JPT No. 27 – Methodology for the determination of modern and fossil horse gaits from trackways

E. Renders¹, A. Vincelette²,

1 – Department of Functional Morphology, Faculty of Veterinary Medicine, Utrecht University (Ret.), Utrecht, The Netherlands
2 – Department of Pretheology, St. John’s Seminary, Camarillo, California, U.S.A Lander, WY, USA
Emails: avincelette@stjohnsem.edu (AV); ER

ABSTRACT

The authors here present a methodology for the analysis of fossil horse trackways in order to determine the gait and velocity. The methodology presents recommended measurements to take on trackways, ways of distinguishing front feet (manus) from hind feet (pes) in order to determine footfall patterns, tables and figures noting how gaits can be distinguished based upon trackway patterns and measurements, formulae for estimating the speed of gait, and ways of determining likely trackmaker species and height at withers. In order to develop this methodology the authors undertook a study of twenty-five horses of different breeds and sizes in various gaits, and found six ratios determinable from trackways that can help identify horse gait and velocity: step symmetry, stride length/front hoof length, ipsilateral step distance/stride length, diagonal step distance/stride length, diagonal/ipsilateral step distance, and interior straddle/hind hoof width. Also noted were the effects of three key variables that could increase the amount of overstep of ipsilateral feet in different gaits: velocity of gait, height of trackmaker at the withers, and gleno-acetabular distance of trackmaker (distance between center of hip to center of shoulder).

RESUMO [in Portuguese]

Os autores apresentam uma metodologia para análise de pegadas de cavalos fósseis, de modo a determinar o tipo de marcha e a velocidade. A metodologia aqui apresentada demonstra o tipo de medidas a fazer para trilhos de pegadas e seus padrões, formas de distinguir os pés dianteiros (manus) dos traseiros (pes), para determinar o tipo de marcha, e apresentamos também tabelas e figuras de como os trilhos podem ser distinguidos com base em padrões e medidas , fórmulas para estimar a velocidade da marcha, e formas de determinar as espécies prováveis de dos trilhos de pegadas e a altura ao garrote. Para desenvolver esta metodologia, os autores empreenderam um estudo de vinte e cinco cavalos de diferentes raças e tamanhos com vários tipos de marcha, e encontraram seis rácios determináveis a partir de pistas que podem ajudar a identificar o andar e a velocidade do cavalo, são estes: a simetria dos passos, o comprimento do passo/comprimento do casco dianteiro, a distância do passo/comprimento do passo ipsilateral, a distância do passo/comprimento do passo diagonal, a distância do passo diagonal/ipsilateral, e a largura do passo interior/largura do casco traseiro. Também foram notados os efeitos de três variáveis-chave que poderiam aumentar a quantidade de passo em excesso dos pés ipsilaterais em diferentes andamentos: a velocidade de marcha, a altura do animal que fez o trilho no garrote, e a distância gleno-acetabular do animal que fez o trilho (distância entre o centro da anca e o centro do ombro).

JPT No. 26 – A history of paleontological excavations at the Pleistocene fossil site Natural Trap Cave, Wyoming

J.A. Meachen^1,*, C.M. Redman², B.M. Gilbert³, R. Reppen⁴, S. Chomko⁵, K. Lippincott⁶, B.H. Breithaupt⁷, D. Lovelace⁸, J. Laden⁹

1 – Anatomy Department, Des Moines University, 3200 Grand Ave, Des Moines, IA 50312, USA
2 – Grand Rapids Public Museum, Grand Rapids, MI 49504, USA
3 – Department of Archaeology, University of Missouri, Columbia (Retired), Show Low, AZ, USA
4 – Applied Linguistics, Northern Arizona University, Flagstaff, AZ 86011-6032, USA
5 – Consultant in Archaeology and Forensic Anthropology (Retired), St. Louis, MO, USA
6 – Consulting Archaeologist (Retired), Casper, WY, USA
7 – Bureau of Land Management, Wyoming State Office, Cheyenne, WY 82009, USA
8 – University of Wisconsin, Madison, Department of Geoscience, UW Geology Museum, Madison, WI 53706, USA
9 – Northern Rocky Mountain Grotto, Hole in the Wall Grotto, Wind River Grotto, Lander, WY, USA
Emails: julie.meachen@dmu.edu (JAM); coryredman@gmail.com (CMR); b.milesgilbert@hotmail.com (BMG); Randi.Reppen@nau.edu (RR); stephen.chomko@att.net (SC); lippincotts@live.com (KL); bbreitha@blm.gov (BHB); dlovelace@wisc.edu (DL); juantontomatoe@gmail.com (JL)

