Notas sobre el método de los elementos finitos

Ideas básicas: reducción del medio contínuo a discreto (elementos, nodos y funciones de forma); definición de un estado "elemental" relacionado con otro "general", mediante el formalismo "matriz de rigidez" y vectores consistentes; método de síntesis de propiedades generales: método directo de la rigidez. Posibilidades de estudio: derivación de la teoría, modelización de problemas reales con F.E.M., desarrollo de programas de ordenador, estudio de métodos numéricos (sistemas ecuacionales, autovalores, convergencia, integración etc.). Contrariamente a lo que se diga el F.E.M. no elimina la necesidad de profundizar en el estudio de la elasticidad, matemáticas, etc. Se trata tan sólo de un instrumento potentísimo que, en principio, permite abordar cualquier problema.

Contraste entre instrumentos de evaluación tradicionales y rúbricas: estudio de un caso en una asignatura de introducción a la programación en Java

Dentro de los estudios de Ingeniería, las asignaturas que se ocupan de la capacidad de desarrollar programas de ordenador presentan algunas particularidades que las hacen especialmente interesantes a la hora de aplicar instrumentos de evaluación no tradicionales. Estas características son: (a) el resultado del aprendizaje es estrictamente una competencia, (b) el ejercicio profesional de esta competencia se realiza usualmente en equipo y (c) el proceso de evaluación puede ser más objetivo que en otras materias. Como consecuencia de la aplicación del EEES se están aplicando nuevas metodologías docentes y de estrategias de evaluación a estas asignaturas y resulta relevante conocer qué diferencias, si existen, introducen en el proceso de aprendizaje de este tipo de materias. El presente trabajo contrasta la aplicación de dos metodologías docentes y dos instrumentos de evaluación en dos grupos de la misma asignatura. Uno de los grupos ha seguido una metodología docente a distancia apoyada en una plataforma de e-learning, con contenidos docentes en formato electrónico, tutorías virtuales, un foro de comunicaciones, ejercicios de autoevaluación,trabajos individuales y trabajos en grupo. El otro grupo comparte los mismos contenidos docentes pero sigue una metodología que se basa en la impartición de clases presenciales de tipo magistral y clases prácticas de resolución de problemas y en la que se realiza un proyecto en equipo que se entrega en tres hitos. En ambos casos se ha utilizado una rúbrica por parte del profesor para evaluar los trabajos y otra por parte del alumno para valorar la actividad y competencia trabajo en equipo. Además se ha realizado un examen tradicional aunque sin efecto en la calificación final del alumno como referencia de comparación. En este sentido se muestra la experiencia en el empleo de la rúbrica en el contexto de la docencia en Ingeniería, y, en este caso, respecto de un instrumento tradicional como es una prueba de evaluación escrita.

Vision-based vehicle detection and tracking with a mobile camera using a statistical framework

En esta tesis se aborda la detección y el seguimiento automático de vehículos mediante técnicas de visión artificial con una cámara monocular embarcada. Este problema ha suscitado un gran interés por parte de la industria automovilística y de la comunidad científica ya que supone el primer paso en aras de la ayuda a la conducción, la prevención de accidentes y, en última instancia, la conducción automática. A pesar de que se le ha dedicado mucho esfuerzo en los últimos años, de momento no se ha encontrado ninguna solución completamente satisfactoria y por lo tanto continúa siendo un tema de investigación abierto. Los principales problemas que plantean la detección y seguimiento mediante visión artificial son la gran variabilidad entre vehículos, un fondo que cambia dinámicamente debido al movimiento de la cámara, y la necesidad de operar en tiempo real. En este contexto, esta tesis propone un marco unificado para la detección y seguimiento de vehículos que afronta los problemas descritos mediante un enfoque estadístico. El marco se compone de tres grandes bloques, i.e., generación de hipótesis, verificación de hipótesis, y seguimiento de vehículos, que se llevan a cabo de manera secuencial. No obstante, se potencia el intercambio de información entre los diferentes bloques con objeto de obtener el máximo grado posible de adaptación a cambios en el entorno y de reducir el coste computacional. Para abordar la primera tarea de generación de hipótesis, se proponen dos métodos complementarios basados respectivamente en el análisis de la apariencia y la geometría de la escena. Para ello resulta especialmente interesante el uso de un dominio transformado en el que se elimina la perspectiva de la imagen original, puesto que este dominio permite una búsqueda rápida dentro de la imagen y por tanto una generación eficiente de hipótesis de localización de los vehículos. Los candidatos finales se obtienen por medio de un marco colaborativo entre el dominio original y el dominio transformado. Para la verificación de hipótesis se adopta un método de aprendizaje supervisado. Así, se evalúan algunos de los métodos de extracción de características más populares y se proponen nuevos descriptores con arreglo al conocimiento de la apariencia de los vehículos. Para evaluar la efectividad en la tarea de clasificación de estos descriptores, y dado que no existen bases de datos públicas que se adapten al problema descrito, se ha generado una nueva base de datos sobre la que se han realizado pruebas masivas. Finalmente, se presenta una metodología para la fusión de los diferentes clasificadores y se plantea una discusión sobre las combinaciones que ofrecen los mejores resultados. El núcleo del marco propuesto está constituido por un método Bayesiano de seguimiento basado en filtros de partículas. Se plantean contribuciones en los tres elementos fundamentales de estos filtros: el algoritmo de inferencia, el modelo dinámico y el modelo de observación. En concreto, se propone el uso de un método de muestreo basado en MCMC que evita el elevado coste computacional de los filtros de partículas tradicionales y por consiguiente permite que el modelado conjunto de múltiples vehículos sea computacionalmente viable. Por otra parte, el dominio transformado mencionado anteriormente permite la definición de un modelo dinámico de velocidad constante ya que se preserva el movimiento suave de los vehículos en autopistas. Por último, se propone un modelo de observación que integra diferentes características. En particular, además de la apariencia de los vehículos, el modelo tiene en cuenta también toda la información recibida de los bloques de procesamiento previos. El método propuesto se ejecuta en tiempo real en un ordenador de propósito general y da unos resultados sobresalientes en comparación con los métodos tradicionales. ABSTRACT This thesis addresses on-road vehicle detection and tracking with a monocular vision system. This problem has attracted the attention of the automotive industry and the research community as it is the first step for driver assistance and collision avoidance systems and for eventual autonomous driving. Although many effort has been devoted to address it in recent years, no satisfactory solution has yet been devised and thus it is an active research issue. The main challenges for vision-based vehicle detection and tracking are the high variability among vehicles, the dynamically changing background due to camera motion and the real-time processing requirement. In this thesis, a unified approach using statistical methods is presented for vehicle detection and tracking that tackles these issues. The approach is divided into three primary tasks, i.e., vehicle hypothesis generation, hypothesis verification, and vehicle tracking, which are performed sequentially. Nevertheless, the exchange of information between processing blocks is fostered so that the maximum degree of adaptation to changes in the environment can be achieved and the computational cost is alleviated. Two complementary strategies are proposed to address the first task, i.e., hypothesis generation, based respectively on appearance and geometry analysis. To this end, the use of a rectified domain in which the perspective is removed from the original image is especially interesting, as it allows for fast image scanning and coarse hypothesis generation. The final vehicle candidates are produced using a collaborative framework between the original and the rectified domains. A supervised classification strategy is adopted for the verification of the hypothesized vehicle locations. In particular, state-of-the-art methods for feature extraction are evaluated and new descriptors are proposed by exploiting the knowledge on vehicle appearance. Due to the lack of appropriate public databases, a new database is generated and the classification performance of the descriptors is extensively tested on it. Finally, a methodology for the fusion of the different classifiers is presented and the best combinations are discussed. The core of the proposed approach is a Bayesian tracking framework using particle filters. Contributions are made on its three key elements: the inference algorithm, the dynamic model and the observation model. In particular, the use of a Markov chain Monte Carlo method is proposed for sampling, which circumvents the exponential complexity increase of traditional particle filters thus making joint multiple vehicle tracking affordable. On the other hand, the aforementioned rectified domain allows for the definition of a constant-velocity dynamic model since it preserves the smooth motion of vehicles in highways. Finally, a multiple-cue observation model is proposed that not only accounts for vehicle appearance but also integrates the available information from the analysis in the previous blocks. The proposed approach is proven to run near real-time in a general purpose PC and to deliver outstanding results compared to traditional methods.

