Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

1H HR MAS NMR metabolomic and non-destructive 2D NMR relaxometry to assess internal quality in apples.

NMR can be considered a multi-scale multidimensional technology in the sense that it provides both spatial insight at macroscopic (MRI) or microscopic level (relaxometry), together with chemical characterization (HR-MAS). In this study 296 apples (from 4 cultivars) were MRI screened (20 slices per fruit) among which 7 fruits were used for metabolomic study by 1H HR MAS in order to assess various chemical shifts: malic acid, sucrose, glucose, fructose and ethanol. On the first season, tissue samples were taken from the sound and affected apples (near the core, centre and outer part of the mesocarp) belonging to sound and affected locations, while on the second season, tissue samples were focused on the comparison between sound and affected tissue. Beside, MRI and 2D non-destructive relaxometry (on whole fruits, and localized tissue) where performed on 72 and 12 apples respectively in order to compare features at macroscopic (tissue) and microscopic (subcellular) level. HR MAS shows higher content of ?-glucose, ?-glucose, malic acid and aromatic compounds in watercore affected tissues from both seasons, while sound tissue reflects higher sucrose. Microscopic (subcellular) degradation of tissue varies according to disorder development and is in good accordance with macroscopic characterization with MRI.

Arquitectura antidesertización. Fluidez, biodiversidad, hidrofilia y transpirabilidad

La escasez de recursos, la desertización creciente y el previsible calentamiento global forman un escenario físico sin precedentes que urge la revisión de las relaciones entre arquitectura y agua en la urbanización de los paisajes secos, donde la aridez es el factor limitante principal. Cuestionar la idea de escasez, la de residuo o la de confort es el punto de partida para analizar la hidrología urbana. La condición ubicua y dinámica del agua, sus continuos cambios de estado y las implicaciones energéticas y ambientales involucradas argumentan a favor de un entendimiento integral, holístico, que aborda el diseño en relación a lo paisajístico, lo infraestructural y lo ambiental como un único ámbito de investigación, planteado en términos no solo de materia o de escasez, sino de energía. Este trabajo se interesa por el rol de la arquitectura en este proyecto conjunto, integral, del espacio físico con el ciclo hidrológico donde lo orgánico, lo geológico y lo atmosférico están ligados, y donde las categorías de lo hidrológico y lo hidráulico se confunden. Las profundas implicaciones culturales en la construcción de la naturaleza urbana y en la relación con el cuerpo humano adquieren especial notoriedad en los modelos de paisaje y de espacio público adoptados, importados desde las geografías húmedas, y en la estigmatización del agua desde los presupuestos del higienismo decimonónico, que conduce al hidrofugado general de una ciudad aséptica y estéril, que se extiende hasta las envolventes de fachadas estancas y los interiores blancos y satinados. La búsqueda de referentes salta la modernidad hacia contextos de baja energía como el oasis tradicional de las tierras áridas, que concilia la formación de un ecosistema productivo con la climatización de un espacio público exterior, o los ambientes aislados de la investigación aeroespacial, con ciclos cerrados de materia. Las condiciones del ciclo del agua, como la vinculación con el suelo y el territorio, la capacidad de disolver, de mezclarse y de lavar, su volumen variable y su papel como termorregulador señalan el interés que características físicas como la fluidez, la biodiversidad, la hidrofilia y la transpirabilidad tienen para una arquitectura con competencias hidráulicas y un espacio urbano transparente a los procesos del agua. La morfología y localización, la elección de escalas, jerarquías y relaciones entre espacios y la reformulación de los sistemas constructivos aparecen como herramientas y categorías propias desde las que proponer mejores respuestas a problemas como la deshidratación, la erosión y la contaminación. Una urbanización permeable e hidrófila que absorba el agua como un recurso valioso, nuevos ensamblajes para la bioquímica urbana (que introduzcan una idea de limpieza más próxima a fertilidad que a la desinfección), y el diseño de las condiciones atmosféricas a través de una arquitectura transpirable, que se empapa y rezuma frescor, son las claves de este nuevo proyecto. La ciudad se piensa como una síntesis multiescalar de espacios hidráulicos que aporta mayor resiliencia frente a la desertificación y las condiciones climáticas extremas, y mayor visibilidad en la escena pública al agua y a las inevitables conexiones entre ecología y economía. Pero también es una oportunidad para revisar las categorías disciplinares, para renovar las consistencias materiales, las calidades ambientales y las relaciones entre el cuerpo y el espacio. ABSTRACT The shortage of resources, foreseeable global warming and increasing desertification create an unprecedented prospect that question the existing relationships between water and architecture, in the urbanization of the arid lands. The awareness of the huge volumes of water that pierce unnoticed through urban space, their impact on the landscape as well as on environmental qualities, promote a design field where cultural, social and political considerations intersect, related to the body and the physical experience of space within the built environment. Fluidity and ubiquity, solution ability, variability and cyclical processes are characteristic of water as material, directly related with the fields of potential, chemical and thermal energy and the reality of its mass, as it occupies a changing volume in space. These are also the imposing cross sections that water introduces into the project, that argue in favor of a comprehensive and holistic understanding, of addressing design in relationship to landscape, infrastructure and environmental issues as a one single area of research. This work attempts to investigate how architecture, with its specific tools, can partake in the design of water cycle in the space, linking the organic, geological, and atmospheric, blurring the lines between hydrology and hydraulic. It aims to identify issues, within the continuous query associated with water, that deal with the architectural project and may have here better results. The deep cultural implications in the construction of urban nature and the relationship with the body, acquire special notoriety in the models of landscape and public space adopted, imported from humid geographies. Also in the stigmatization of water from the premises of nineteenth- century hygienics, which lead to the entire waterproofing of an aseptic and sterile city, to the sealed facades and white and polished interiors. The search for alternative references goes beyond modernity towards a mindset of low energy, as the traditional oasis of arid lands, which aims to reconcile the formation of a productive ecosystem with the conditioning of an outdoor public space, or the controlled environments of aerospace research, with closed cycles of matter. Fluidity, biodiversity, hydrophilicity and breathability are characteristic of an architecture with hydraulic competences. The distributing phenomenon of water, its necessary connectivity to the ground and to small cycles in the ecosystems, shows strong affinities with an infrastructural architecture, as an alternative to large-scale centralized networks. Its volume has approximated to the dimensions of the built space, promoting a new found condition of coexistence. A permeable and hydrophilic urbanization absorbs water as a valuable resource; new assemblies for urban biochemistry introduce an idea of sanitation closer to fertility than to disinfection; a breathable architecture that soaks and exudes freshness design the atmospheric conditions: these are the essential components of this new project. The city is understood as a synthesis of multi-scale hydraulic spaces that provides greater resilience against desertification and increases the visibility of water and the linkages between ecology and economy in the public scene. It is also an opportunity to review the disciplinary categories of architecture, the material consistencies, the environmental qualities and the relationship between body and space.