ABSTRACT

The late Pleistocene fossil site of Natural Trap Cave (NTC) located in the Bighorn Mountains of Wyoming has been producing fossils since its first scientific exploration in the late 1960s. This site has exceptional preservation of a wide range of species including megafauna, microfauna, and pollen, and is considered a “treasure trove” among late Pleistocene sites in North America. However, this site presents logistical challenges because of its remoteness and inaccessibility (it is a 24.5m deep sinkhole located at the end of a mountainous road) and understanding how to access and excavate such a site should be recorded for future paleontologists, including how to overcome any logistical difficulties. We summarize the history of excavations of NTC including the three main teams who undertook these challenges, the overall questions the excavations addressed, how the excavations were accomplished, and the overall findings. This published work will serve as a record of how to undertake the logistical challenges of a site as rewarding as NTC.

RESUMO [in Portuguese]

O sítio paleontológico do Pleistoceno tardio Natural Trap Cave (NTC), localizado nas Montanhas Bighorn do Wyoming, tem produzido fósseis desde a sua primeira exploração científica no final dos anos 1960. Este sítio possui preservação excepcional de uma vasta gama de espécies, incluindo megafauna, microfauna e pólen, e é considerado um “tesouro” entre os sítios do Pleistoceno da América do Norte. No entanto, este sítio apresenta desafios logísticos devido ao seu afastamento e inacessibilidade (é uma dolina de 24,5m de profundidade, localizada no final de uma estrada montanhosa) e entender como acessar e escavar tal sítio deve ser registado para futuros paleontólogos, incluindo como superar quaisquer dificuldades logísticas. Resumimos a história das escavações no NTC, incluindo as três equipes principais que empreenderam estes desafios, as questões gerais que as escavações abordaram, como as escavações foram realizadas, e as conclusões gerais. Este trabalho publicado servirá de registo de como enfrentar os desafios logísticos de um local tão gratificante como o NTC.

JPT No. 25 – What do we mean by the directions “cranial” and “caudal” on a vertebra?

Michael P. Taylor^1* & Mathew J. Wedel²

1 – Department of Earth Sciences, University of Bristol, Bristol BS8 1RJ, UK.
2 – College of Osteopathic Medicine of the Pacific and College of Podiatric Medicine, Western University of Health Sciences, Pomona, California, USA.

Emails: dino@miketaylor.org.uk (MT); mathew.wedel@gmail.com (MW)

ABSTRACT

When describing and illustrating vertebrae, it is important to consistently depict their orientation, so we can objectively assess and compare the slope of the neural arch, neural canal, or articular surfaces. However, differing vertebral shapes across taxa and across regions of the spinal column make it difficult to maintain consistency, or even define what we mean by the directions “cranial” and “caudal”. Consequently, characters such as “Neural arch slopes cranially 30° relative to the vertical” are disputable rather than objective measurements. Cranial and caudal are defined as directed along the horizontal axis, but several different definitions of “horizontal” are possible:

1. Long axis of centrum is horizontal. This is appealing for elongate vertebrae such as sauropod cervicals, but is not always well defined, and is difficult to determine for craniocaudally short vertebrae such as most caudals.
2. Articular surfaces of centrum are vertical. Difficult to determine when dealing with facets that are concave or (worse) convex; and ambiguous for “keystoned” vertebrae in which the facets are not parallel.
3. Neural canal is horizontal. Anatomically informative, but difficult to determine in vertebrae that have not been fully prepared or CT-scanned, and impossible to see in lateral view. Ambiguous for vertebrae where the dorsal and ventral margins of the canal are not straight or not parallel.
4. Similarity in articulation (“horizontal” is defined as a line joining the same point on two similarly oriented copies of the same vertebra when optimally articulated). This is less intuitive than definitions 1–3, but takes the entire vertebra into account.