Estrategias Avanzadas de Tabulación y Paralelismo en Programas Lógicos = Advanced Evaluation Strategies for Tabling and Parallelism in Logic Programs

Dentro de los paradigmas de programación en el mundo de la informática tenemos la "Programación Lógica'', cuyo principal exponente es el lenguaje Prolog. Los programas Prolog se componen de un conjunto de predicados, cada uno de ellos definido en base a reglas que aportan un elevado nivel de abstracción y declaratividad al programador. Sin embargo, las formulación con reglas implica, frecuentemente, que un predicado se recompute varias veces para la misma consulta y además, Prolog utiliza un orden fijo para evaluar reglas y objetivos (evaluación SLD) que puede entrar en "bucles infinitos'' cuando ejecuta reglas recursivas declarativamente correctas. Estas limitaciones son atacadas de raiz por la tabulación, que se basa en "recordar'' en una tabla las llamadas realizadas y sus soluciones. Así, en caso de repetir una llamada tendríamos ya disponibles sus soluciones y evitamos la recomputación. También evita "bucles infinitos'' ya que las llamadas que los generan son suspendidas, quedando a la espera de que se computen soluciones para las mismas. La implementación de la tabulación no es sencilla. En particular, necesita de tres operaciones que no pueden ser ejecutadas en tiempo constante simultáneamente. Dichas operaciones son: suspensión de llamadas, relanzamiento de llamadas y {acceso a variables. La primera parte de la tesis compara tres implementaciones de tabulación sobre Ciao, cada una de las cuales penaliza una de estas operaciones. Por tanto, cada solución tiene sus ventajas y sus inconvenientes y se comportan mejor o peor dependiendo del programa ejecutado. La segunda parte de la tesis mejora la funcionalidad de la tabulación para combinarla con restricciones y también para evitar computaciones innecesarias. La programación con restricciones permite la resolución de ecuaciones como medio de programar, mecanismo altamente declarativo. Hemos desarrollado un framework para combinar la tabulación con las restricciones, priorizando objetivos como la flexibilidad, la eficiencia y la generalidad de nuestra solución, obteniendo una sinergia entre ambas técnicas que puede ser aplicada en numerosas aplicaciones. Por otra parte, un aspecto fundamental de la tabulación hace referencia al momento en que se retornan las soluciones de una llamada tabulada. Local evaluation devuelve soluciones cuando todas las soluciones de la llamada tabulada han sido computadas. Por contra, batched evaluation devuelve las soluciones una a una conforme van siendo computadas, por lo que se adapta mejor a problemas donde no nos interesa encontrar todas las soluciones. Sin embargo, su consumo de memoria es exponencialmente peor que el de local evaluation. La tesis presenta swapping evaluation, que devuelve soluciones tan pronto como son computadas pero con un consumo de memoria similar a la de local evaluation. Además, se implementan operadores de poda, once/1, para descartar la búsqueda de soluciones alternativas cuando encontramos la solución deseada. Por último, Prolog adopta con relativa facilidad soluciones para paralelismo gracias a su flexibilidad en el control de la ejecución y a que sus asignaciones son lógicas. La tercera parte de la tesis extiende el paralelismo conjuntivo de Ciao para trabajar con programas no deterministas, lo que presenta dos problemas principales: los objetivos atrapados y la recomputación de objetivos. Las soluciones clásicas para los objetivos atrapados rompían muchos invariantes de la ejecución Prolog, siendo soluciones difíciles de mantener y de extender, que la experiencia nos dice que han caído en desuso. Nosotros proponemos una solución modular (basada en la implementación de swapping evaluation), localizada y que no rompe los invariantes de la ejecución Prolog, pero que mantiene un alto rendimiento de la ejecución paralela. En referencia a la recomputación de objetivos paralelos en presencia de no determinismo hemos adaptado ténicas derivadas de la tabulación para memorizar computaciones de estos objetivos y evitar su recomputación.

Conceptual framework for the design, implementation and validation of psychomotor skills’ assessment systems in minimally invasive surgery

Las técnicas de cirugía de mínima invasión (CMI) se están consolidando hoy en día como alternativa a la cirugía tradicional, debido a sus numerosos beneficios para los pacientes. Este cambio de paradigma implica que los cirujanos deben aprender una serie de habilidades distintas de aquellas requeridas en cirugía abierta. El entrenamiento y evaluación de estas habilidades se ha convertido en una de las mayores preocupaciones en los programas de formación de cirujanos, debido en gran parte a la presión de una sociedad que exige cirujanos bien preparados y una reducción en el número de errores médicos. Por tanto, se está prestando especial atención a la definición de nuevos programas que permitan el entrenamiento y la evaluación de las habilidades psicomotoras en entornos seguros antes de que los nuevos cirujanos puedan operar sobre pacientes reales. Para tal fin, hospitales y centros de formación están gradualmente incorporando instalaciones de entrenamiento donde los residentes puedan practicar y aprender sin riesgos. Es cada vez más común que estos laboratorios dispongan de simuladores virtuales o simuladores físicos capaces de registrar los movimientos del instrumental de cada residente. Estos simuladores ofrecen una gran variedad de tareas de entrenamiento y evaluación, así como la posibilidad de obtener información objetiva de los ejercicios. Los diferentes estudios de validación llevados a cabo dan muestra de su utilidad; pese a todo, los niveles de evidencia presentados son en muchas ocasiones insuficientes. Lo que es más importante, no existe un consenso claro a la hora de definir qué métricas son más útiles para caracterizar la pericia quirúrgica. El objetivo de esta tesis doctoral es diseñar y validar un marco de trabajo conceptual para la definición y validación de entornos para la evaluación de habilidades en CMI, en base a un modelo en tres fases: pedagógica (tareas y métricas a emplear), tecnológica (tecnologías de adquisición de métricas) y analítica (interpretación de la competencia en base a las métricas). Para tal fin, se describe la implementación práctica de un entorno basado en (1) un sistema de seguimiento de instrumental fundamentado en el análisis del vídeo laparoscópico; y (2) la determinación de la pericia en base a métricas de movimiento del instrumental. Para la fase pedagógica se diseñó e implementó un conjunto de tareas para la evaluación de habilidades psicomotoras básicas, así como una serie de métricas de movimiento. La validación de construcción llevada a cabo sobre ellas mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. Adicionalmente, los resultados obtenidos en la validación de apariencia fueron en general positivos en todos los grupos considerados (noveles, residentes, expertos). Para la fase tecnológica, se introdujo el EVA Tracking System, una solución para el seguimiento del instrumental quirúrgico basado en el análisis del vídeo endoscópico. La precisión del sistema se evaluó a 16,33ppRMS para el seguimiento 2D de la herramienta en la imagen; y a 13mmRMS para el seguimiento espacial de la misma. La validación de construcción con una de las tareas de evaluación mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. La validación concurrente con el TrEndo® Tracking System por su parte presentó valores altos de correlación para 8 de las 9 métricas analizadas. Finalmente, para la fase analítica se comparó el comportamiento de tres clasificadores supervisados a la hora de determinar automáticamente la pericia quirúrgica en base a la información de movimiento del instrumental, basados en aproximaciones lineales (análisis lineal discriminante, LDA), no lineales (máquinas de soporte vectorial, SVM) y difusas (sistemas adaptativos de inferencia neurodifusa, ANFIS). Los resultados muestran que en media SVM presenta un comportamiento ligeramente superior: 78,2% frente a los 71% y 71,7% obtenidos por ANFIS y LDA respectivamente. Sin embargo las diferencias estadísticas medidas entre los tres no fueron demostradas significativas. En general, esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas relativas a la definición de sistemas de evaluación de habilidades para cirugía de mínima invasión, a la utilidad del análisis de vídeo como fuente de información y a la importancia de la información de movimiento de instrumental a la hora de caracterizar la pericia quirúrgica. Basándose en estos cimientos, se han de abrir nuevos campos de investigación que contribuyan a la definición de programas de formación estructurados y objetivos, que puedan garantizar la acreditación de cirujanos sobradamente preparados y promocionen la seguridad del paciente en el quirófano. Abstract Minimally invasive surgery (MIS) techniques have become a standard in many surgical sub-specialties, due to their many benefits for patients. However, this shift in paradigm implies that surgeons must acquire a complete different set of skills than those normally attributed to open surgery. Training and assessment of these skills has become a major concern in surgical learning programmes, especially considering the social demand for better-prepared professionals and for the decrease of medical errors. Therefore, much effort is being put in the definition of structured MIS learning programmes, where practice with real patients in the operating room (OR) can be delayed until the resident can attest for a minimum level of psychomotor competence. To this end, skills’ laboratory settings are being introduced in hospitals and training centres where residents may practice and be assessed on their psychomotor skills. Technological advances in the field of tracking technologies and virtual reality (VR) have enabled the creation of new learning systems such as VR simulators or enhanced box trainers. These systems offer a wide range of tasks, as well as the capability of registering objective data on the trainees’ performance. Validation studies give proof of their usefulness; however, levels of evidence reported are in many cases low. More importantly, there is still no clear consensus on topics such as the optimal metrics that must be used to assess competence, the validity of VR simulation, the portability of tracking technologies into real surgeries (for advanced assessment) or the degree to which the skills measured and obtained in laboratory environments transfer to the OR. The purpose of this PhD is to design and validate a conceptual framework for the definition and validation of MIS assessment environments based on a three-pillared model defining three main stages: pedagogical (tasks and metrics to employ), technological (metric acquisition technologies) and analytical (interpretation of competence based on metrics). To this end, a practical implementation of the framework is presented, focused on (1) a video-based tracking system and (2) the determination of surgical competence based on the laparoscopic instruments’ motionrelated data. The pedagogical stage’s results led to the design and implementation of a set of basic tasks for MIS psychomotor skills’ assessment, as well as the definition of motion analysis parameters (MAPs) to measure performance on said tasks. Validation yielded good construct results for parameters such as time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume. Additionally, face validation results showed positive acceptance on behalf of the experts, residents and novices. For the technological stage the EVA Tracking System is introduced. EVA provides a solution for tracking laparoscopic instruments from the analysis of the monoscopic video image. Accuracy tests for the system are presented, which yielded an average RMSE of 16.33pp for 2D tracking of the instrument on the image and of 13mm for 3D spatial tracking. A validation experiment was conducted using one of the tasks and the most relevant MAPs. Construct validation showed significant differences for time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume; especially between novices and residents/experts. More importantly, concurrent validation with the TrEndo® Tracking System presented high correlation values (>0.7) for 8 of the 9 MAPs proposed. Finally, the analytical stage allowed comparing the performance of three different supervised classification strategies in the determination of surgical competence based on motion-related information. The three classifiers were based on linear (linear discriminant analysis, LDA), non-linear (support vector machines, SVM) and fuzzy (adaptive neuro fuzzy inference systems, ANFIS) approaches. Results for SVM show slightly better performance than the other two classifiers: on average, accuracy for LDA, SVM and ANFIS was of 71.7%, 78.2% and 71% respectively. However, when confronted, no statistical significance was found between any of the three. Overall, this PhD corroborates the investigated research hypotheses regarding the definition of MIS assessment systems, the use of endoscopic video analysis as the main source of information and the relevance of motion analysis in the determination of surgical competence. New research fields in the training and assessment of MIS surgeons can be proposed based on these foundations, in order to contribute to the definition of structured and objective learning programmes that guarantee the accreditation of well-prepared professionals and the promotion of patient safety in the OR.