Analysis of Contributions to NO2 Ambient Air Quality Levels in Madrid City (Spain) through Modeling. Implications for the Development of Policies and Air Quality Monitoring

As environmental standards become more stringent (e.g. European Directive 2008/50/EC), more reliable and sophisticated modeling tools are needed to simulate measures and plans that may effectively tackle air quality exceedances, common in large cities across Europe, particularly for NO2. Modeling air quality in urban areas is rather complex since observed concentration values are a consequence of the interaction of multiple sources and processes that involve a wide range of spatial and temporal scales. Besides a consistent and robust multi-scale modeling system, comprehensive and flexible emission inventories are needed. This paper discusses the application of the WRF-SMOKE-CMAQ system to the Madrid city (Spain) to assess the contribution of the main emitting sectors in the region. A detailed emission inventory was compiled for this purpose. This inventory relies on bottom-up methods for the most important sources. It is coupled with the regional traffic model and it makes use of an extensive database of industrial, commercial and residential combustion plants. Less relevant sources are downscaled from national or regional inventories. This paper reports the methodology and main results of the source apportionment study performed to understand the origin of pollution (main sectors and geographical areas) and define clear targets for the abatement strategy. Finally the structure of the air quality monitoring is analyzed and discussed to identify options to improve the monitoring strategy not only in the Madrid city but the whole metropolitan area.

La arquitectura religiosa en Santiago de Chile 1850-1950: razones de las reminiscencias góticas

