с вариациями влагосодержания тропосферы. Данные по «влажной» компоненте тропосферной задержки могут быть преобразованы с очень высокой достоверностью в данные по суммарному водяному пару над пунктом наблюдения. С целью определения уровней суммарного водяного пара над пунктом постоянных GPS-наблюдений ULAB (Улан-Батор) определены эмпирические выражения для линейных регрессий соотношений приземной температуры и средневзвешенной температуры по упругости водяного пара с применением данных запусков радиозондов в г. Улан-Баторе и п. Мурэн. Рассмотрены особенности динамики вариаций суммарного водяного пара, приземных значений атмосферного давления, температуры воздуха и количества выпавших атмосферных осадков над пунктом наблюдений ULAB в июле 2016 г.

GEORADAR AND RADIOIMPEDANCE DIAGNOSTICS OF THE SELENGA RIVER WATER AREA

The relevance of the work is determined by the fact that no radiowave methods have ever been used to study the water areas of rivers and lakes and their geoelectric sections within the Baikal natural territory (BNT) in winter time. The purpose of the research is to determine the electrical and geometric characteristics of the layered medium "ice – water – bottom soil" and the ice cover of the Selenga River on the BNT in the VLF-LF and VHF radio wave bands according to the data of instrumental radiophysical measurements by GPR and radio impedance methods, including the determination of the structure of the ice crossings over the Selenga River. Using the Selenga River as an example, consideration has been given to the results of combining VLF-LF and VHF methods of electromagnetic diagnostics of a layered medium in a wide range of radio waves (from tens of kilohertz to units of gigahertz). Radio impedance profiling and sounding in the VLF-LF bands with the IPI-300 equipment made it possible to determine the sub-bottom structure of the soil from the change in impedance and geoelectric section. GPR in the VHF band made it possible to differentiate the fine structure of the Selenga River in winter by thickness of snow, ice and water. The sounding involved the use of georadar "Oko-2" with antenna units "Triton" (central frequency 50 MHz), AB-400 (central frequency 400 MHz), AB-700 (central frequency 700 MHz), and AB-1700 (central frequency 1700 MHz). The thickness of ice of the road crossing in the Mostovoy microdistrict of Ulan-Ude city was 0.5–1.2 m – 0.1–0.2 m thicker than that beyond the road crossing. It was found that the presence of snow cover beyond the road crossing prevents the ice mass from freezing. Calibration sounding of ice with borehole drilling yielded ice dielectric constant ε=3.17. The specific electrical resistance (SER) of water from boreholes is 71–74 Ohm·m at a temperature of 1 °C. The methods used complement each other and provide a quantitative description of the object of research. The integration of various methods of radio wave diagnostics provides more detailed information on the structure of the layered medium "ice – water – bottom soil". The obtained results and the developed methods of radio impedance and GPR sounding and profiling of an inhomogeneously layered underlying environment in winter time can be used in engineering and geological surveys in the eastern and northern regions of Russia

Комплексирование георадарных и радиоимпедансных зондирований в Байкальской рифтовой зоне

Radiowave propagation techniqueshave been very rarely applied to investigate tectonic fault zones and geoelectric profilesof the Baikal rift zone. In our study, we used a combination ofground-penetrating radar (GPR) and radioimpedance techniquesin order to identify and investigatetectonic crustal fault zones in the study area. Using soundings in the super-long, long and ultra short radio wave ranges(from tens of KHz to few GHz), we detected the tectonic fault zones in the seismically active Baikal rift zone, specifically in the Tunka depression and the areas of Southern Baikal and Kotokel lakes.Faults and fault zones were identified from impedance variations and changes in the geoelectric profiles by analyzing the radio impedance profiles and soundings in the super-long and long radio wave ranges. The georadiolocation of fault structures in the ultra-short wave range made it possible to differentiate thepatterns of tectonic disturbances up to individual seismic dislocations in sedimentary and crystalline rocks and to determine the kinematics of movements in the fault zones. The techniques used in this study complement each other and ensure obtaining adequate quantitative descriptions of the study objects. By integrating varioustechniques of radio wave diagnostics, it is possible to obtain more detailed information on the structures of the tectonic fault zones. The results obtained in this study and the radioimpedance and GPR sounding and profiling techniques developed to investigate a heterogeneous underlying medium can be used in seismological and geological engineeringsurveys of the eastern and northern regions of Russia.Актуальность работы определяется тем, что в пределах Байкальской рифтовой зоны целенаправленные исследования зон тектонических нарушений и их геоэлектрических разрезов радиоволновыми методами почти не проводились. Цель исследований – выявление и изучение зон тектонических нарушений земной коры в СДВ-ДВ и УКВ диапазонах радиоволн по данным измерений комплексом радиоволновых методов радиоимпедансного и георадарного зондирований. Рассмотрены результаты комплексирования СДВ-ДВ и УКВ методов радиоволновой диагностики зон тектонических нарушений сейсмоактивной Байкальской рифтовой зоны в районах Тункинской впадины, Южного Байкала и озера Котокель в широком диапазоне радиоволн (от десятков килогерц до единиц гигагерц). Радиоимпедансное профилирование и зондирование в СДВ-ДВ диапазонах позволили обнаружить и локализовать разломы в земной коре по изменению импеданса и геоэлектрического разреза. Георадиолокация разломных структур в УКВ диапазоне сделала возможными дифференциацию тонкой структуры тектонического нарушения вплоть до отдельных сейсмодислокаций в осадочных и кристаллических породах и определение кинематики движений в разломной зоне. Исполь­зованные методы дополняют друг друга и позволяют количественно описать объект исследования. Комп­лексирование различных методов радиоволновой диагностики дает более подробную информацию о структуре зоны тектонических нарушений. Полученные результаты и разработанные методики радиоимпедансного и георадарного зондирования и профилирования неоднородной подстилающей среды могут быть использованы при сейсмологических и инженерно-геологических изысканиях в восточных и северных районах России

ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЕЗ БАРГУЗИНСКОГО ЗАЛИВА НА ОЗ. БАЙКАЛ ПО ДАННЫМ ГЕОРАДАРНЫХ И РАДИОИМПЕДАНСНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ

Electrical resistivity (electrical conductivity) of water and bottom soil of the Barguzin Bay was studied by radio impedance soundings in VLF/LF bands, and the measurements were analysed. The georadar sounding method was used to investigate dielectric permittivity of freshwater ice (dielectric constant is ε=3.4). We developed the technique of radio impedance sounding from the ice surface of Lake Baikal for measuring the electrical resistance of bottom soil in the water area, and applied this technique to a layered model of a medium with a base showing poor/good conductivity. Geoelectric models were constructed for the Barguzin Bay coast and the southern Lake Baikal. The geoelectrical section (GES) of the water area can be useful for earthquake forecasting from electromagnetic data, as well as for analysing the physical and chemical causes of the occurrence of ring structures on the ice surface of Lake Baikal.Методом радиоимпедансного зондирования в СДВ-ДВ диапазонах измерено удельное электрическое сопротивление (электропроводимость) воды и донного грунта Баргузинского залива. Методом георадарного зондирования определена диэлектрическая проницаемость пресноводного льда ε=3.4. Разработана методика радиоимпедансного зондирования с ледяной поверхности оз. Байкал для измерения электрического сопротивления донного грунта акватории в рамках слоистой модели среды с плохо и хорошо проводящим основанием. Созданы геоэлектрические модели прибрежной зоны Баргузинского залива и южной части акватории оз. Байкал. Информация о геоэлектрическом разрезе акватории может быть использована в электромагнитном прогнозе землетрясений, а также при анализе физико-химических причин появления кольцевых структур на ледяной поверхности оз. Байкал