Approximate Relational Reasoning for Probabilistic Programs

La seguridad verificada es una metodología para demostrar propiedades de seguridad de los sistemas informáticos que se destaca por las altas garantías de corrección que provee. Los sistemas informáticos se modelan como programas probabilísticos y para probar que verifican una determinada propiedad de seguridad se utilizan técnicas rigurosas basadas en modelos matemáticos de los programas. En particular, la seguridad verificada promueve el uso de demostradores de teoremas interactivos o automáticos para construir demostraciones completamente formales cuya corrección es certificada mecánicamente (por ordenador). La seguridad verificada demostró ser una técnica muy efectiva para razonar sobre diversas nociones de seguridad en el área de criptografía. Sin embargo, no ha podido cubrir un importante conjunto de nociones de seguridad “aproximada”. La característica distintiva de estas nociones de seguridad es que se expresan como una condición de “similitud” entre las distribuciones de salida de dos programas probabilísticos y esta similitud se cuantifica usando alguna noción de distancia entre distribuciones de probabilidad. Este conjunto incluye destacadas nociones de seguridad de diversas áreas como la minería de datos privados, el análisis de flujo de información y la criptografía. Ejemplos representativos de estas nociones de seguridad son la indiferenciabilidad, que permite reemplazar un componente idealizado de un sistema por una implementación concreta (sin alterar significativamente sus propiedades de seguridad), o la privacidad diferencial, una noción de privacidad que ha recibido mucha atención en los últimos años y tiene como objetivo evitar la publicación datos confidenciales en la minería de datos. La falta de técnicas rigurosas que permitan verificar formalmente este tipo de propiedades constituye un notable problema abierto que tiene que ser abordado. En esta tesis introducimos varias lógicas de programa quantitativas para razonar sobre esta clase de propiedades de seguridad. Nuestra principal contribución teórica es una versión quantitativa de una lógica de Hoare relacional para programas probabilísticos. Las pruebas de correción de estas lógicas son completamente formalizadas en el asistente de pruebas Coq. Desarrollamos, además, una herramienta para razonar sobre propiedades de programas a través de estas lógicas extendiendo CertiCrypt, un framework para verificar pruebas de criptografía en Coq. Confirmamos la efectividad y aplicabilidad de nuestra metodología construyendo pruebas certificadas por ordendor de varios sistemas cuyo análisis estaba fuera del alcance de la seguridad verificada. Esto incluye, entre otros, una meta-construcción para diseñar funciones de hash “seguras” sobre curvas elípticas y algoritmos diferencialmente privados para varios problemas de optimización combinatoria de la literatura reciente. ABSTRACT The verified security methodology is an emerging approach to build high assurance proofs about security properties of computer systems. Computer systems are modeled as probabilistic programs and one relies on rigorous program semantics techniques to prove that they comply with a given security goal. In particular, it advocates the use of interactive theorem provers or automated provers to build fully formal machine-checked versions of these security proofs. The verified security methodology has proved successful in modeling and reasoning about several standard security notions in the area of cryptography. However, it has fallen short of covering an important class of approximate, quantitative security notions. The distinguishing characteristic of this class of security notions is that they are stated as a “similarity” condition between the output distributions of two probabilistic programs, and this similarity is quantified using some notion of distance between probability distributions. This class comprises prominent security notions from multiple areas such as private data analysis, information flow analysis and cryptography. These include, for instance, indifferentiability, which enables securely replacing an idealized component of system with a concrete implementation, and differential privacy, a notion of privacy-preserving data mining that has received a great deal of attention in the last few years. The lack of rigorous techniques for verifying these properties is thus an important problem that needs to be addressed. In this dissertation we introduce several quantitative program logics to reason about this class of security notions. Our main theoretical contribution is, in particular, a quantitative variant of a full-fledged relational Hoare logic for probabilistic programs. The soundness of these logics is fully formalized in the Coq proof-assistant and tool support is also available through an extension of CertiCrypt, a framework to verify cryptographic proofs in Coq. We validate the applicability of our approach by building fully machine-checked proofs for several systems that were out of the reach of the verified security methodology. These comprise, among others, a construction to build “safe” hash functions into elliptic curves and differentially private algorithms for several combinatorial optimization problems from the recent literature.

Editor visual de programas y mapas para RoboMind

OboMind es un programa educativo utilizado en todos los niveles educativos, desde el colegio hasta la universidad. Este programa simula un robot que se desplaza a través de un mapa. Este proyecto surge de la necesidad de ampliar ciertas funcionalidades de dicho programa. Para la realización del mismo se han utilizado las tecnologías proporcionadas por Java, utilizando como base el código fuente de libre distribución. Este proyecto cuenta con partes de diseño y partes de implementación, en la que se ha utilizado metodologías orientadas a objetos. ---ABSTRACT---RoboMind is an educational programming environment used in all academic disciplines from primary school to college. This application simulates a robot that can move around a world. This project comes from the necessity of extending certain functionalities of it. The technologies used for developing has been those provided by the Java framework, using the free program sources as support for the project. The project has two parts, one design part and another, implementation part, in which object oriented technologies had been used.

Un modelo de relación entre los programas de innovación abierta y la creación de valor