Históricamente la estrategia de localización de la infraestructura religiosa católica en Chile ha estado condicionada por intenciones destinadas a la captación y tutela de feligreses, proceso desarrollado a través de intervenciones que han generado externalidades difíciles de anticipar y posibles de visualizar en un marco temporal mayor. En este contexto la producción e instalación de los templos católicos en distintos lugares de la ciudad condicionaron los territorios y marcaron presencia en su afán por colonizar y mantener el dominio, mecanismo propio de la institución religiosa que se adaptó al medio y a las circunstancias político social para cumplir su misión y mantener el poder. En esta investigación se buscó identificar desde las edificaciones destinadas al culto, la relación escalar entre localización, modo de instalación y morfología que incluye la forma y técnica de construcción, reconociendo la manera cómo modifican los entornos, el efecto que provocan y las expectativas que abren a nuevas intervenciones. El escenario escogido para realizar el estudio correspondió a un período de la historia de la ciudad de Santiago de Chile no documentado en que las circunstancias políticas, económicas, sociales y culturales contribuyeron a que el modo de disposición de las edificaciones de culto condicionaron el desarrollo urbano y orientaron el crecimiento de la ciudad. El período en que se desarrolló el estudio correspondió a la época de mayor riqueza material y cultural de la historia del país y estuvo modelada por las intenciones y planes de desarrollo tendientes a consolidar lo que se ha denominado el modelo Republicano. Escenario en que el espacio público cobró interés y se transformó en el motor de los cambios e indicador de la escala de la ciudad, estableciendo las condiciones para que las distintas corrientes europeas se manifestaran en el hacer arquitectónico cambiando la imagen original de la ciudad colonial. Este proceso que ocurrió sobre la estructura existente, densificó la manzana a través de la subdivisión predial, que complementado con los avances tecnológicos permitieron mayores alturas de edificación, situación que dio origen a nuevas concepciones espaciales, posibles de desarrollar con los recursos materiales, intelectuales y técnicos disponibles. El estudio se centró en la centuria 1850-1950 analizando la forma como la infraestructura religiosa Católica se localizó en el tejido urbano adoptando distintas tipologías edilicias, en una época caracterizada por el eclecticismo arquitectónico. Específicamente se estudiaron las edificaciones que utilizaron reminiscencias góticas, identificando los casos más significativos, estableciendo el contexto en que se originaron e indagando en la significación que tuvieron por la función que cumplieron, considerando emplazamiento y conexión con el entorno construido, conformación, dimensiones, destino y patrocinios. El área de estudio se fundamentó por la concentración de construcciones con la tendencia historicista, producciones que en el corto y mediano plazo orientaron las transformaciones de la ciudad y por la presencia que conservan hasta estos días. Se observó la incidencia de la acción de la Iglesia Católica en las políticas de Estado, orientando las decisiones de planificación y ocupación del territorio, condicionando la localización de los templos a fin de conseguir las mayores coberturas de la población y el mayor rendimiento de las inversiones. En el contexto latinoamericano la construcción de iglesias, templos y catedrales con reminiscencias góticas fue una constante que caracterizó al último cuarto del siglo XIX y las tres primeras décadas del siglo XX. El estudio permitió conocer en términos cuantitativos y cualitativos la producción, destacando la morfología y materialidad caracterizada por la adopción de estrategias contemporáneas estructuralmente exigentes. Se observó la utilización de la arquitectura como un medio de acercamiento a la población, capaz de transformar a los edificios en símbolos barriales, que facilitaron la generación de identidad, al convertirse en los referentes materiales que se destacan, que se recuerdan y que asumen la representatividad de barrios, permaneciendo en el tiempo y convirtiéndose en íconos asociados a la cultura local. En síntesis, la instalación de las infraestructuras religiosas en la ciudad de Santiago fue consecuencia de un modo de producción, que entregó lugares de encuentro y símbolos para la ciudad, a través de la localización de los edificios que buscaron ocupar áreas visibles, relevantes y convocantes, lo que consiguieron mediante la instalación geográfica, central y equidistante de conglomerados residenciales consolidados o en vías de desarrollo, como también a través de edificaciones monumentales y siempre destacadas respecto de su entorno, lo que marcó exclusividad y dominio. La elección de tipos arquitectónicos fue coyuntural a los tiempos e inspirada en intelectuales y profesionales mayoritariamente foráneos que aportaron conocimientos y experiencia para auspiciar edificaciones que fueron reconocidas como señeras y precursoras de la época. La intensidad en el uso de los recursos que demandaron las exigentes estructuras obligó a la iglesia católica a establecer estrategias de financiación destinadas a suplir la falta de recursos provenientes del Estado. Para lo cual convocaron a distintos actores los que participaron desde sus fronteras y en función de sus intereses cubriendo desde el altruismo hasta la rentabilización de su patrimonio. La organización iglesia católica se comporta de la misma manera que cualquier otra organización: busca expandirse, concentrar, controlar y administrar. Busca codificar todo su entorno (Raffestin, 2011), busca trascender y materialmente lo logra desde sus construcciones. ABSTRACT Historically the location strategies of the catholic religious infrastructure in Chile has been conditioned by intentions aimed at attracting and guardianship of parishioners, process developed through interventions that have generated externalities difficult to anticipate and possible to visualize in a in a major temporary frame. In this context, the production and installation of the catholic churches in different places in the city determined the territories and marked presence in their quest to colonize and maintain domain, mechanism of the religious institution that was adapted to the environment and in the political and social circumstances to fulfill its mission and maintain power. This research sought to identify from the buildings intended for worship in a multi-scale relationship between location, the placement mode, morphology and shape and construction technique and the effect caused by them, the way how they alter the environments and the expectations that are open to new interventions. The chosen scenario for the study corresponded to a not documented period in the history of the city of Santiago de Chile in which political, economic, social and cultural circumstances contributed to the form of disposition of the buildings of worship that determined the urban development and guided the growth of the city. The study period was the epoch of largest material and cultural wealth of Chile history and it was modeled by the intentions and development plans tending to consolidate what has been named the Republican ideal. Scenario in which public space gained interest and became the engine of change and indicator of the scale of the city, establishing the conditions for the various European trends manifested themselves in transforming the original image of the colonial city. This process that took place on the existing structure, produced a higher density of the original blocks through the predial compartimentation, which supplemented with technological advances enabled greater building heights, a situation that gave rise to new spatial conceptions, possible of developing with the material resources, intellectuals and technicians available at the moment. The study focused on the century 1850-1950 by analyzing how the Catholic religious infrastructure was located in the urban fabric by adopting different typologies locality, in an epoch characterised by architectural eclecticism. Specifica lly, it is studied the buildings that used gothic reminiscences, identifying the most significant cases, establishing the context in which they originated and inquiring about the significance that they had for the role it played, considering location and connection to the built environment, shaping, dimensions, destination, and sponsorships. The study area was established by the concentration of buildings with this historicist trend, productions that in the short and medium term guided the transformation of the city and the presence that keeps up to these days. It was noted the incidence of the of the Catholic Church actions in guiding State policies, planning decisions and occupation of the territory, as well as conditioning the location of the temples in order to achieve greater coverage of the population and the greatest return on investment. In the context of Latin America the construction of churches, temples and cathedrals with reminiscences gothic was a constant that characterized the last quarter of the nineteenth century and the first three decades of the twentieth century. The study allowed to know in quantitative and qualitative terms the production of the period, highlighting the morphology and materiality characterized by contemporary and structurally challenging strategies. It was noted the use of architecture as a means of approaching to the population, able to transform buildings into neighborhood symbols, which facilitated the production of identity, to become the reference materials that stand out, that will be remembered and that assume the representativeness of neighborhoods, remaining in the time and becoming icons associated with the local culture. In synthesis, the installation of religious infrastructure in the city of Santiago was result of a mode of production, that provided meeting places and symbols for the city, through the location of buildings that sought to occupy visible, relevant and summoning areas, what they obtained by means of the geographical, central and equidistant installation of consolidated residential conglomerates cluster or about to development, as also through always outstanding and monumental buildings with respect to its surroundings, which marked uniqueness and domain. The choice of architectural types was related to the time and inspired by intellectuals and professionals mostly outsiders who contributed with expertise and experience to sponsor buildings were recognized as outstanding and precursor of the time. The intensity of use of the resources that requested the demanding structures forced to the Catholic church to establish funding strategies designed to compensate for the lack of funds from the State. For which convened to different actors who participated from their borders and depending on their interests covering from the altruism up to the rentabilización of its patrimony. The Catholic Church organization behaves the same way as any other organization: seeks to expand, focus, control and manage. Looking for coding the entire environment (Raffestin, 2011), seeks to transcend and succeeds materially from its building.

