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A biplanar X-ray method for three-dimensional analysis of track formation

Richard G. Ellis and Stephen M. Gatesy

Plain Language Abstract

We describe a method for studying the motion of sediment in three dimensions using two X-ray machines to record videos of footprint formation. By combining movement of sedimentary particles with movement of the foot, we can study the origin of tracks in living animals and models to better interpret tracks made by dinosaurs and other extinct forms.

Resumen en Español

Un método mediante rayos X biplanares para el análisis tridimensional de la formación de rastros de pisadas

Los rastros surgen de una compleja interacción entre el animal y el sustrato. El estudio de este proceso dinámico resulta complicado dado que las interacciones pie-sedimento y sedimento-sedimento son rápidas y quedan ocultas a la vista. En este trabajo describimos un nuevo método para visualizar y cuantificar movimientos en tres dimensiones tanto de un penetrador con una morfología apropiada como del sedimento durante la formación de rastros. Nuestro método consiste en la adquisición de imágenes mediante rayos X biplanares y un flujo de trabajo basado en la animación para reconstruir las trayectorias de las cuentas metálicas diseminadas en el sedimento. Los rayos X permiten analizar a 30 imágenes por segundo y con una resolución submilimétrica los desplazamientos subsuperficiales, normalmente ocultos por el pie y la matriz opaca. Los resultados de dos estudios de rastros de tridáctilos en barro semilíquido proporcionan ejemplos novedosos, con visualizaciones animadas, de datos de conjunto y de partículas específicas, así como medidas de precisión y exactitud. Esta metodología tiene potencial para ligar mecánicamente morfologías específicas de rastros con movimientos del pie, esclarecer la formación de calcos, validar modelos computacionales y establecer un nuevo estándar para la reconstrucción de la locomoción a partir de huellas de pisadas fósiles basado en evidencias.

Palabras clave: formación de rastros; análisis 3-D de movimiento; métodos experimentales; cinemática del pie

Traducción: Miguel Company

Résumé en Français

Une méthode à rayons-X biplan pour l'analyse de la formation des empreintes

Les empreintes naissent de l'interaction complexe entre l'animal et le substrat. L'étude de ce processus dynamique est un défi du fait que les interactions pied-sédiment et sédiment-sédiment sont rapides et non visibles. Ici, nous décrivons une nouvelle méthode pour visualiser et quantifier les mouvements en 3D, utilisant à la fois la morphologie précise du marquer d'empreinte et un sédiment ressemblant durant la formation de l'empreinte. Notre méthode utilise une imagerie à rayons-X biplan et une progression basée sur une animation afin de reconstruire les trajectoires de billes métalliques semées au travers d'un volume de sédiment. Les rayons-X permettent une analyse à 30 images par seconds et une résolution submillimétrique du mouvement de la sous-surface qui est normalement cachée par le pied et l'opacité de la matrice. Les résultats originaux provenant de deux cas d'études d'empreintes tridactyles dans une boue semi-liquide fournissent une visualisation animée, des exemples de l'ensemble et des données spécifiques des particules, de même que des mesures de précision et d'exactitude. Cette méthode a le potentiel de lier mécaniquement les morphologies spécifiques des empreintes au mouvement du pied, de clarifier la formation de la sous-empreinte, de valider les modèles virtuels, et d'établir un nouveau standard de reconstruction des empreintes fossiles reposant sur des données expérimentales concrètes.

Mots clés : formation des empreintes, analyse de mouvement 3D ; méthode expérimentale, rayons-X ; cinématique du pied

Translator: Olivier Maridet

Deutsche Zusammenfassung

Eine biplanare Röntgenmethode zur dreidimensionalen Untersuchung von Spurenentstehung

Spuren entstehen durch ein komplexes Zusammenspiel von Tier und Substrat. Es ist eine Herausforderung diesen dynamischen Prozess zu untersuchen, da die meisten Fuß-Sediment und Sediment-Sediment Interaktionen schnell und im Verborgenen ablaufen. Hier beschreiben wir eine neue Methode um 3-D Bewegungen sichtbar zu machen und zu quantifizieren. Dabei ist während der Spurenentstehung sowohl der Körper morphologisch akkurat als auch das Sediment realistisch. Unsere Methode benutzt eine biplanare Röntgenaufnahme und einen Animations-basierten Arbeitsablauf um den Verlauf von Metallperlen, die über das gesamte Sediment verteilt sind, zu rekonstruieren. Röntgenstrahlen erlauben es die Untergrund-Bewegung, die normalerweise durch den Fuß oder eine opake Matrix verborgen wäre mit Submillimeter-Auflösung bei 30 Bildern pro Sekunde zu analysieren. Ergebnisse aus zwei Fallstudien mit tridactylen Spuren in halbflüssigem Schlamm haben neue und animierte Visualisierungen, Beispiele von Gesamt – und partikelspezifischen Daten und Maße von Genauigkeit und Präzision ergeben. Diese Methode hat das Potential um mechanistisch spezifische Spurenmorphologien mit der Fußbewegung in Einklang zu bringen, Untergrundspuren zu klären, Rechenmodelle zu validieren und einen neuen Maßstab für evidenzbasierte Rekonstruktion von Bewegung anhand von fossilen Fußspuren zu setzen.

SCHLÜSSELWÖRTER: Spurenentstehung; 3-D Bewegungsanalyse; experimentelle Methoden; Röntgen; Fuß-Kinematik

Translators: Eva Gebauer

Arabic

324 arab

Translator: Ashraf M.T. Elewa

 

 

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