En un mundo donde el cambio es constante y cada vez más vertiginoso, la innovación es el combustible que utilizan las empresas que permite su renovación constante y, como consecuencia, su supervivencia en el largo plazo. La innovación es sin dudas un elemento fundamental para determinar la capacidad de las empresas en crear valor a lo largo del tiempo, y por ello, las empresas suelen dedicar esfuerzos considerables y recursos de todo tipo para identificar nuevas alternativas de innovación que se adapten a su estrategia, cultura, objetivos y ambiciones corporativas. Una forma específica para llevar a cabo la innovación es la innovación abierta. Esta se entiende como la innovación que se realiza de manera conjunta con otras empresas o participantes del ecosistema. Cabe la aclaración que en este documento se toma la definición de ecosistema referida al conjunto de clientes, proveedores, competidores y otros participantes que interactúan en un mismo entorno donde existen posiciones de liderazgo que pueden cambiar a lo largo del tiempo (Moore 1996). El termino de innovación abierta fue acuñado por Henry Chesbrough hace algo mas de una década para referirse a esta forma particular de organizar la innovación corporativa. Como se observa en el presente trabajo la innovación abierta es un nuevo paradigma que ha capturado el interés académico y empresarial desde algo más de una década. Se verán varios casos de innovación abierta que se están llevando a cabo en diversos países y sectores de la economía. El objetivo principal de este trabajo de investigación es el de desarrollar y explicar un modelo de relación entre la innovación abierta y la creación de valor en las empresas. Para ello, y como objetivos secundarios, se ha investigado los elementos de un Programa de Innovación Abierta, los impulsores 1 de creación de valor, el proceso de creación de valor y, finalmente, la interacción entre estos tres elementos. Como producto final de la investigación se ha desarrollado un marco teórico general para establecer la conexión entre la innovación abierta y la creación de valor que facilita la explicación de la interacción entre ambos elementos. Se observa a partir de los casos de estudio que la innovación abierta puede abarcar todos los sectores de la economía, múltiples geografías y empresas de distintos tamaños (grandes empresas, pequeñas y medianas empresas, incluso empresas de reciente creación) cada una de ellas con distinta relevancia dentro del ecosistema en el que participan. Elementos de un Programa de Innovación Abierta La presente investigación comienza con la enumeración de los distintos elementos que se encuentran presentes en los Programas de Innovación Abierta. De esta manera, se describen los diversos elementos que se han identificado a través de la revisión de la literatura académica que se ha llevado a cabo. En función de una serie de características comunes, los distintos elementos se agrupan en cuatro niveles diferentes para lograr un mejor entendimiento de los Programas de Innovación Abierta. A continuación se detallan estos elementos § Organización del Programa. En primer lugar se menciona la existencia de una estructura organizativa capaz de cumplir una serie de objetivos establecidos previamente. Por su naturaleza de innovación abierta deberá existir cierto grado de interacción entre los distintos miembros que participen en el proceso de innovación. § Talento Interno. El talento interno asociado a los programas de innovación abierta juega un rol fundamental en la ejecución y éxito del programa. Bajo este nivel se asocian elementos como la cultura de innovación abierta y el liderazgo como mecanismo para entender uno de los elementos que explica el grado de adopción de innovación en una empresa. Estrechamente ligados al liderazgo se encuentran los comportamientos organizacionales como elementos diferenciadores para aumentar las posibilidades de creación de innovación abierta. § Infraestructura. En este nivel se agrupan los elementos relacionados con la infraestructura tecnológica necesaria para llevar a cabo el programa incluyendo los procesos productivos y las herramientas necesarias para la gestión cotidiana. § Instrumentos. Por último, se mencionan los instrumentos o vehículos que se utilizan en el entorno corporativo para implementar innovación abierta. Hay varios instrumentos disponibles como las incubadoras corporativas, los acuerdos de licenciamiento o las áreas de capital de riesgo corporativo. Para este último caso se hará una mención especial por el creciente y renovado interés que ha despertado tanto en el entorno académico como empresarial. Se ha identificado al capital de riesgo corporativo como un de los elementos diferenciales en el desarrollo de la estrategia de innovación abierta de las empresas ya que suele aportar credibilidad, capacidad y soporte tecnológico. Estos cuatro elementos, interactuando de manera conjunta y coordinada, tienen la capacidad de crear, potenciar e incluso desarrollar impulsores de creación de valor que impactan en la estrategia y organización de la empresa y partir de aquí en su desempeño financiero a lo largo del tiempo. Los Impulsores de Creación de Valor Luego de identificar, ordenar y describir los distintos elementos presentes en un Programa de Innovación Abierta se ha avanzado en la investigación con los impulsores de creación de valor. Estos pueden definirse como elementos que potencian o determinan la capacidad de crear valor dentro del entorno empresarial. Como se puede observar, se detallan estos impulsores como punto de interacción entre los elementos del programa y el proceso de creación de valor corporativo. A lo largo de la presente investigación se han identificado 6 impulsores de creación de valor presentes en un Programa de Innovación Abierta. § Nuevos Productos y Servicios. El impulsor de creación de valor más directo y evidente en un Programa de Innovación Abierta es la capacidad de crear nuevos productos y servicios dado que se relacionan directamente con el proceso de innovación de la empresa § Acceso a Mercados Adyacentes. El proceso de innovación también puede ser una fuente de valor al permitir que la empresa acceda a mercados cercanos a su negocio tradicional, es decir satisfaciendo nuevas necesidades de sus clientes existentes o de nuevos clientes en otro mercado. § Disponibilidad de Tecnologías. La disponibilidad de tecnologías es un impulsor en si mismo de la creación de valor. Estas pueden ser tanto complementarias como de apalancamiento de tecnologías ya existentes dentro de la empresa y que tengan la función de transformar parte de los componentes de la estrategia de la empresa. § Atracción del Talento Externo. La introducción de un Programa de Innovación Abierta en una empresa ofrece la oportunidad de interactuar con otras organizaciones del ecosistema y, por tanto, de atraer el talento externo. La movilidad del talento es una característica singular de la innovación abierta. § Participación en un Ecosistema Virtuoso. Se ha observado que las acciones realizadas en el entorno por cualquiera de los participantes también tendrán un claro impacto en la creación de valor para el resto de participantes por lo tanto la participación en un ecosistema virtuoso es un impulsor de creación de valor presente en la innovación abierta. § Tecnología “Dentro--‐Fuera”. Como último impulsor de valor es necesario comentar que la dirección que puede seguir la tecnología puede ser desde la empresa hacia el resto del ecosistema generando valor a partir de disponibilizar tecnologías que no son de utilidad interna para la empresa. Estos seis impulsores de creación de valor, presentes en los procesos de innovación corporativos, tienen la capacidad de influir en la estrategia y organización de la empresa aumentando su habilidad de crear valor. El Proceso de Creación de Valor en las Empresas Luego se ha investigado la práctica de la gestión basada en valor que sostiene la necesidad de alinear la estrategia corporativa y el diseño de la organización con el fin de obtener retornos financieros superiores al resto de los competidores de manera sostenida, y finalmente crear valor a lo largo del tiempo. Se describe como los impulsores de creación de valor influyen en la creación y fortalecimiento de las ventajas competitivas de la empresa impactando y alineando su estrategia y organización. Durante la investigación se ha identificado que las opciones reales pueden utilizarse como una herramienta para gestionar entornos de innovación abierta que, por definición, tienen altos niveles de incertidumbre. Las opciones reales aportan una capacidad para la toma de decisiones de forma modular y flexible que pueden aplicarse al entorno corporativo. Las opciones reales han sido particularmente diseñadas para entender, estructurar y gestionar entornos de múltiples incertidumbres y por ello tienen una amplia aplicación en los entornos de innovación. Se analizan los usos potenciales de las opciones reales como complemento a los distintos instrumentos identificados en los Programas de Innovación Abierta. La Interacción Entre los Programas de Innovación Abierta, los Impulsores de Creación de Valor y el Proceso de Creación de Valor A modo de conclusión del presente trabajo se puede mencionar que se ha desarrollado un marco general de creación de valor en el entorno de los Programas de Innovación Abierta. Este marco general incluye tres elementos fundamentales. En primer lugar describe los elementos que se encuentran presentes en los Programas de Innovación Abierta, en segundo lugar como estos programas colaboran en la creación de los seis impulsores de creación de valor que se han identificado y finalmente en tercer lugar como estos impulsores impactan sobre la estrategia y la organización de la empresa para dar lugar a la creación de valor de forma sostenida. A través de un Programa de Innovación Abierta, se pueden desarrollar los impulsores de valor para fortalecer la posición estratégica de la empresa y su capacidad de crear de valor. Es lo que denominamos el marco de referencia para la creación de valor en un Programa de Innovación Abierta. Se presentará la idea que los impulsores de creación de valor pueden colaborar en generar una estrategia óptima que permita alcanzar un desempeño financiero superior y lograr creación de valor de la empresa. En resumen, se ha desarrollado un modelo de relación que describe el proceso de creación de valor en la empresa a partir de los Programas de Innovación Abierta. Para ello, se han identificado los impulsores de creación de valor y se ha descripto la interacción entre los distintos elementos del modelo. ABSTRACT In a world of constant, accelerating change innovation is fuel for business. Year after year, innovation allows firms to renew and, therefore, advance their long--‐term survival. Undoubtedly, innovation is a key element for the firms’ ability to create value over time. Companies often devote considerable effort and diverse resources to identify innovation alternatives that could fit into their strategy, culture, corporate goals and ambitions. Open innovation refers to a specific approach to innovate by collaborating with other firms operating within the same business ecosystem.2 The term open innovation was pioneered by Henry Chesbrough more than a decade ago to refer to this particular mode of driving corporate innovation. Open innovation is a new paradigm that has attracted academic and business interest for over a decade. Several cases of open innovation from different countries and from different economic sectors are included and reviewed in this document. The main objective of this study is to explain and develop a relationship model between open innovation and value creation. To this end, and as secondary objectives, we have explored the elements of an Open Innovation Program, the drivers of value creation, the process of value creation and, finally, the interaction between these three elements. As a final product of the research we have developed a general theoretical framework for establishing the connection between open innovation and value creation that facilitates the explanation of the interaction between the two. From the case studies we see that open innovation can encompass all sectors of the economy, multiple geographies and varying businesses – large companies, SMEs, including (even) start--‐ups – each with a different relevance within the ecosystem in which they participate. Elements of an Open Innovation Program We begin by listing and describing below the items that can be found in an Open Innovation Program. Many of such items have been identified through the review of relevant academic literature. Furthermore, in order to achieve a better understanding of Open Innovation, we have classified those aspects into four different categories according to the features they share. § Program Organization. An organizational structure must exist with a degree of interaction between the different members involved in the innovation process. This structure must be able to meet a number of previously established objectives. § Internal Talent. Internal talent plays a key role in the implementation and success of any Open Innovation program. An open innovation culture and leadership skills are essential for adopting either radical or incremental innovation. In fact, leadership is closely linked to organizational behavior and it is essential to promote open innovation. § Infrastructure. This category groups the elements related to the technological infrastructure required to carry out the program, including production processes and daily management tools. § Instruments. Finally, we list the instruments or vehicles used in the corporate environment to implement open innovation. Several instruments are available, such as corporate incubators, licensing agreements or venture capital. There has been a growing and renewed interest in the latter, both in academia and business circles. The use of corporate venture capital to sustain the development of the open innovation strategy brings ability, credibility, and technological support to the process. The combination of elements from these four categories, interacting in a coordinated way, makes it possible to create, enhance and develop value creation drivers that may impact the company’s strategy and organization and affect its financial performance over time. The Drivers of Value Creation After identifying describing and categorizing the different elements present in an Open Innovation Program our research examines the drivers of value creation. These can be defined as elements that enhance or determine the ability to create value in the business environment. As can be seen, these drivers can act as interacting points between the elements of the program and the process of value creation. The study identifies six drivers of value creation that might be found in an Open Innovation Program. § New Products and Services. The more direct and obvious driver of value creation in any Open Innovation Program is the ability to create new products and services. This is directly related to the company’s innovation process. § Access to Adjacent Markets. The innovation process can also serve as a source of value by granting access to adjacent markets through satisfying new needs for existing customers or attracting new customers from other markets. § Availability of Technologies. The availability of technology is in itself a driver for value creation. New technologies can either be complementary and/or can leverage existing technologies within the firm. They can partly transform certain elements of the company’s strategy. § External Talent Strategy. Incorporating an Open Innovation Program offers the opportunity to interact with other organizations operating in the same ecosystem and can therefore attract external skilled resources. Talent mobility is a unique feature of open innovation. § Becoming Part of a Virtuous Circle. The actions carried out in the environment by any of its members will also have a clear impact on value creation for the other participants. Participation in a virtuous ecosystem is thus a driver for value creation in an open innovation strategy. § Inside--‐out Technology. Value creation may also evolve by allowing other firms in the ecosystem to incorporate internally developed under--‐utilized technologies into their own innovation processes. These six drivers that are present in the innovation process can influence the strategy and the organization of the company, increasing its ability to create value. The Value Creation Process Value--‐based management is the management approach that requires aligning the corporate strategy and the organizational design to create value and obtain sustained financial returns (at least, higher returns than its competitors). We describe how the drivers of value creation can enhance corporate advantages by aligning its strategy and organization. During this study, we were able to determine that real options can be used as managing tools in open innovation environments which, by definition, have high uncertainty levels. Real options provide capability for flexible and modular decision--‐making in the business environment. In particular, real options have been designed for uncertainty management and, therefore, they may be widely applied in innovation environments. We analyze potential uses of real options to supplement the various instruments identified in the Open Innovation programs. The Interaction Between Open Innovation Programs, Value Creation drivers and Value Creation Process As a result of this study, we have developed a general framework for value creation in Open Innovation Programs. This framework includes three key elements. We first described the elements that are present in Open Innovation Programs. Next, we showed how these programs can boost six drivers of value creation that have been identified. Finally, we analyzed how the drivers impact on the strategy and organization of the company in order to lead to the creation of sustainable value. Through an Open Innovation Program, value drivers can be developed to strengthen a company’s strategic position and its ability to create value. That is what we call the framework for value creation in the Open Innovation Program. Value drivers can collaborate in generating an optimal strategy that helps foster a superior financial performance and a sustained value creation process. In sum, we have developed a relationship model that describes the process of creating value in a firm with an Open Innovation Program. We have identified the drivers of value creation and described how the different elements of the model interact with each other.