A region based approach to background modeling in a wavelet multi-resolution framework

In the field of detection and monitoring of dynamic objects in quasi-static scenes, background subtraction techniques where background is modeled at pixel-level, although showing very significant limitations, are extensively used. In this work we propose a novel approach to background modeling that operates at region-level in a wavelet based multi-resolution framework. Based on a segmentation of the background, characterization is made for each region independently as a mixture of K Gaussian modes, considering the model of the approximation and detail coefficients at the different wavelet decomposition levels. Background region characterization is updated along time, and the detection of elements of interest is carried out computing the distance between background region models and those of each incoming image in the sequence. The inclusion of the context in the modeling scheme through each region characterization makes the model robust, being able to support not only gradual illumination and long-term changes, but also sudden illumination changes and the presence of strong shadows in the scene

Towards an unsupervised speaking style voice building framework: multi-style speaker diarization

Current text-to-speech systems are developed using studio-recorded speech in a neutral style or based on acted emotions. However, the proliferation of media sharing sites would allow developing a new generation of speech-based systems which could cope with spontaneous and styled speech. This paper proposes an architecture to deal with realistic recordings and carries out some experiments on unsupervised speaker diarization. In order to maximize the speaker purity of the clusters while keeping a high speaker coverage, the paper evaluates the F-measure of a diarization module, achieving high scores (>85%) especially when the clusters are longer than 30 seconds, even for the more spontaneous and expressive styles (such as talk shows or sports).

Design equations for reinforced concrete members strengthened in shear with external FRP reinforcement formulated in an evolutionary multi-objective framework

Methods for predicting the shear capacity of FRP shear strengthened RC beams assume the traditional approach of superimposing the contribution of the FRP reinforcing to the contributions from the reinforcing steel and the concrete. These methods become the basis for most guides for the design of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures. The variations among them come from the way they account for the effect of basic shear design parameters on shear capacity. This paper presents a simple method for defining improved equations to calculate the shear capacity of reinforced concrete beams externally shear strengthened with FRP. For the first time, the equations are obtained in a multiobjective optimization framework solved by using genetic algorithms, resulting from considering simultaneously the experimental results of beams with and without FRP external reinforcement. The performance of the new proposed equations is compared to the predictions with some of the current shear design guidelines for strengthening concrete structures using FRPs. The proposed procedure is also reformulated as a constrained optimization problem to provide more conservative shear predictions.

Propagation of Cross-Section Uncertainties in Criticality Calculations in the Framework of UAM-Phase I Using MCNPX-2.7e and SCALE-6.1

In the framework of the OECD/NEA project on Benchmark for Uncertainty Analysis in Modeling (UAM) for Design, Operation, and Safety Analysis of LWRs, several approaches and codes are being used to deal with the exercises proposed in Phase I, “Specifications and Support Data for Neutronics Cases.” At UPM, our research group treats these exercises with sensitivity calculations and the “sandwich formula” to propagate cross-section uncertainties. Two different codes are employed to calculate the sensitivity coefficients of to cross sections in criticality calculations: MCNPX-2.7e and SCALE-6.1. The former uses the Differential Operator Technique and the latter uses the Adjoint-Weighted Technique. In this paper, the main results for exercise I-2 “Lattice Physics” are presented for the criticality calculations of PWR. These criticality calculations are done for a TMI fuel assembly at four different states: HZP-Unrodded, HZP-Rodded, HFP-Unrodded, and HFP-Rodded. The results of the two different codes above are presented and compared. The comparison proves a good agreement between SCALE-6.1 and MCNPX-2.7e in uncertainty that comes from the sensitivity coefficients calculated by both codes. Differences are found when the sensitivity profiles are analysed, but they do not lead to differences in the uncertainty.

Fast 2D to 3D conversion using a clustering-based hierarchical search in a machine learning framework

Automatic 2D-to-3D conversion is an important application for filling the gap between the increasing number of 3D displays and the still scant 3D content. However, existing approaches have an excessive computational cost that complicates its practical application. In this paper, a fast automatic 2D-to-3D conversion technique is proposed, which uses a machine learning framework to infer the 3D structure of a query color image from a training database with color and depth images. Assuming that photometrically similar images have analogous 3D structures, a depth map is estimated by searching the most similar color images in the database, and fusing the corresponding depth maps. Large databases are desirable to achieve better results, but the computational cost also increases. A clustering-based hierarchical search using compact SURF descriptors to characterize images is proposed to drastically reduce search times. A significant computational time improvement has been obtained regarding other state-of-the-art approaches, maintaining the quality results.

Guidelines for the design of an environmental flow regime program at the regional scale: Application of the ELOHA framework in the Ebro River basin