We advocate explicitly stating a definition and using it consistently. In most cases, definition 3 (“Neural canal is horizontal”) best reflects anatomical and developmental realities, and it is therefore preferred. Low-tech methods can be used to determine neural canal orientation with adequate precision for most purposes.

RESUMO [in Portuguese]

Ao descrever e ilustrar vértebras, é importante descrever de forma consistente a sua orientação, para que possamos avaliar e comparar objectivamente a inclinação do arco neural, canal neural, ou superfícies articulares. Entretanto, as diferentes formas de vértebrais dos táxons e das regiões da coluna vertebral tornam difícil manter consistência, ou mesmo definir o que queremos dizer com as direcções “cranial” e “caudal”. Consequentemente, caracteres tais como “curvatura do arco neural cranialmente 30° em relação à vertical” são discutíveis em vez de medidas objectivas. Cranial e caudal são definidos como direcionados ao longo do eixo horizontal, mas várias definições diferentes de “horizontal” são possíveis

1. O eixo longo do centro vertebral é horizontal. Isto é interessante para vértebras alongadas, como as cervicais dos saurópodes, mas nem sempre é bem definido, e é difícil de determinar para vértebras curtas craniocaudalmente, como a maioria das caudais.
2. As superfícies articulares do centro vertebral são verticais. Difícil de determinar quando se trata de facetas que são côncavas ou (pior) convexas; e ambíguo para as vértebras com a forma de uma chave de um arco, nas quais as facetas não são paralelas.
3. O canal neural é horizontal. Anatomicamente informativo, mas difícil de determinar em vértebras que não tenham sido completamente preparadas ou digitalizadas por TC, sendo impossível de visualizar em vista lateral. Ambíguo para vértebras cujas as margens dorsal e ventral do canal não são rectas ou não são paralelas.
4. Semelhança na articulação (“horizontal” é definido como uma linha que une o mesmo ponto em duas cópias da mesma vértebra com orientações semelhantes, quando articuladas de forma óptima). Isto é menos intuitivo do que as definições 1–3, mas leva em conta a vértebra inteira.

Defendemos o uso de explícito de uma definição e a sua utilização de forma consistente. Na maioria dos casos, a definição 3 (“O canal neural é horizontal”) reflecte melhor a realidade da anatomia e do desenvolvimento, pelo que é preferível. Métodos de baixa tecnologia podem ser utilizados para determinar a orientação do canal neural com precisão adequada para a maioria dos fins.

JPT No. 24 – A study in the temperature changes in the cleaning of fossil bones by Er:YAG (2940 nm)

Alessia Andreotti^1*, Alessio Ceccarini¹, Maria Perla Colombini¹, Adele De Cruz² and Mark Norell²

1 – Chemistry and Industrial Chemistry Department, Pisa University, Italy
2 – American Museum of Natural History, New York, USA

Emails: alessia.andreotti@unipi.it (AA); alessio.ceccarini@unipi.it (AC); maria.perla.colombini@unipi.it (MPC); adecruz@amnh.org (ADC); norell@amnh.org (MN)

ABSTRACT

This work examines the feasibility of monitoring temperature changes during laser cleaning to ensure the safe removal of unwanted materials from fossil bones. The use of laser technology for cleaning fossils originated from the need to clean a vast collection of fossil finds from the American-Mongolian Expedition (2017) of the Museum of Natural History in New York. One of the steps in the conservation of fossils involves removing the residues of soil and unwanted materials such as consolidation or restoration products that have degraded over time. The main aim of this study was to optimize the Er:YAG Laser parameters for the effective and safe cleaning of different rock matrices, unwanted organic remains, and past conservation materials such as Paraloid B72, which can be very cohesive to the surface of the fossil. The museum collection provided an opportunity to test for the first time the Er:YAG Laser for cleaning a large variety of bones from dinosaurs and animals from hundreds of millions of years ago: fossils of Coryphodon (Paleocene-Eocene, 66-33My), Psittacosaurus (Cretaceous, 123-100My) and also Hapalemur simus and Hyrax. To fully understand the effects of the laser cleaning, the chemical characterisation of the unwanted material and residues of biological tissue was performed using infrared spectroscopy and chromatographic techniques. Pyrolysis analysis was also carried out on the ablated material and on the fossils after cleaning. The laser tests were executed in the presence or absence of various auxiliary wetting agents and by irradiating the samples with different energy fluences, repetition rates and number of consecutive pulses. The temperature measurements were performed with an infrared sensor system (FT-H10 Sensor Head, by Keyence, U.S.A) with the appropriate setting, avoiding any interference. The IR measurement system was tested on model specimens comparing the surface temperature (infrared sensor) with the bulk temperature measured with a Type T (copper-constantan) thermocouple inserted into the reference material. The experimental set up was then applied to the fossil bones with the right working conditions for safe laser cleaning. Experimental results demonstrated that the irradiation with an Er:YAG long pulse duration (300 μs) laser induced a limited temperature increase on the surface, when working with a threshold fluence under 2.5 J/cm2, and using ethanol as a wetting agent during the irradiation.