Derivación deductiva de programas funcionales con patrones

Una de las dificultades principales en el desarrollo de software es la ausencia de un marco conceptual adecuado para su estudio. Una propuesta la constituye el modelo transformativo, que entiende el desarrollo de software como un proceso iterativo de transformación de especificaciones: se parte de una especificación inicial que va transformándose sucesivamente hasta obtener una especificación final que se toma como programa. Este modelo básico puede llevarse a la práctica de varias maneras. En concreto, la aproximación deductiva toma una sentencia lógica como especificación inicial y su proceso transformador consiste en la demostración de la sentencia; como producto secundario de la demostración se deriva un programa que satisface la especificación inicial. La tesis desarrolla un método deductivo para la derivación de programas funcionales con patrones, escritos en un lenguaje similar a Hope. El método utiliza una lógica multigénero, cuya relación con el lenguaje de programación es estudiada. También se identifican los esquemas de demostración necesarios para la derivación de funciones con patrones, basados en la demostración independiente de varias subsentencias. Cada subsentencia proporciona una subespecificación de una ecuación del futuro programa a derivar. Nuestro método deductivo está inspirado en uno previo de Zohar Manna y Richard Waldinger, conocido como el cuadro deductivo, que deriva programas en un lenguaje similar a Lisp. El nuevo método es una modificación del cuadro de estos autores, que incorpora géneros y permite demostrar una especificación mediante varios cuadros. Cada cuadro demuestra una subespecificación y por tanto deriva una ecuación del programa. Se prevén mecanismos para que los programas derivados puedan contener definiciones locales con patrones y variables anónimas y sinónimas y para que las funciones auxiliares derivadas no usen variables de las funciones principales. La tesis se completa con varios ejemplos de aplicación, un mecanismo que independentiza el método del lenguaje de programación y un prototipo de entorno interactivo de derivación deductiva. Categorías y descriptores de materia CR D.l.l [Técnicas de programación]: Programación funcional; D.2.10 [Ingeniería de software]: Diseño - métodos; F.3.1 [Lógica y significado de los programas]: Especificación, verificación y razonamiento sobre programas - lógica de programas; F.3.3 [Lógica y significado de los programas]: Estudios de construcciones de programas - construcciones funcionales; esquemas de programa y de recursion; 1.2.2 [Inteligencia artificial]: Programación automática - síntesis de programas; 1.2.3 [Inteligencia artificial]: Deducción y demostración de teoremas]: extracción de respuesta/razón; inducción matemática. Términos generales Programación funcional, síntesis de programas, demostración de teoremas. Otras palabras claves y expresiones Funciones con patrones, cuadro deductivo, especificación parcial, inducción estructural, teorema de descomposición.---ABSTRACT---One of the main difficulties in software development is the lack of an adequate conceptual framework of study. The transformational model is one such proposal that conceives software development as an iterative process of specifications transformation: an initial specification is developed and successively transformed until a final specification is obtained and taken as a program. This basic model can be implemented in several ways. The deductive approach takes a logical sentence as the initial specification and its proof constitutes the transformational process; as a byproduct of the proof, a program which satisfies the initial specification is derived. In the thesis, a deductive method for the derivation of Hope-like functional programs with patterns is developed. The method uses a many-sorted logic, whose relation to the programming language is studied. Also the proof schemes necessary for the derivation of functional programs with patterns, based on the independent proof of several subsentences, are identified. Each subsentence provides a subspecification of one equation of the future program to be derived. Our deductive method is inspired on a previous one by Zohar Manna and Richard Waldinger, known as the deductive tableau, which derives Lisp-like programs. The new method incorporates sorts in the tableau and allows to prove a sentence with several tableaux. Each tableau proves a subspecification and therefore derives an equation of the program. Mechanisms are included to allow the derived programs to contain local definitions with patterns and anonymous and synonymous variables; also, the derived auxiliary functions cannot reference parameters of their main functions. The thesis is completed with several application examples, i mechanism to make the method independent from the programming language and an interactive environment prototype for deductive derivation. CR categories and subject descriptors D.l.l [Programming techniques]: Functional programming; D.2.10 [Software engineering]: Design - methodologies; F.3.1 [Logics and meanings of programa]: Specifying and verifying and reasoning about programs - logics of programs; F.3.3 [Logics and meanings of programs]: Studies of program constructs - functional constructs; program and recursion schemes; 1.2.2 [Artificial intelligence]: Automatic programming - program synthesis; 1.2.3 [Artificial intelligence]: Deduction and theorem proving - answer/reason extraction; mathematical induction. General tenas Functional programming, program synthesis, theorem proving. Additional key words and phrases Functions with patterns, deductive tableau, structural induction, partial specification, descomposition theorem.