La gestión de los recursos hídricos se convierte en un reto del presente y del futuro frente a un panorama de continuo incremento de la demanda de agua debido al crecimiento de la población, el crecimiento del desarrollo económico y los posibles efectos del calentamiento global. La política hidráulica desde los años 60 en España se ha centrado en la construcción de infraestructuras que han producido graves alteraciones en el régimen natural de los ríos. Estas alteraciones han provocado y acrecentado los impactos sobre los ecosistemas fluviales y ribereños. Desde los años 90, sin embargo, ha aumentado el interés de la sociedad para conservar estos ecosistemas. El concepto de caudales ambientales consiste en un régimen de caudales que simula las características principales del régimen natural. Los caudales ambientales están diseñados para conservar la estructura y funcionalidad de los ecosistemas asociados al régimen fluvial, bajo la hipótesis de que los elementos que conforman estos ecosistemas están profundamente adaptados al régimen natural de caudales, y que cualquier alteración del régimen natural puede provocar graves daños a todo el sistema. El método ELOHA (Ecological Limits of Hydrological Alteration) tiene como finalidad identificar las componentes del régimen natural de caudales que son clave para mantener el equilibrio de los ecosistemas asociados, y estimar los límites máximos de alteración de estas componentes para garantizar su buen estado. Esta tesis presenta la aplicación del método ELOHA en la cuenca del Ebro. La cuenca del Ebro está profundamente regulada e intervenida por el hombre, y sólo las cabeceras de los principales afluentes del Ebro gozan todavía de un régimen total o cuasi natural. La tesis se estructura en seis capítulos que desarrollan las diferentes partes del método. El primer capítulo explica cómo se originó el concepto “caudales ambientales” y en qué consiste el método ELOHA. El segundo capítulo describe el área de estudio. El tercer capítulo realiza una clasificación de los regímenes naturales de la cuenca (RNC) del Ebro, basada en series de datos de caudal mínimamente alterado y usando exclusivamente parámetros hidrológicos. Se identificaron seis tipos diferentes de régimen natural: pluvial mediterráneo, nivo-pluvial, pluvial mediterréaneo con una fuerte componente del caudal base, pluvial oceánico, pluvio-nival oceánico y Mediterráneo. En el cuarto capítulo se realiza una regionalización a toda la cuenca del Ebro de los seis RNC encontrados en la cueca. Mediante parámetros climáticos y fisiográficos se extrapola la información del tipo de RNC a puntos donde no existen datos de caudal inalterado. El patrón geográfico de los tipos de régimen fluvial obtenido con la regionalización resultó ser coincidente con el patrón obtenido a través de la clasificación hidrológica. El quinto capítulo presenta la validación biológica de los procesos de clasificación anteriores: clasificación hidrológica y regionalización. La validación biológica de los tipos de regímenes fluviales es imprescindible, puesto que los diferentes tipos de régimen fluvial van a servir de unidades de gestión para favorecer el mantenimiento de los ecosistemas fluviales. Se encontraron diferencias significativas entre comunidades biológicas en cinco de los seis tipos de RNC encontrados en la cuenca. Finalmente, en el sexto capítulo se estudian las relaciones hidro-ecológicas existentes en tres de los seis tipos de régimen fluvial encontrados en la cuenca del Ebro. Mediante la construcción de curvas hidro-ecológicas a lo largo de un gradiente de alteración hidrológica, se pueden sugerir los límites de alteración hidrológica (ELOHAs) para garantizar el buen estado ecológico en cada uno de los tipos fluviales estudiados. Se establecieron ELOHAs en tres de los seis tipos de RNC de la cuenca del Ebro Esta tesis, además, pone en evidencia la falta de datos biológicos asociados a registros de caudal. Para llevar a cabo la implantación de un régimen de caudales ambientales en la cuenca, la ubicación de los puntos de muestreo biológico cercanos a estaciones de aforo es imprescindible para poder extraer relaciones causa-efecto de la gestión hidrológica sobre los ecosistemas dependientes. ABSTRACT In view of a growing freshwater demand because of population raising, improvement of economies and the potential effects of climate change, water resources management has become a challenge for present and future societies. Water policies in Spain have been focused from the 60’s on constructing hydraulic infrastructures, in order to dampen flow variability and granting water availability along the year. Consequently, natural flow regimes have been deeply altered and so the depending habitats and its ecosystems. However, an increasing acknowledgment of societies for preserving healthy freshwater ecosystems started in the 90’s and agreed that to maintain healthy freshwater ecosystems, it was necessary to set environmental flow regimes based on the natural flow variability. The Natural Flow Regime paradigm (Richter et al. 1996, Poff et al. 1997) bases on the hypothesis that freshwater ecosystems are made up by elements adapted to natural flow conditions, and any change on these conditions can provoke deep impacts on the whole system. Environmental flow regime concept consists in designing a flow regime that emulates natural flow characteristics, so that ecosystem structure, functions and services are maintained. ELOHA framework (Ecological Limits of Hydrological Alteration) aims to identify key features of the natural flow regime (NFR) that are needed to maintain and preserve healthy freshwater and riparian ecosystems. Moreover, ELOHA framework aims to quantify thresholds of alteration of these flow features according to ecological impacts. This thesis describes the application of the ELOHA framework in the Ebro River Basin. The Ebro River basin is the second largest basin in Spain and it is highly regulated for human demands. Only the Ebro headwaters tributaries still have completely unimpaired flow regime. The thesis has six chapters and the process is described step by step. The first chapter makes an introduction to the origin of the environmental flow concept and the necessity to come up. The second chapter shows a description of the study area. The third chapter develops a classification of NFRs in the basin based on natural flow data and using exclusively hydrological parameters. Six NFRs were found in the basin: continental Mediterranean-pluvial, nivo-pluvial, continental Mediterranean pluvial (with groundwater-dominated flow pattern), pluvio-oceanic, pluvio-nival-oceanic and Mediterranean. The fourth chapter develops a regionalization of the six NFR types across the basin by using climatic and physiographic variables. The geographical pattern obtained from the regionalization process was consistent with the pattern obtained with the hydrologic classification. The fifth chapter performs a biological validation of both classifications, obtained from the hydrologic classification and the posterior extrapolation. When the aim of flow classification is managing water resources according to ecosystem requirements, a validation based on biological data is compulsory. We found significant differences in reference macroinvertebrate communities between five over the six NFR types identified in the Ebro River basin. Finally, in the sixth chapter we explored the existence of significant and explicative flow alteration-ecological response relationships (FA-E curves) within NFR types in the Ebro River basin. The aim of these curves is to find out thresholds of hydrological alteration (ELOHAs), in order to preserve healthy freshwater ecosystem. We set ELOHA values in three NFR types identified in the Ebro River basin. During the development of this thesis, an inadequate biological monitoring in the Ebro River basin was identified. The design and establishment of appropriate monitoring arrangements is a critical final step in the assessment and implementation of environmental flows. Cause-effect relationships between hydrology and macroinvertebrate community condition are the principal data that sustain FA-E curves. Therefore, both data sites must be closely located, so that the effects of external factors are minimized. The scarce hydro-biological pairs of data available in the basin prevented us to apply the ELOHA method at all NFR types.