RESUMO [in Portuguese]

Este trabalho examina a viabilidade de monitorar as mudanças de temperatura de ossos fósseis durante a limpeza a laser para assegurar a remoção segura de materiais indesejáveis. A utilização da tecnologia laser para a limpeza de fósseis teve origem na necessidade de limpar uma vasta colecção de achados fósseis da Expedição Americana-Mongoliana (2017) do Museu de História Natural de Nova Iorque. Uma das etapas na conservação de fósseis envolve a remoção dos resíduos de solo e materiais indesejados, tais como produtos para consolidação ou restauração que se degradaram ao longo do tempo. O principal objectivo deste estudo foi optimizar os parâmetros do Laser Er:YAG para a limpeza eficaz e segura de diferentes matrizes rochosas, restos orgânicos indesejados, e materiais de conservação passados, como o Paraloid B72, que pode estar muito coeso à superfície do fóssil. A colecção do museu proporcionou uma oportunidade de testar pela primeira vez o Laser Er:YAG para a limpeza de uma grande variedade de ossos de dinossauros e animais de centenas de milhões de anos atrás: fósseis de Coryphodon (Paleoceno-Eoceno, 66-33Ma), Psittacosaurus (Cretáceo, 123-100Ma) e também Hapalemur simus e Hyrax. Para compreender plenamente os efeitos da limpeza a laser, a caracterização química do material indesejado e dos resíduos de tecido biológico foi realizada utilizando espectroscopia de infravermelho e técnicas cromatográficas. A análise de pirólise também foi realizada no material ablacionado e nos fósseis após a limpeza. Os testes com laser foram executados na presença ou ausência de vários agentes molhantes auxiliares e por irradiação das amostras com diferentes fluências energéticas, taxas de repetição e número de pulsos consecutivos. As medições de temperatura foram realizadas com um sistema de senso infravermelho (FT-H10 Sensor Head, por Keyence, E.U.A) com a configuração apropriada, evitando qualquer interferência. O sistema de medição de IV foi testado em amostras-modelo comparando a temperatura da superfície (sensor de infravermelho) com a temperatura a granel medida com um termopar do tipo T (cobre-constantan) inserido no material de referência. A configuração experimental foi então aplicada aos ossos fósseis com as condições de trabalho adequadas para uma limpeza a laser segura. Os resultados experimentais demonstraram que a irradiação com um laser Er:YAG com pulso de longa duração (300 μs) induziu um aumento limitado da temperatura na superfície, quando se trabalha com uma fluência de limiar inferior a 2,5 J/cm2, e utilizando etanol como um agente molhante durante a irradiação.

JPT No. 23 – Breaking the mold: an empirical analysis of molding and casting efficiency

Matthew S. Eads^1,2* & Andrew B. Heckert²

1 – Department of Geosciences, Fort Hays State University, 600 Park Street Tomanek Hall 233, Hays, KS 67601, USA
2 – Department of Geological and Environmental Sciences, Appalachian State University, 572 Rivers Street, Boone, NC 28608, USA

Emails: m_eads@mail.fhsu.edu (MSE)