El enfoque integrado en los programas de regeneración urbana de barrios desfavorecidos: una visión relacional

Actualmente se reconoce de forma generalizada que la problemática de los barrios más desfavorecidos presenta un trasfondo estructural de magnitud multidimensional que implica a múltiples actores, que requiere respuestas de carácter multiescalar, multidimensional y multiagente y un alto nivel de cooperación institucional y de coordinación entre la diversidad de actores, que pone en cuestión los modelos de gobernanza y gestión urbana tradicionales. Frente a los retos e implicaciones que plantea la noción de espacio como construcción social y los problemas de coordinación detectados que limitan el alcance de la regeneración urbana integrada, en esta investigación se pregunta por los principales elementos que pueden facilitar la dinamización y coordinación de los procesos y se plantea que es preciso aprovechar el propio proceso participativo para reforzar el papel de estos elementos y generar mejores condiciones para la colaboración en un proceso de aprendizaje práctico de formas de análisis e intervención integrada y gestión relacional, que supere los niveles de información y consulta de la práctica participativa habitual. Se centra por tanto la atención en los factores que facilitan la dinamización y coordinación de los procesos (elementos dinamizadores y articuladores), en el nivel de participación social y cooperación institucional en los distintos momentos de la planificación de la estrategia entendida como un proceso continuo de reflexión-acción-reflexión y en aquellas condiciones del modelo de participación que pueden propiciar relaciones estratégicas y mejorar la capacidad de interacción y acción del sistema de actores y relaciones en el proceso de planificación y gestión, que lleva a cuestionar en qué medida los soportes (foros de participación y nodos y ejes de actividad y relación) y el tipo de técnicas (técnicas de dinamización y técnicas de identificación y activación de oportunidades) de los modelos de participación de experiencias concretas pueden fomentar formas de interacción que mejoren la comunicación y la movilización de recursos. Para analizar esta situación en la práctica, se desarrolla un marco conceptual, metodológico y operativo a partir de la contribución de conceptos, teorías y modelos basados en una visión relacional y multidimensional de las dinámicas de desarrollo local integrado. Esta metodología se valida en cuatro casos de referencia a partir de la información de documentos oficiales y de las visiones de la diversidad de actores implicados recogidas a través de una primera consulta a expertos (13) y entrevistas semiestructuradas a representantes de la diversidad de actores implicados (75), que se ha procesado por medio de tres herramientas conceptuales de análisis complementarias desarrolladas a lo largo de la investigación apoyadas en la perspectiva relacional de la reinterpretación actual del espacio y las escalas: el ‘Sistema de acción local’, el ‘Diagrama de momentos’ del proceso de planificación y gestión, y la ‘Matriz de caracterización’ del modelo de participación. La evaluación y la comparativa de los casos según el método de análisis evidencian la importancia del papel ejercido por los elementos articuladores (actores y organismos de enlace, espacios de encuentro y acción, y los significados y visiones compartidas) y dinamizadores (el capital social y las capacidades institucionales propiciadas en redes de colaboración) a la hora de facilitar la colaboración entre las distintas instituciones responsables, reforzar las relaciones entre actores, grupos y entidades del barrio, y mejorar los problemas de convivencia vecinal, y en definitiva, de mejorar las posibilidades de los diferentes actores urbanos de implicarse de manera activa. Además, las fórmulas alternativas que se han puesto en marcha en los distintos casos frente a las dificultades que presenta la administración a la hora de trabajar por proyectos y el resto de actores de colaborar de forma constructiva, han supuesto un importante proceso de aprendizaje y práctica en formas de participación y colaboración. ABSTRACT It is widely accepted that the current situation of multi-deprived neighborhoods has a structural and a multidimensional basis involving multiple actors that calls for multiscale, multidimensional and multiagent solutions and requires a high level of institutional cooperation and a great deal of coordination between different actors. This calls into question traditional governance and management models. In order to cope with the challenges and implications of the idea of the social construction of space and these coordination requirements that compromise the scope of integrated urban regeneration strategies, this research focuses on the main elements and factors that facilitate the mobilization and coordination of the regeneration processes, and recognizes the importance of participation processes facilitating better social, communication and collaboration skills in a practical learning process of integrated analysis and urban regeneration interventions and relational governance mechanisms going beyond mere information and consultation levels. Thus, the study focuses on the principal factors which facilitate the mobilization and coordination of integrated area regeneration, the level of social participation and institutional cooperation at different planning moments in a continuous process of reflection-action-reflection, and the conditions under which the participation process may promote strategic relationships and improve the performance of the system of actors and relationships in the planning and management process. This questions to what extent the supports (participation arenas and activity nodes and axis) and the type of techniques (participation encouragement and opportunities identification and activation techniques) considered in participation models had led to a level of interaction that has improved communication and resource mobilization capabilities. In order to analyze this situation in practice, a conceptual, methodological and operational framework is developed, which considers the contributions of the review of concepts, theories and models based on a relational and multidimensional view of local development dynamics. This methodology is validated in four representative case studies in view of official documents and the contributions of diverse stakeholders gathered through a first consultation to experts (13) and semi-structured interviews to representatives of the diversity of actors involved (75). This data has been processed by three complementary analytical tools developed during the research, based on the relational perspective of the current reinterpretation of space and scales: the 'Local Action System', the 'Diagram of planning moments', and the 'Characterization matrix of the participation model'. The comparative evaluation of the four case studies carried out using the analytical method developed during the project, shows the importance of the availability and the role of linkage elements (actors and organizations, collective spaces and shared visions) and drivers (social capital and institutional capacities generated through collaborative networks) in facilitating the collaboration among all responsible institutions, in promoting and strengthening relations between actors, groups and neighborhood organizations, and in improving the conviviality and social cohesion conditions, and ultimately in fostering the possibilities of diversity of urban actors to engage and participate actively in the transformation process, increasing accordingly the options for change. In addition, despite all the difficulties, these practices have implemented alternative formulas addressing the limitations of the administration in working by projects and not by competences and of the stakeholders in collaborating in a constructive way. The development and implementation of these participatory formulas has been an important learning process.

A technological framework based on automatic messaging for improving adherence of diabetic patients