Nagele: un nuevo asentamiento en un paisaje artificial

Nagele es un asentamiento urbano situado en el Noordoostpolder, territorio neerlandés ganado al mar. Fue diseñado por arquitectos de los grupos De 8 en Opbouw entre los que destacaron Rietveld, Van Eesteren, Van Eyck, Bakema, Stam y Ruys. El proyecto se desarrolló entre 1947 y 1956, un periodo de tiempo con formas de proyectar muy ricas en interpretaciones. Los arquitectos pusieron en crisis los planteamientos historicistas de las nuevas poblaciones de los pólderes. Propusieron un nuevo prototipo, una morfología compacta y concéntrica que transmitiría igualdad a una comunidad agrícola, entendida como una sociedad urbana del siglo XX. La administración apoyó la propuesta que convertiría el proyecto en un arriesgado reto por su falta de antecedentes. La vigencia de las formulaciones permanece hoy en día en la ciudad construida, aunque con alteraciones. En los dibujos del proceso se encuentran los principales enunciados teóricos que este trabajo pretende descubrir. El trabajo aborda aspectos no suficientemente explorados, como su relación con el pólder, la evolución de las estrategias proyectivas, la ordenación paisajista y los elementos urbanos. El Noordoostpolder es la culminación de una serie de experiencias multidisciplinares en el reclamo de tierras a gran escala. Se estudia su estructura urbana policéntrica, la parcelación agrícola que origina el proyecto urbano y la vinculación de la vegetación con la infraestructura, proporcionando orientación, protección climática y escala humana, conceptos que impregnan las estrategias del proyecto urbano. La primera fase de la ordenación configuró áreas monofuncionales que respondían a cada una de las cuatro necesidades básicas del método científico de la ciudad higienista. El acontecimiento que marcó el final de la primera fase fue su presentación en el séptimo CIAM de 1949, cuyo título fue Aplicación de la Carta de Atenas. El programa residencial se dividió en clusters organizados en torno a una pradera vecinal central, vinculándose el orden vecinal, urbano y territorial. La segunda fase fue un catalizador de nuevos planteamientos. El proyecto se transformó en un In-between Realm, un escenario teórico donde coexisten fenómenos tradicionalmente antagónicos que Van Eyck denominó Twin Phenomena, convirtiéndose la ciudad en una réplica formal de la ambivalencia de la mente humana. La indefinición espacial no programada en la propuesta anterior se transformó en un conjunto de espacios urbanos, con límites y dimensiones adaptados a la escala humana. El proyecto es anterior a la obra escrita de Van Eyck por lo que estimuló sus enunciados teóricos. Unas ideas también reconocidas en los tres CIAM posteriores en los que también se expuso el proyecto. El diseño paisajista se integra en el proyecto urbano desde sus orígenes. El límite se compone de una barrera boscosa que protege climáticamente, proporciona escala humana y control visual frente a las llanuras infinitas del pólder. Van Eyck sintetizó el proyecto como una habitación verde sin techo, afirmación que dilucida su equivalencia con el de un interior doméstico. Exteriormente la ciudad se convierte en una unidad autónoma del territorio. Interiormente, un sistema jerarquizado de vegetación vinculado a la arquitectura y la infraestructura constituye espacios urbanos de diferentes escalas. La propuesta fue transformada por Boer y Ruys en un nuevo espacio urbano único, no asimilando los conceptos anteriores. El proyecto y construcción de los primeros elementos urbanos consistió en un reparto de tareas a De 8 en Opbouw, hecho que estimula estudiar su relación con el proyecto urbano. La estructura policéntrica organiza las aulas de las escuelas de Van Eyck, las diferentes áreas confesionales del cementerio de Ruys y las unidades residenciales, diseñadas por Stam, Rietveld y Stam-Besse. Los Twin Phenomena alcanzan un acuerdo en el corredor comercial, diseñado por Bakema y Van der Broek. La generación de espacios dentro de otros aparece también en el cementerio, a través de una nueva barrera boscosa y en el sistema de pliegues del muro que configura la iglesia de Bakema y Van der Broek. El proyecto se vincula a un planteamiento holístico, mediante el que el diseño de cada uno de sus elementos tiene en cuenta las estrategias proyectivas del todo del cual forma parte, convirtiéndose, al igual que las obras de De Stijl, en parte de una composición infinita que acerca arte y diseño en la vida cotidiana de la sociedad. La diversidad generacional e ideológica de estos arquitectos convirtió el proyecto en un tablero de juego sobre el que se aplicaron diferentes formas de proyectar la ciudad, ubicando a Nagele en un punto de inflexión del Movimiento Moderno. ABSTRACT The research focuses on the Nagele project, a Dutch urban settlement located in the Noordoostpolder, a territory which was entirely reclaimed from the IJsselmeer lake. It was designed by a group of architects from the De 8 and Opbouw teams, the leading protagonists being Rietveld, Van Eesteren, Van Eyck, Bakema, Stam y Ruys. It was designed from 1947 to 1956, a fruitful period in urban planning. These architects questioned the traditionalist urban design applied to the new populations in the IJsselmeer polders. Facing their principles, the work group proposed a new prototype; a compact and concentric urban pattern to foster equality in a new community of farm labourers, which was recognized by the architects as a twentieth century urban society. The government supported their new proposals. The lack of implementation of the innovatory conceptual statements subjected the project into a high-risk challenge. However, in spite of these difficulties, the basic concepts remain though partially transformed, in the actual city. The project drawings reflect the principle concepts that this work aims to discover. Some approaches that have not been sufficiently studied are tackled in this thesis. Firstly, the project´s relationship with the polder. Secondly, the evolution of projective strategies during the period of urban planning, the landscape design and the design of urban elements. The Noordoostpolder is the culmination of a series of multi-disciplinary experiences in large scale land reclamation, whose polycentric urban structure and agricultural subdivision provide the framework of Nagele. Linking the vegetation to infrastructure fostered orientation, climate protection and human scale; strategies which were repeated, though on a smaller scale, in the actual city. The first phase of the project was composed of mono-functional urban areas which responded to each of the four basic human needs indicated by the scientific method of the functional city. The presentation of the project at the seventh CIAM in 1949 was the event which marked the end of the first phase of the planning. This congress was entitled Implementation of the Athens Charter. The residential program was divided into housing clusters surrounding a central prairie, a pattern which was related to its urban and territorial whole. The second phase of the plan was subjected to a new theoretical approach. The urban planning became an In-between Realm, a theoretical scenario where traditionally antagonistic concepts coexist. Van Eyck named these concepts Twin Phenomena. The city thus conceived of as a counterform of the ambivalence of the human mind where spatial indefinition in the previous proposals was transformed into a Bunch of Places with defined boundaries and dimensions, all of which reflecting human scale. The landscape design was integrated into the urban project from its inception. The limits consist of a green wind-barrier which not only provides climate protection but also provides human scale and visual control towards the unlimited plains of the polder. Van Eyck summarised the project as a green room without a roof. This statement elucidates its equivalence to a domestic interior. Outwardly, the city becomes an autonomous unit on the territory. Inwardly a hierarchical vegetation system is linked to architecture and infrastructure. Together, they configure different scales of urban spaces. The proposal was transformed by Boer and Ruys into a unique urban space without assimilating Van Eyck´s concepts. The study of the Nagele landscape project of Nagele and the writings of Van Eyck verify the fact that many of his theoretical foundations (In-between Realm, Twin Phenomena, Bunch of Places, Right Scale) can be applied not only to architecture and city but also to landscape design. The application of these principles led the Nagele project to become a counterform of Van Eyck´s thinking. The design and construction of the first urban elements involved a distribution of tasks to De 8 en Opbouw, which stimulated their relationship with the urban project. The polycentric structure organised the school classrooms outlined by Van Eyck, the different areas of the cemetery planned by Ruys and the housing clusters designed by Stam, Rietveld and Stam-Besse. The Twin Phenomena concept can be applied in Van der Broek´s shopping corridor. The concept space within another space is also implemented in the cemetery surrounded by a new green barrier, and in the church built by Van der Broek and Bakema, whose spaces are configured by a folding wall. The project takes a holistic approach, which considers the design of each element within the strategies of the whole, where they become parts of an infinite composition, as in the art works of De Stijl fostering art and design to ordinary people´s daily lives. The generational and ideological diversity of these architects turned the project into a game board on which different ways of planning the city were played, obtaining Nagele the distinction of being a turning point of Modernism.