ABSTRACT

The goal of this project was to assess the production quantity capability of casts from tin-based and platinum-based silicone rubber molds, while also considering the mold’s rigidity under high and low stress environments. We compared six platinum-based molding rubbers (Mold Star® 16 FAST, Dragon Skin® 10 FAST, and EcoFlex™ 00-10, 00-20, 00-30, and 00-50) along with three tin-based molding rubbers (Mold Max® 10, Mold Max® 27T and Mold Max® 40). These products represent a variety of Shore hardness as well as pot life and cure times and are thought to have different archival capabilities. All molds were of a tooth of Otodus (= Carcharocles) megalodon and were poured using Smooth-Cast® 320 urethane resin. We made two one-part molds with each molding rubber, with the tooth positioned identically in each mold. Two tests were performed on each of the nine mold types—a short-term, high-stress and a long-term, low-stress test. For the short-term, or “torture-test,” we poured the mold every eight minutes for 8-10 hours a day until the mold was exhausted to simulate a “rush production” prior to a major event. In contrast, for the long-term test we poured the mold once or, at most, twice a day to simulate occasional use over a longer time frame, although this is probably a better approximation of “occasional” use as opposed to true “archival” use, where the cast may only be poured a few times over several years. During curing, the resin reaches 60˚C, which slowly causes the inside of the mold to become dry, rigid, and more susceptible to tearing. This process is exacerbated during the short-term test due to the interior of the mold constantly experiencing high temperatures. Over the long-term test tin-based rubber hardens and cracks faster, and thus breaks down sooner, than platinum-based rubber. Under high production settings tin-based rubber consistently produces a higher volume of casts than platinum-based rubber. The flexibility of the materials also greatly matters as high Shore hardness materials tear too easily, yet highly flexible (low Shore hardness) materials cannot support their own weight. Our results show that tin-based shore 10A molds have the best combination of flexibility to durability for frequent to occasional use.

RESUMO [in Portuguese]

O objectivo deste projecto era avaliar a capacidade de produção de quantidade de moldes a partir de moldes de borracha de silicone à base de estanho e platina, considerando também a rigidez dos moldes em ambientes de altas e baixas tensões. Comparámos seis borrachas de moldagem à base de platina (Mold Star® 16 FAST, Dragon Skin® 10 FAST, and EcoFlex™ 00-10, 00-20, 00-30, and 00-50) e três borrachas de moldagem á base de estanho (Mold Max® 10, Mold Max® 27T and Mold Max® 40). Estes produtos representam uma variedade de dureza de Shore assim como tempo de vida de mistura e tempo de cura e com capacidades arquivísticas estimadas diferentes. Todos os moldes foram de um dente de Otodus (= Carcharocles) megalodon e foram derramados utilizando resina de uretano Smooth-Cast® 320. Fizemos dois moldes de uma parte com cada borracha de moldagem, com o dente colocado de forma idêntica em cada molde. Dois testes foram efectuados em cada um dos nove tipos de molde – um de curta duração e elevada tensão, e um de longa duração e baixa tensão. Para o de curta duração, ou “teste de tortura”, deitámos o molde a cada oito minutos durante 8-10 horas por dia até ao molde se esgotar para simular uma “produção acelerada” anterior a um grande evento. Em contraste, para o teste de longa duração deitámos o molde uma vez ou, no máximo, duas vezes por dia para simular o uso ocasional ao longo de um intervalo de tempo mais longo, embora tal seja provavelmente uma melhor aproximação de uso “ocasional” por oposição a uma verdadeira utilização “arquivística”, na qual o molde pode apenas ser deitado algumas vezes ao longo de vários anos. Durante a cura, a resina atinge os 60º C, o que causa gradualmente o interior do molde ficar seco, rígido, e mais susceptível a rasgar. Este processo é exacerbado durante o teste de curta duração devido ao interior do molde ser constantemente exposto a altas temperaturas. Ao longo do teste de longa duração a borracha à base de estanho endurece e quebra mais facilmente, logo degrada-se em menos tempo, do que a borracha à base de platina. Sob condições de elevada produção a borracha à base de estanho consistentemente produz um maior volume de moldes do que à base de platina. A flexibilidade dos materiais é também de grande importância uma vez que materiais com dureza de Shore alta rasgam com demasiada facilidade, enquanto materiais muito flexíveis (dureza de Shore baixa) não suportam o seu próprio peso. Os nossos resultados mostram que os moldes com Shore 10ª à base de estanho possuem a melhor combinação de flexibilidade e durabilidade para utilização ocasional a frequente.