ГЕОРАДАРНАЯ И РАДИОИМПЕДАНСНАЯ ДИАГНОСТИКА АКВАТОРИИ РЕКИ СЕЛЕНГИ

The relevance of the work is determined by the fact that no radiowave methods have ever been used to study the water areas of rivers and lakes and their geoelectric sections within the Baikal natural territory (BNT) in winter time. The purpose of the research is to determine the electrical and geometric characteristics of the layered medium "ice – water – bottom soil" and the ice cover of the Selenga River on the BNT in the VLF-LF and VHF radio wave bands according to the data of instrumental radiophysical measurements by GPR and radio impedance methods, including the determination of the structure of the ice crossings over the Selenga River. Using the Selenga River as an example, consideration has been given to the results of combining VLF-LF and VHF methods of electromagnetic diagnostics of a layered medium in a wide range of radio waves (from tens of kilohertz to units of gigahertz). Radio impedance profiling and sounding in the VLF-LF bands with the IPI-300 equipment made it possible to determine the sub-bottom structure of the soil from the change in impedance and geoelectric section. GPR in the VHF band made it possible to differentiate the fine structure of the Selenga River in winter by thickness of snow, ice and water. The sounding involved the use of georadar "Oko-2" with antenna units "Triton" (central frequency 50 MHz), AB-400 (central frequency 400 MHz), AB-700 (central frequency 700 MHz), and AB-1700 (central frequency 1700 MHz). The thickness of ice of the road crossing in the Mostovoy microdistrict of Ulan-Ude city was 0.5–1.2 m – 0.1–0.2 m thicker than that beyond the road crossing. It was found that the presence of snow cover beyond the road crossing prevents the ice mass from freezing. Calibration sounding of ice with borehole drilling yielded ice dielectric constant ε=3.17. The specific electrical resistance (SER) of water from boreholes is 71–74 Ohm·m at a temperature of 1 °C. The methods used complement each other and provide a quantitative description of the object of research. The integration of various methods of radio wave diagnostics provides more detailed information on the structure of the layered medium "ice – water – bottom soil". The obtained results and the developed methods of radio impedance and GPR sounding and profiling of an inhomogeneously layered underlying environment in winter time can be used in engineering and geological surveys in the eastern and northern regions of Russia.Актуальность работы определяется тем, что в пределах Байкальской природной территории (БПТ) исследования акваторий рек и озер в зимнее время и их геоэлектрических разрезов радиоволновыми методами почти не проводились. Цель исследований – определение электрических и геометрических характеристик слоистой среды «лед – вода – донный грунт» и ледяного покрова р. Селенги на БПТ в СДВ-ДВ и УКВ диапазонах радиоволн по данным инструментальных радиофизических измерений георадиолокационным (георадарным) и радиоимпедансным методами, в том числе определение структуры ледовых переправ через р. Селенгу. На примере р. Селенги рассмотрены результаты комплексирования СДВ-ДВ и УКВ методов электромагнитной диагностики слоистой среды в широком диапазоне радиоволн (от десятков килогерц до единиц гигагерц). Радиоимпедансное профилирование и зондирование в СДВ-ДВ диапазонах аппаратурой ИПИ-300 позволило по изменению импеданса и геоэлектрического разреза определить поддонную структуру грунта. Георадиолокация в УКВ диапазоне дала возможность дифференцировать тонкую структуру акватории р. Селенги в зимнее время по толщине снега, льда и воды. Для зондирования использован георадар «Око-2» с антенными блоками «Тритон» (центральная частота 50 МГц), АБ-400 (центральная частота 400 МГц), АБ-700 (центральная частота 700 МГц) и АБ-1700 (центральная частота 1700 МГц). Толщина льда на ледовой переправе в микрорайоне Мостовом г. Улан-Удэ составляла 0.5–1.2 м и превышала толщину льда за пределами переправы на 0.1–0.2 м. Установлено, что наличие снежного покрова за пределами переправы сдерживает промерзание ледовой толщи. Калибровочное зондирование льда с бурением скважины дало диэлектрическую проницаемость льда ε=3.17. Удельное электрическое сопротивление воды из скважин составляет 71–74 Ом·м при температуре 1 °С. Использованные методы дополняют друг друга и позволяют количественно описать объект исследования. Комплексирование различных методов радиоволновой диагностики дает более подробную информацию о структуре слоистой среды «лед – вода – донный грунт». Полученные результаты и разработанные методики радиоимпедансного и георадарного зондирования и профилирования слоисто-неоднородной подстилающей среды в зимнее время могут быть использованы при инженерно-геологических изысканиях в восточных и северных районах России

Study of the moisture content of the troposphere over the ULAB (Ulaanbaatar) monitoring station using GPS measurement, radio sounding and surface meteorology data

The water vapor content is calculated in a conditional vertical column to the tropopause level from remote sensing data on the lower atmosphere. The calculations are based on GPS measurements, surface meteorological data and vertical meteorological profiles produced by radiosondes.Atotal zenith tropospheric delay (ZTD) is estimated as a difference between an estimated straight line, along which the GPS signal propagates in vacuum, and alength of the pathbetween the signal source and the receiver, which is refracted in the real medium. A direct correlation is noted between changes in the ‘wet’ component of the tropospheric delay of the GPS signal and variations in the moisture content of the troposphere. A‘wet’ component value of the tropospheric delay can be converted with a very high confidence into a value of integral water vapor above the observation point.In order to determine the integral water vapor amounts over the ULAB (Ulaanbaatar) permanent GPS monitoring station, empirical equations were used for the linear regressions of the ratios of surface temperature and mean weighted temperature for the water vapor elasticity using the data of radiosondes launched in the city of Ulaanbaatar and Murensettlement. We studied the features of the dynamics of variations in the integral water vapor, surface values of atmospheric pressure, air temperature and precipitation volumes over the ULAB station, using the data of July 2016

GEOELECTRICAL SECTION OF THE BARGUZIN BAY OF LAKE BAIKAL ACCORDING TO GEORADAR AND RADIO IMPEDANCE SOUNDING DATA

Electrical resistivity (electrical conductivity) of water and bottom soil of the Barguzin Bay was studied by radio impedance soundings in VLF/LF bands, and the measurements were analysed. The georadar sounding method was used to investigate dielectric permittivity of freshwater ice (dielectric constant is ε=3.4). We developed the technique of radio impedance sounding from the ice surface of Lake Baikal for measuring the electrical resistance of bottom soil in the water area, and applied this technique to a layered model of a medium with a base showing poor/good conductivity. Geoelectric models were constructed for the Barguzin Bay coast and the southern Lake Baikal. The geoelectrical section (GES) of the water area can be useful for earthquake forecasting from electromagnetic data, as well as for analysing the physical and chemical causes of the occurrence of ring structures on the ice surface of Lake Baikal