Automated wordlength optimization framework for multi-source statistical interval-based analysis of nonlinear systems with control-flow structures

El uso de aritmética de punto fijo es una opción de diseño muy extendida en sistemas con fuertes restricciones de área, consumo o rendimiento. Para producir implementaciones donde los costes se minimicen sin impactar negativamente en la precisión de los resultados debemos llevar a cabo una asignación cuidadosa de anchuras de palabra. Encontrar la combinación óptima de anchuras de palabra en coma fija para un sistema dado es un problema combinatorio NP-hard al que los diseñadores dedican entre el 25 y el 50 % del ciclo de diseño. Las plataformas hardware reconfigurables, como son las FPGAs, también se benefician de las ventajas que ofrece la aritmética de coma fija, ya que éstas compensan las frecuencias de reloj más bajas y el uso más ineficiente del hardware que hacen estas plataformas respecto a los ASICs. A medida que las FPGAs se popularizan para su uso en computación científica los diseños aumentan de tamaño y complejidad hasta llegar al punto en que no pueden ser manejados eficientemente por las técnicas actuales de modelado de señal y ruido de cuantificación y de optimización de anchura de palabra. En esta Tesis Doctoral exploramos distintos aspectos del problema de la cuantificación y presentamos nuevas metodologías para cada uno de ellos: Las técnicas basadas en extensiones de intervalos han permitido obtener modelos de propagación de señal y ruido de cuantificación muy precisos en sistemas con operaciones no lineales. Nosotros llevamos esta aproximación un paso más allá introduciendo elementos de Multi-Element Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) y combinándolos con una técnica moderna basada en Modified Affine Arithmetic (MAA) estadístico para así modelar sistemas que contienen estructuras de control de flujo. Nuestra metodología genera los distintos caminos de ejecución automáticamente, determina las regiones del dominio de entrada que ejercitarán cada uno de ellos y extrae los momentos estadísticos del sistema a partir de dichas soluciones parciales. Utilizamos esta técnica para estimar tanto el rango dinámico como el ruido de redondeo en sistemas con las ya mencionadas estructuras de control de flujo y mostramos la precisión de nuestra aproximación, que en determinados casos de uso con operadores no lineales llega a tener tan solo una desviación del 0.04% con respecto a los valores de referencia obtenidos mediante simulación. Un inconveniente conocido de las técnicas basadas en extensiones de intervalos es la explosión combinacional de términos a medida que el tamaño de los sistemas a estudiar crece, lo cual conlleva problemas de escalabilidad. Para afrontar este problema presen tamos una técnica de inyección de ruidos agrupados que hace grupos con las señales del sistema, introduce las fuentes de ruido para cada uno de los grupos por separado y finalmente combina los resultados de cada uno de ellos. De esta forma, el número de fuentes de ruido queda controlado en cada momento y, debido a ello, la explosión combinatoria se minimiza. También presentamos un algoritmo de particionado multi-vía destinado a minimizar la desviación de los resultados a causa de la pérdida de correlación entre términos de ruido con el objetivo de mantener los resultados tan precisos como sea posible. La presente Tesis Doctoral también aborda el desarrollo de metodologías de optimización de anchura de palabra basadas en simulaciones de Monte-Cario que se ejecuten en tiempos razonables. Para ello presentamos dos nuevas técnicas que exploran la reducción del tiempo de ejecución desde distintos ángulos: En primer lugar, el método interpolativo aplica un interpolador sencillo pero preciso para estimar la sensibilidad de cada señal, y que es usado después durante la etapa de optimización. En segundo lugar, el método incremental gira en torno al hecho de que, aunque es estrictamente necesario mantener un intervalo de confianza dado para los resultados finales de nuestra búsqueda, podemos emplear niveles de confianza más relajados, lo cual deriva en un menor número de pruebas por simulación, en las etapas iniciales de la búsqueda, cuando todavía estamos lejos de las soluciones optimizadas. Mediante estas dos aproximaciones demostramos que podemos acelerar el tiempo de ejecución de los algoritmos clásicos de búsqueda voraz en factores de hasta x240 para problemas de tamaño pequeño/mediano. Finalmente, este libro presenta HOPLITE, una infraestructura de cuantificación automatizada, flexible y modular que incluye la implementación de las técnicas anteriores y se proporciona de forma pública. Su objetivo es ofrecer a desabolladores e investigadores un entorno común para prototipar y verificar nuevas metodologías de cuantificación de forma sencilla. Describimos el flujo de trabajo, justificamos las decisiones de diseño tomadas, explicamos su API pública y hacemos una demostración paso a paso de su funcionamiento. Además mostramos, a través de un ejemplo sencillo, la forma en que conectar nuevas extensiones a la herramienta con las interfaces ya existentes para poder así expandir y mejorar las capacidades de HOPLITE. ABSTRACT Using fixed-point arithmetic is one of the most common design choices for systems where area, power or throughput are heavily constrained. In order to produce implementations where the cost is minimized without negatively impacting the accuracy of the results, a careful assignment of