JPT No. 21 – Efficiency, workflow and image quality of clinical computed tomography scanning compared to photogrammetry on the example of a Tyrannosaurus rex skull from the Maastrichtian of Montana, U.S.A.

Charlie A. Hamm¹, Heinrich Mallison^2,3, Oliver Hampe², Daniela Schwarz², Juergen Mews⁴, Joerg Blobel⁴, Ahi Sema Issever¹, Patrick Asbach^1*

1 – Dept. of Radiology, Charité – Universitätsmedizin Berlin, corporate member of Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, and Berlin Institute of Health, 10117 Berlin, Germany
2 – Museum für Naturkunde, Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung, Invalidenstraße 43, 10115 Berlin, Germany
3 – Palaeo3D, Talstrasse 14, 86554 Pöttmes, Germany
4 – Canon Medical Systems Europe BV, Zoetermeer/NL

Corresponding author. Email: patrick.asbach@charite.de

ABSTRACT

Imaging is crucial to gather scientific data in paleontology. Photogrammetry is currently a frequently used technique for surface imaging, producing high-quality 3D surface data. Clinical computed tomography (CT) scanners are interesting for paleontological research because of their high availability and the potential to image internal structures in addition to the surface. In this study we report the technical effort, workflow and image quality of clinical CT compared to photogrammetry for a large fossil. The fossil investigated in this study is the skull of a Tyrannosaurus rex (MB.R.91216) from the Maastrichtian of Montana, U.S.A., of which 47 bone elements are preserved. CT scanning was technically feasible in all bone elements and 3D models were generated from CT data and photogrammetry. The overall scanning procedure time measured 83 min 51 sec. The overall CT data volume measured 36,265 GB. The overall radiation exposure (DLP) measured 62,313.6 mGy*cm. The total costs were calculated with 243.17€ and 408.18€ for CT and photogrammetry, respectively. This study shows that a clinical CT scanner can be used for imaging even large paleontological objects with high density. In comparison to CT scanning, the data-capture effort of photogrammetry is directly linked to the size and color of the specimen and to the complexity of its shape. While those factors influence the photogrammetry-based 3D model and the quality of its details, the CT scan is mostly free of these variables. Unlike the acquisition and calculation time in photogrammetry the CT scanning time for large and small objects measures roughly the same, as this method is independent of the specimen’s shape and complexity.

RESUMO [in Portuguese]

A geração de imagens é crucial para reunir dados científicos em paleontologia. A fotogrametria é atualmente uma técnica frequentemente usada para obter imagens de superfície, produzindo dados de superfície 3D de alta qualidade. Os scanners de tomografia computadorizada clínica (TC) são interessantes para a investigação paleontológica devido ao facto de estarem acessíveis e ao potencial para visualizar estruturas internas e de superfície. Neste estudo debruçamo-nos sobre o esforço técnico, fluxo de trabalho e qualidade de imagem da TC clínica em comparação com a fotogrametria no estudo de um fóssil de grandes dimensões. O fóssil investigado neste estudo é o crânio de um Tyrannosaurus rex (MB.R.91216) do Maastrichtiano de Montana, EUA, que contém 47 elementos ósseos preservados. A tomografia computadorizada foi tecnicamente viável em todos os elementos ósseos e foram gerados modelos 3D a partir de dados de TC e fotogrametria. O tempo total do procedimento de TC durou 83 min 51 seg. O volume total de dados de TC atingiu os 36.265 GB. A exposição global à radiação foi de 62313,6 mGy*cm. Os custos totais foram calculados em 243,17€ e 408,18€ para a TC e fotogrametria, respectivamente. Este estudo mostra que uma tomografia computadorizada clínica pode ser usada para gerar imagens de objetos paleontológicos grandes com alta densidade. Em comparação com a tomografia computadorizada, o esforço de captura de dados da fotogrametria está diretamente relacionado com o tamanho e cor da amostra, bem como à complexidade da sua forma. Embora esses fatores influenciem o modelo 3D gerado com base na fotogrametria bem como a qualidade de seus detalhes, a tomografia computadorizada é praticamente imune a essas variáveis. Ao contrário do tempo de aquisição e cálculo na fotogrametria, o tempo da TC para objetos grandes e pequenos é aproximadamente o mesmo já que esse método é independente da forma e complexidade da amostra.