En todo el mundo se ha observado un crecimiento exponencial en la incidencia de enfermedades crónicas como la hipertensión y enfermedades cardiovasculares y respiratorias, así como la diabetes mellitus, que causa un número de muertes cada vez mayor en todo el mundo (Beaglehole et al., 2008). En concreto, la prevalencia de diabetes mellitus (DM) está aumentando de manera considerable en todas las edades y representa un serio problema de salud mundial. La diabetes fue la responsable directa de 1,5 millones de muertes en 2012 y 89 millones de años de vida ajustados por discapacidad (AVAD) (OMS, 2014). Uno de los principales dilemas que suelen asociarse a la gestión de EC es la adherencia de los pacientes a los tratamientos, que representa un aspecto multifactorial que necesita asistencia en lo relativo a: educación, autogestión, interacción entre los pacientes y cuidadores y compromiso de los pacientes. Medir la adherencia del tratamiento es complicado y, aunque se ha hablado ampliamente de ello, aún no hay soluciones “de oro” (Reviews, 2002). El compromiso de los pacientes, a través de la participación, colaboración, negociación y a veces del compromiso firme, aumentan las oportunidades para una terapia óptima en la que los pacientes se responsabilizan de su parte en la ecuación de adherencia. Comprometer e involucrar a los pacientes diabéticos en las decisiones de su tratamiento, junto con expertos profesionales, puede ayudar a favorecer un enfoque centrado en el paciente hacia la atención a la diabetes (Martin et al., 2005). La motivación y atribución de poder de los pacientes son quizás los dos factores interventores más relevantes que afectan directamente a la autogestión de la atención a la diabetes. Se ha demostrado que estos dos factores desempeñan un papel fundamental en la adherencia a la prescripción, así como en el fomento exitoso de un estilo de vida sana y otros cambios de conducta (Heneghan et al., 2013). Un plan de educación personalizada es indispensable para proporcionarle al paciente las herramientas adecuadas que necesita para la autogestión efectiva de la enfermedad (El-Gayar et al. 2013). La comunicación efectiva es fundamental para proporcionar una atención centrada en el paciente puesto que influye en las conductas y actitudes hacia un problema de salud ((Frampton et al. 2008). En este sentido, la interactividad, la frecuencia, la temporalización y la adaptación de los mensajes de texto pueden promover la adherencia a un régimen de medicación. Como consecuencia, adaptar los mensajes de texto a los pacientes puede resultar ser una manera de hacer que las sugerencias y la información sean más relevantes y efectivas (Nundy et al. 2013). En este contexto, las tecnologías móviles en el ámbito de la salud (mHealth) están desempeñando un papel importante al conectar con pacientes para mejorar la adherencia a medicamentos recetados (Krishna et al., 2009). La adaptación de los mensajes de texto específicos de diabetes sigue siendo un área de oportunidad para mejorar la adherencia a la medicación y ofrecer motivación a adultos con diabetes. Sin embargo, se necesita más investigación para entender totalmente su eficacia. Los consejos de texto personalizados han demostrado causar un impacto positivo en la atribución de poder a los pacientes, su autogestión y su adherencia a la prescripción (Gatwood et al., 2014). mHealth se puede utilizar para ofrecer programas de asistencia de autogestión a los pacientes con diabetes y, al mismo tiempo, superar las dificultades técnicas y financieras que supone el tratamiento de la diabetes (Free at al., 2013). El objetivo principal de este trabajo de investigación es demostrar que un marco tecnológico basado en las teorías de cambios de conducta, aplicado al campo de la mHealth, permite una mejora de la adherencia al tratamiento en pacientes diabéticos. Como método de definición de una solución tecnológica, se han adoptado un conjunto de diferentes técnicas de conducta validadas denominado marco de compromiso de retroacción conductual (EBF, por sus siglas en inglés) para formular los mensajes, guiar el contenido y evaluar los resultados. Los estudios incorporan elementos del modelo transteórico (TTM, por sus siglas en inglés), la teoría de la fijación de objetivos (GST, por sus siglas en inglés) y los principios de comunicación sanitaria persuasiva y eficaz. Como concepto general, el modelo TTM ayuda a los pacientes a progresar a su próxima fase de conducta a través de mensajes de texto motivados específicos y permite que el médico identifique la fase actual y adapte sus estrategias individualmente. Además, se adoptan las directrices del TTM para fijar objetivos personalizados a un nivel apropiado a la fase de cambio del paciente. La GST encierra normas que van a ponerse en práctica para promover la intervención educativa y objetivos de pérdida de peso. Finalmente, los principios de comunicación sanitaria persuasiva y eficaz aplicados a la aparición de los mensajes se han puesto en marcha para aumentar la efectividad. El EBF tiene como objetivo ayudar a los pacientes a mejorar su adherencia a la prescripción y encaminarlos a una mejora general en la autogestión de la diabetes mediante mensajes de texto personalizados denominados mensajes de retroacción automáticos (AFM, por sus siglas en inglés). Después de una primera revisión del perfil, consistente en identificar características significativas del paciente basadas en las necesidades de tratamiento, actitudes y conductas de atención sanitaria, el sistema elige los AFM personalizados, los aprueba el médico y al final se transfieren a la interfaz del paciente. Durante el tratamiento, el usuario recopila los datos en dispositivos de monitorización de pacientes (PMD, por sus siglas en inglés) de una serie de dispositivos médicos y registros manuales. Los registros consisten en la toma de medicación, dieta y actividad física y tareas de aprendizaje y control de la medida del metabolismo. El compromiso general del paciente se comprueba al estimar el uso del sistema y la adherencia del tratamiento y el estado de los objetivos del paciente a corto y largo plazo. El módulo de análisis conductual, que consiste en una serie de reglas y ecuaciones, calcula la conducta del paciente. Tras lograr el análisis conductual, el módulo de gestión de AFM actualiza la lista de AFM y la configuración de los envíos. Las actualizaciones incluyen el número, el tipo y la frecuencia de mensajes. Los AFM los revisa periódicamente el médico que también participa en el perfeccionamiento del tratamiento, adaptado a la fase transteórica actual. Los AFM se segmentan en distintas categorías y niveles y los pacientes pueden ajustar la entrega del mensaje de acuerdo con sus necesidades personales. El EBF se ha puesto en marcha integrado dentro del sistema METABO, diseñado para facilitar al paciente diabético que controle sus condiciones relevantes de una manera menos intrusiva. El dispositivo del paciente se vincula en una plataforma móvil, mientras que una interfaz de panel médico permite que los profesionales controlen la evolución del tratamiento. Herramientas específicas posibilitan que los profesionales comprueben la adherencia del paciente y actualicen la gestión de envíos de AFM. El EBF fue probado en un proyecto piloto controlado de manera aleatoria. El principal objetivo era examinar la viabilidad y aceptación del sistema. Los objetivos secundarios eran también la evaluación de la eficacia del sistema en lo referente a la mejora de la adherencia, el control glucémico y la calidad de vida. Se reclutaron participantes de cuatro centros clínicos distintos en Europa. La evaluación del punto de referencia incluía datos demográficos, estado de la diabetes, información del perfil, conocimiento de la diabetes en general, uso de las plataformas TIC, opinión y experiencia con dispositivos electrónicos y adopción de buenas prácticas con la diabetes. La aceptación y eficacia de los criterios de evaluación se aplicaron para valorar el funcionamiento del marco tecnológico. El principal objetivo era la valoración de la eficacia del sistema en lo referente a la mejora de la adherencia. En las pruebas participaron 54 pacientes. 26 fueron asignados al grupo de intervención y equipados con tecnología móvil donde estaba instalado el EBF: 14 pacientes tenían T1DM y 12 tenían T2DM. El grupo de control estaba compuesto por 25 pa cientes que fueron tratados con atención estándar, sin el empleo del EBF. La intervención profesional tanto de los grupos de control como de intervención corrió a cargo de 24 cuidadores, entre los que incluían diabetólogos, nutricionistas y enfermeras. Para evaluar la aceptabilidad del sistema y analizar la satisfacción de los usuarios, a través de LimeSurvey, se creó una encuesta multilingüe tanto para los pacientes como para los profesionales. Los resultados también se recopilaron de los archivos de registro generados en los PMD, el panel médico profesional y las entradas de la base de datos. Los mensajes enviados hacia y desde el EBF y los archivos de registro del sistema y los servicios de comunicación se grabaron durante las cinco semanas del estudio. Se entregaron un total de 2795 mensajes, lo que supuso una media de 107,50 mensajes por paciente. Como se muestra, los mensajes disminuyen con el tiempo, indicando una mejora global de la adherencia al plan de tratamiento. Como se esperaba, los pacientes con T1DM recibieron más consejos a corto plazo, en relación a su estado. Del mismo modo, al ser el centro de T2DM en cambios de estilo de vida sostenible a largo plazo, los pacientes con T2DM recibieron más consejos de recomendación, en cuanto a dietas y actividad física. También se ha llevado a cabo una comparación de la adherencia e índices de uso para pacientes con T1DM y T2DM, entre la primera y la segunda mitad de la prueba. Se han observado resultados favorables para el uso. En lo relativo a la adherencia, los resultados denotaron una mejora general en cada dimensión del plan de tratamiento, como la nutrición y las mediciones de inserción de glucosa en la sangre. Se han llevado a cabo más estudios acerca del cambio a nivel educativo antes y después de la prueba, medidos tanto para grupos de control como de intervención. Los resultados indicaron que el grupo de intervención había mejorado su nivel de conocimientos mientras que el grupo de control mostró una leve disminución. El análisis de correlación entre el nivel de adherencia y las AFM ha mostrado una mejora en la adherencia de uso para los pacientes que recibieron los mensajes de tipo alertas, y unos resultados no significativos aunque positivos relacionados con la adherencia tanto al tratamiento que al uso correlacionado con los recordatorios. Por otra parte, los AFM parecían ayudar a los pacientes que no tomaban suficientemente en serio su tratamiento en el principio y que sí estaban dispuestos a responder a los mensajes recibidos. Aun así, los pacientes que recibieron demasiadas advertencias, comenzaron a considerar el envío de mensajes un poco estresante. El trabajo de investigación llevado a cabo al desarrollar este proyecto ofrece respuestas a las cuatro hipótesis de investigación que fueron la motivación para el trabajo. • Hipótesis 1 : es posible definir una serie de criterios para medir la adherencia en pacientes diabéticos. • Hipótesis 2: es posible diseñar un marco tecnológico basado en los criterios y teorías de cambio de conducta mencionados con anterioridad para hacer que los pacientes diabéticos se comprometan a controlar su enfermedad y adherirse a planes de atención. • Hipótesis 3: es posible poner en marcha el marco tecnológico en el sector de la salud móvil. • Hipótesis 4: es posible utilizar