word-lengths is required. The problem of finding the optimal combination of fixed-point word-lengths for a given system is a combinatorial NP-hard problem to which developers devote between 25 and 50% of the design-cycle time. Reconfigurable hardware platforms such as FPGAs also benefit of the advantages of fixed-point arithmetic, as it compensates for the slower clock frequencies and less efficient area utilization of the hardware platform with respect to ASICs. As FPGAs become commonly used for scientific computation, designs constantly grow larger and more complex, up to the point where they cannot be handled efficiently by current signal and quantization noise modelling and word-length optimization methodologies. In this Ph.D. Thesis we explore different aspects of the quantization problem and we present new methodologies for each of them: The techniques based on extensions of intervals have allowed to obtain accurate models of the signal and quantization noise propagation in systems with non-linear operations. We take this approach a step further by introducing elements of MultiElement Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) and combining them with an stateof- the-art Statistical Modified Affine Arithmetic (MAA) based methodology in order to model systems that contain control-flow structures. Our methodology produces the different execution paths automatically, determines the regions of the input domain that will exercise them, and extracts the system statistical moments from the partial results. We use this technique to estimate both the dynamic range and the round-off noise in systems with the aforementioned control-flow structures. We show the good accuracy of our approach, which in some case studies with non-linear operators shows a 0.04 % deviation respect to the simulation-based reference values. A known drawback of the techniques based on extensions of intervals is the combinatorial explosion of terms as the size of the targeted systems grows, which leads to scalability problems. To address this issue we present a clustered noise injection technique that groups the signals in the system, introduces the noise terms in each group independently and then combines the results at the end. In this way, the number of noise sources in the system at a given time is controlled and, because of this, the combinato rial explosion is minimized. We also present a multi-way partitioning algorithm aimed at minimizing the deviation of the results due to the loss of correlation between noise terms, in order to keep the results as accurate as possible. This Ph.D. Thesis also covers the development of methodologies for word-length optimization based on Monte-Carlo simulations in reasonable times. We do so by presenting two novel techniques that explore the reduction of the execution times approaching the problem in two different ways: First, the interpolative method applies a simple but precise interpolator to estimate the sensitivity of each signal, which is later used to guide the optimization effort. Second, the incremental method revolves on the fact that, although we strictly need to guarantee a certain confidence level in the simulations for the final results of the optimization process, we can do it with more relaxed levels, which in turn implies using a considerably smaller amount of samples, in the initial stages of the process, when we are still far from the optimized solution. Through these two approaches we demonstrate that the execution time of classical greedy techniques can be accelerated by factors of up to ×240 for small/medium sized problems. Finally, this book introduces HOPLITE, an automated, flexible and modular framework for quantization that includes the implementation of the previous techniques and is provided for public access. The aim is to offer a common ground for developers and researches for prototyping and verifying new techniques for system modelling and word-length optimization easily. We describe its work flow, justifying the taken design decisions, explain its public API and we do a step-by-step demonstration of its execution. We also show, through an example, the way new extensions to the flow should be connected to the existing interfaces in order to expand and improve the capabilities of HOPLITE.

A regularised continuum damage model based on the mesoscopic scale for soft tissue

Material properties of soft fibrous tissues are highly conditioned by the hierarchical structure of this kind of composites. Collagen based tissues present, at decreasing length scales, a complex framework of fibres, fibrils, tropocollagen molecules and amino-acids. Understanding the mechanical behaviour at nano-scale level is critical to accurately incorporate this structural information in phenomenological damage models. In this work we derive a relationship between the mechanical and geometrical properties of the fibril constituents and the soft tissue material parameters at macroscopic scale. A Hodge–Petruska two-dimensional model has been used to describe the fibrils as staggered arrays of tropocollagen molecules. After a mechanical characterisation of each of the fibril components, two fibril failures modes have been defined related with two planes of weakness. A phenomenological continuous damage model with regularised softening was presented along with meso-structurally based definitions for its material parameters. Finally, numerical analysis at fibril, fibre and tissue levels are presented to show the capabilities of the model