3D Frangi-based lung vessel enhancement filter penalizing airways

This paper describes a fully automatic simultaneous lung vessel and airway enhancement filter. The approach consists of a Frangi-based multiscale vessel enhancement filtering specifically designed for lung vessel and airway detection, where arteries and veins have high contrast with respect to the lung parenchyma, and airway walls are hollow tubular structures with a non negative response using the classical Frangi's filter. The features extracted from the Hessian matrix are used to detect centerlines and approximate walls of airways, decreasing the filter response in those areas by applying a penalty function to the vesselness measure. We validate the segmentation method in 20 CT scans with different pathological states within the VESSEL12 challenge framework. Results indicate that our approach obtains good results, decreasing the number of false positives in airway walls.

Métodos numéricos y estadísticos de caracterización de uniones tubulares soldadas para su aplicación en modelos de elementos finitos de estructuras de vehículos

El análisis de estructuras mediante modelos de elementos finitos representa una de las metodologías más utilizadas y aceptadas en la industria moderna. Para el análisis de estructuras tubulares de grandes dimensiones similares a las sobrestructuras de autobuses y autocares, los elementos de tipo viga son comúnmente utilizados y recomendados debido a que permiten obtener resultados satisfactorios con recursos computacionales reducidos. No obstante, los elementos de tipo viga presentan importante desventaja ya que las uniones modeladas presentan un comportamiento infinitamente rígido, esto determina un comportamiento mas rígido en las estructuras modeladas lo que se traduce en fuentes de error para las simulaciones estructurales (hasta un 60%). Mediante el modelado de uniones tubulares utilizando elementos de tipo área o volumen, se pueden obtener modelos más realistas, ya que las características topológicas de la unión propiamente dicha pueden ser reproducidas con un mayor nivel de detalle. Evitándose de esta manera los inconvenientes de los elementos de tipo viga. A pesar de esto, la modelización de estructuras tubulares de grandes dimensiones con elementos de tipo área o volumen representa una alternativa poco atractiva debido a la complejidad del proceso de modelados y al gran número de elementos resultantes lo que implica la necesidad de grandes recursos computacionales. El principal objetivo del trabajo de investigación presentado, fue el de obtener un nuevo tipo de elemento capaz de proporcionar estimaciones más exactas en el comportamiento de las uniones modeladas, al mismo tiempo manteniendo la simplicidad del procesos de modelado propio de los elementos de tipo viga regular. Con el fin de alcanzar los objetivos planteados, fueron realizadas diferentes metodologías e investigaciones. En base a las investigaciones realizadas, se obtuvo un modelo de unión viga alternativa en el cual se introdujeron un total seis elementos elásticos al nivel de la unión mediante los cuales es posible adaptar el comportamiento local de la misma. Adicionalmente, para la estimación de las rigideces correspondientes a los elementos elásticos se desarrollaron dos metodologías, una primera basada en la caracterización del comportamiento estático de uniones simples y una segunda basada en la caracterización del comportamiento dinámico a través de análisis modales. Las mejoras obtenidas mediante la implementación del modelo de unión alternativa fueron analizadas mediante simulaciones y validación experimental en una estructura tubular compleja representativa de sobrestructuras de autobuses y autocares. En base a los análisis comparativos realizados con la uniones simples modeladas y los experimentos de validación, se determinó que las uniones modeladas con elementos de tipo viga son entre un 5-60% más rígidas que uniones equivalentes modeladas con elementos área o volumen. También se determinó que las uniones área y volumen modeladas son entre un 5 a un 10% mas rígidas en comparación a uniones reales fabricadas. En los análisis realizados en la estructura tubular compleja, se obtuvieron mejoras importantes mediante la implementación del modelo de unión alternativa, las estimaciones del modelo viga se mejoraron desde un 49% hasta aproximadamente un 14%. ABSTRACT The analysis of structures with finite elements models represents one of the most utilized an accepted technique in the modern industry. For the analysis of large tubular structures similar to buses and coaches upper structures, beam type elements are utilized and recommended due to the fact that these elements provide satisfactory results at relatively reduced computational performances. However, the beam type elements have a main disadvantage determined by the fact that the modeled joints have an infinite rigid behavior, this shortcoming determines a stiffer behavior of the modeled structures which translates into error sources for the structural simulations (up to 60%). By modeling tubular junctions with shell and volume elements, more realistic models can be obtained, because the topological characteristics of the junction at the joint level can be reproduced more accurately. This way, the shortcoming that the beam type elements present can be solved. Despite this fact, modeling large tubular structures with shell or volume type elements represents an unattractive alternative due to the complexity of the modeling process and the large number of elements that result which imply the necessity of vast computational performances. The main objective of the research presented in this thesis was to develop a new beam type element that would be able to provide more accurate estimations for the local behavior of the modeled junctions at the same time maintaining the simplicity of the modeling process the regular beam type elements have. In order to reach the established objectives of the research activities, a series of different methodologies and investigations have been necessary. From these investigations an alternative beam T-junction model was obtained, in which a total of six elastic elements at the joint level were introduced, the elastic elements allowed us to adapt the local behavior of the modeled junctions. Additionally, for the estimation of the stiffness values corresponding to the elastic elements two methodologies were developed, one based on the T-junction’s static behavior and a second one based on the T-junction’s dynamic behavior by means of modal analysis. The improvements achieved throughout the implementation of this alternative T-junction model were analyzed though mechanical validation in a complex tubular structures that had a representative configuration for buses and coaches upper structures. From the comparative analyses of the finite element modeled T-junctions and mechanical experimental analysis, was determined that the beam type modeled T-junctions have a stiffer behavior compared to equivalent shell and volume modeled T-junctions with average differences ranging from 5-60% based on the profile configurations. It was also determined that the shell and volume models have a stiffer behavior compared to real T-junctions varying from 5 to 10% depending on the profile configurations. Based on the analysis of the complex tubular structure, significant improvements were obtained by the implementation of the alternative beam T-junction model, the model estimations were improved from a 49% to approximately 14%.

Bending continuous structures with SMAs: a novel robotic fish design

In this paper, we describe our research on bio-inspired locomotion systems using deformable structures and smart materials, concretely shape memory alloys (SMAs). These types of materials allow us to explore the possibility of building motor-less and gear-less robots. A swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body. This type of structural arrangement is inspired by fish red muscles, which are mainly recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incompressible structure such as the fishbone. This paper reviews the design process of these bio-inspired structures, from the motivations and physiological inspiration to the mechatronics design, control and simulations, leading to actual experimental trials and results. The focus of this work is to present the mechanisms by which standard swimming patterns can be reproduced with the proposed design. Moreover, the performance of the SMA-based actuators’ control in terms of actuation speed and position accuracy is also addressed.

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.