el marco tecnológico como solución de salud móvil en un contexto real y tener efectos positivos en lo referente a indicadores de control de diabetes. La verificación de cada hipótesis permite ofrecer respuesta a la hipótesis principal: La hipótesis principal es: es posible mejorar la adherencia diabética a través de un marco tecnológico mHealth basado en teorías de cambio de conducta. El trabajo llevado a cabo para responder estas preguntas se explica en este trabajo de investigación. El marco fue desarrollado y puesto en práctica en el Proyecto METABO. METABO es un Proyecto I+D, cofinanciado por la Comisión Europea (METABO 2008) que integra infraestructura móvil para ayudar al control, gestión y tratamiento de los pacientes con diabetes mellitus de tipo 1 (T1DM) y los que padecen diabetes mellitus de tipo 2 (T2DM). ABSTRACT Worldwide there is an exponential growth in the incidence of Chronic Diseases (CDs), such as: hypertension, cardiovascular and respiratory diseases, as well as diabetes mellitus, leading to rising numbers of deaths worldwide (Beaglehole et al. 2008). In particular, the prevalence of diabetes mellitus (DM) is largely increasing among all ages and constitutes a major worldwide health problem. Diabetes was directly responsible for 1,5 million deaths in 2012 and 89 million Disability-adjusted life year (DALYs) (WHO 2014). One of the key dilemmas often associated to CD management is the patients’ adherence to treatments, representing a multi-factorial aspect that requires support in terms of: education, self-management, interaction between patients and caregivers, and patients’ engagement. Measuring adherence is complex and, even if widely discussed, there are still no “gold” standards ((Giardini et al. 2015), (Costa et al. 2015). Patient’s engagement, through participation, collaboration, negotiation, and sometimes compromise, enhance opportunities for optimal therapy in which patients take responsibility for their part of the adherence equation. Engaging and involving diabetic patients in treatment decisions, along with professional expertise, can help foster a patient-centered approach to diabetes care (Martin et al. 2005). Patients’ motivation and empowerment are perhaps the two most relevant intervening factors that directly affect self-management of diabetes care. It has been demonstrated that these two factors play an essential role in prescription adherence, as well as for the successful encouragement of a healthy life-style and other behavioural changes (Heneghan et al. 2013). A personalised education plan is indispensable in order to provide the patient with the appropriate tools needed for the effective self-management of the disease (El-Gayar et al. 2013). Effective communication is at the core of providing patient-centred care since it influences behaviours and attitudes towards a health problem (Frampton et al. 2008). In this regard, interactivity, frequency, timing, and tailoring of text messages may promote adherence to a medication regimen. As a consequence, tailoring text messages to patients can constitute a way of making suggestions and information more relevant and effective (Nundy et al. 2013). In this context, mobile health technologies (mHealth) are playing significant roles in improving adherence to prescribed medications (Krishna et al. 2009). The tailoring of diabetes-specific text messages remains an area of opportunity to improve medication adherence and provide motivation to adults with diabetes but further research is needed to fully understand their effectiveness. Personalized text advices have proven to produce a positive impact on patients’ empowerment, self-management, and adherence to prescriptions (Gatwood et al. 2014). mHealth can be used for offering self-management support programs to diabetes patients and at the same time surmounting the technical and financial difficulties involved in diabetes treatment (Free et al. 2013). The main objective of this research work is to demonstrate that a technological framework, based on behavioural change theories, applied to mHealth domain, allows improving adherence treatment in diabetic patients. The framework, named Engagement Behavioural Feedback Framework (EBF), is built on top of validated behavioural techniques to frame messages, guide the definition of contents and assess outcomes: elements from the Transtheoretical Model (TTM), the Goal-Setting Theory (GST), Effective Health Communication (EHC) guidelines and Principles of Persuasive Technology (PPT) were incorporated. The TTM helps patients to progress to a next behavioural stage, through specific motivated text messages, and allow clinician’s identifying the current stage and tailor its strategies individually. Moreover, TTM guidelines are adopted to set customised goals at a level appropriate to the patient’s stage of change. The GST was used to build rules to be applied for enhancing educational intervention and weight loss objectives. Finally, the EHC guidelines and the PPT were applied to increase the effectiveness of messages. The EBF aims to support patients on improving their prescription adherence and persuade them towards a general improvement in diabetes self-management, by means of personalised text messages, named Automatic Feedback Messages (AFM). After a first profile screening, consisting in identifying meaningful patient characteristics based on treatment needs, attitudes and health care behaviours, customised AFMs are selected by the system, approved by the professional, and finally transferred into the patient interface. During the treatment, the user collects the data into a Patient Monitoring Device (PMD) from a set of medical devices and from manual inputs. Inputs consist in medication intake, diet and physical activity, metabolic measurement monitoring and learning tasks. Patient general engagement is checked by estimating the usage of the system and the adherence of treatment and patient goals status in the short and the long term period. The Behavioural Analysis Module, consisting in a set of rules and equations, calculates the patient’s behaviour. After behavioural analysis is accomplished, the AFM library and the dispatch setting are updated by the AFM Manager module. Updates include the number, the type and the frequency of messages. The AFMs are periodically supervised by the professional who also participates to the refinement of the treatment, adapted to the current transtheoretical stage. The AFMs are segmented in different categories and levels and patients can adjust message delivery in accordance with their personal needs. The EBF was integrated to the METABO system, designed to facilitate diabetic patients in managing their disease in a less intrusive approach. Patient device corresponds in a mobile platform, while a medical panel interface allows professionals to monitoring the treatment evolution. Specific tools allow professional to check patient adherence and to update the AFMs dispatch management. The EBF was tested in a randomised controlled pilot. The main objective was to examine the feasibility and acceptance of the system. Secondary objectives were also the assessment of the effectiveness of system in terms of adherence improvement, glycaemic control, and quality of life. Participants were recruited from four different clinical centres in Europe. The baseline assessment included demographics, diabetes status, profile information, knowledge about diabetes in general, usage of ICT platforms, opinion and experience about electronic devices and adoption of good practices with diabetes. Acceptance and the effectiveness evaluation criteria were applied to evaluate the performance of the technological framework. The main objective was the assessment of the effectiveness of system in terms of adherence improvement. Fifty-four patients participated on the trials. Twenty-six patients were assigned in the intervention group and equipped with mobile where the EBF was installed: 14 patients were T1DM and 12 were T2DM. The control group was composed of 25 patients that were treated through a standard care, without the usage of the EBF. Professional’s intervention for both intervention and control groups was carried out by 24 care providers, including endocrinologists, nutritionists, and nurses. In order to evaluate the system acceptability and analyse the users’ satisfaction, an online multi-language survey, using LimeSurvey, was produced for both patients and professionals. Results were also collected from the log-files generated in the PMDs, the professional medical panel and the entries of the data base. The messages sent to and from the EBF and the log-files of the system and communication services were recorded over 5 weeks of the study. A total of 2795 messages were submitted, representing an average of 107,50 messages per patient. As demonstrated, messages decrease over time indicating an overall improvement of the care plan’s adherence. As expected, T1DM patients were more loaded with short-term advices, in accordance with their condition. Similarly, being the focus of T2DM on long-term sustainable lifestyle changes, T2DM received more reminders advices, as for diet and physical activity. Favourable outcomes were observed for treatment and usage adherences of the intervention group: for both the adherence indices, results denoted a general improvement on each care plan’s dimension, such as on nutrition and blood glucose input measurements. Further studies were conducted on the change on educational level before and after the trial, measured for both control and intervention groups. The outcomes indicated the intervention group has improved its level of knowledge, while the control group denoted a low decrease. The correlation analysis between the level of adherences and the AFMs showed an improvement in usage adherence for patients who received warnings message, while non-significantly yet even positive indicators related to both treatment and usage adherence correlated with the Reminders. Moreover, the AFMs seemed to help those patients who did not take their treatment seriously enough in the beginning and who were willing to respond to the messages they received. Even though, patients who received too many Warnings, started to consider the message dispatch to be a bit stressful. The research work carried out in developing this research work provides responses to the four research hypothesis that were the motivation for the work: •Hypothesis 1: It is possible to define a set of criteria to measure adherence in diabetic patients. •Hypothesis 2: It is possible to design a technological framework, based on the aforementioned criteria and behavioural change theories, to engage diabetic patients in managing their disease and adhere to care plans. •Hypothesis 3: It is possible to implement the technological framework in the mobile health domain. •Hypothesis 4: It is possible to use the technological framework as a mobile health solution in a real context and have positive effects in terms of diabetes management indicators. The verification of each hypothesis allowed us to provide a response to the main hypothesis: The Main Hypothesis is: It is possible to improve diabetic adherence through a mHealth technological framework based on behavioural change theories. The work carried out to answer these questions is explained in this research work. The framework was developed and applied in the METABO project. METABO is an R&D project, co-funded by the European Commission (METABO 2008) that integrates mobile infrastructure for supporting the monitoring, management, and treatment of type 1 diabetes mellitus (T1DM) and type 2 diabetes mellitus (T2DM) patients.