Metodologías de modelado, monitorización y asistencia robótica en neurorrehabilitación funcional de extremidad superior

La Organización Mundial de la Salud (OMS) prevé que para el año 2020, el Daño Cerebral Adquirido (DCA) estará entre las 10 causas más comunes de discapacidad. Estas lesiones, dadas sus consecuencias físicas, sensoriales, cognitivas, emocionales y socioeconómicas, cambian dramáticamente la vida de los pacientes y sus familias. Las nuevas técnicas de intervención precoz y el desarrollo de la medicina intensiva en la atención al DCA han mejorado notablemente la probabilidad de supervivencia. Sin embargo, hoy por hoy, las lesiones cerebrales no tienen ningún tratamiento quirúrgico que tenga por objetivo restablecer la funcionalidad perdida, sino que las terapias rehabilitadoras se dirigen hacia la compensación de los déficits producidos. Uno de los objetivos principales de la neurorrehabilitación es, por tanto, dotar al paciente de la capacidad necesaria para ejecutar las Actividades de Vida Diaria (AVDs) necesarias para desarrollar una vida independiente, siendo fundamentales aquellas en las que la Extremidad Superior (ES) está directamente implicada, dada su gran importancia a la hora de la manipulación de objetos. Con la incorporación de nuevas soluciones tecnológicas al proceso de neurorrehabilitación se pretende alcanzar un nuevo paradigma centrado en ofrecer una práctica personalizada, monitorizada y ubicua con una valoración continua de la eficacia y de la eficiencia de los procedimientos y con capacidad de generar conocimientos que impulsen la ruptura del paradigma de actual. Los nuevos objetivos consistirán en minimizar el impacto de las enfermedades que afectan a la capacidad funcional de las personas, disminuir el tiempo de incapacidad y permitir una gestión más eficiente de los recursos. Estos objetivos clínicos, de gran impacto socio-económico, sólo pueden alcanzarse desde una apuesta decidida en nuevas tecnologías, metodologías y algoritmos capaces de ocasionar la ruptura tecnológica necesaria que permita superar las barreras que hasta el momento han impedido la penetración tecnológica en el campo de la rehabilitación de manera universal. De esta forma, los trabajos y resultados alcanzados en la Tesis son los siguientes: 1. Modelado de AVDs: como paso previo a la incorporación de ayudas tecnológicas al proceso rehabilitador, se hace necesaria una primera fase de modelado y formalización del conocimiento asociado a la ejecución de las actividades que se realizan como parte de la terapia. En particular, las tareas más complejas y a su vez con mayor repercusión terapéutica son las AVDs, cuya formalización permitirá disponer de modelos de movimiento sanos que actuarán de referencia para futuros desarrollos tecnológicos dirigidos a personas con DCA. Siguiendo una metodología basada en diagramas de estados UML se han modelado las AVDs 'servir agua de una jarra' y 'coger un botella' 2. Monitorización ubícua del movimiento de la ES: se ha diseñado, desarrollado y validado un sistema de adquisición de movimiento basado en tecnología inercial que mejora las limitaciones de los dispositivos comerciales actuales (coste muy elevado e incapacidad para trabajar en entornos no controlados); los altos coeficientes de correlación y los bajos niveles de error obtenidos en los corregistros llevados a cabo con el sistema comercial BTS SMART-D demuestran la alta precisión del sistema. También se ha realizado un trabajo de investigación exploratorio de un sistema de captura de movimiento de coste muy reducido basado en visión estereoscópica, habiéndose detectado los puntos clave donde se hace necesario incidir desde un punto de vista tecnológico para su incorporación en un entorno real 3. Resolución del Problema Cinemático Inverso (PCI): se ha diseñado, desarrollado y validado una solución al PCI cuando el manipulador se corresponde con una ES humana estudiándose 2 posibles alternativas, una basada en la utilización de un Perceptrón Multicapa (PMC) y otra basada en sistemas Artificial Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS). La validación, llevada a cabo utilizando información relativa a los modelos disponibles de AVDs, indica que una solución basada en un PMC con 3 neuronas en la capa de entrada, una capa oculta también de 3 neuronas y una capa de salida con tantas neuronas como Grados de Libertad (GdLs) tenga el modelo de la ES, proporciona resultados, tanto de precisión como de tiempo de cálculo, que la hacen idónea para trabajar en sistemas con requisitos de tiempo real 4. Control inteligente assisted-as-needed: se ha diseñado, desarrollado y validado un algoritmo de control assisted-as-needed para una ortesis robótica con capacidades de actuación anticipatoria de la que existe un prototipo implementado en la actualidad. Los resultados obtenidos demuestran cómo el sistema es capaz de adaptarse al perfil disfuncional del paciente activando la ayuda en instantes anteriores a la ocurrencia de movimientos incorrectos. Esta estrategia implica un aumento en la participación del paciente y, por tanto, en su actividad muscular, fomentándose los procesos la plasticidad cerebral responsables del reaprendizaje o readaptación motora 5. Simuladores robóticos para planificación: se propone la utilización de un simulador robótico assisted-as-needed como herramienta de planificación de sesiones de rehabilitación personalizadas y con un objetivo clínico marcado en las que interviene una ortesis robotizada. Los resultados obtenidos evidencian como, tras la ejecución de ciertos algoritmos sencillos, es posible seleccionar automáticamente una configuración para el algoritmo de control assisted-as-needed que consigue que la ortesis se adapte a los criterios establecidos desde un punto de vista clínico en función del paciente estudiado. Estos resultados invitan a profundizar en el desarrollo de algoritmos más avanzados de selección de parámetros a partir de baterías de simulaciones Estos trabajos han servido para corroborar las hipótesis de investigación planteadas al inicio de la misma, permitiendo, asimismo, la apertura de nuevas líneas de investigación. Summary The World Health Organization (WHO) predicts that by the year 2020, Acquired Brain Injury (ABI) will be among the ten most common ailments. These injuries dramatically change the life of the patients and their families due to their physical, sensory, cognitive, emotional and socio-economic consequences. New techniques of early intervention and the development of intensive ABI care have noticeably improved the survival rate. However, in spite of these advances, brain injuries still have no surgical or pharmacological treatment to re-establish the lost functions. Neurorehabilitation therapies address this problem by restoring, minimizing or compensating the functional alterations in a person disabled because of a nervous system injury. One of the main objectives of Neurorehabilitation is to provide patients with the capacity to perform specific Activities of the Daily Life (ADL) required for an independent life, especially those in which the Upper Limb (UL) is directly involved due to its great importance in manipulating objects within the patients' environment. The incorporation of new technological aids to the neurorehabilitation process tries to reach a new paradigm focused on offering a personalized, monitored and ubiquitous practise with continuous assessment of both the efficacy and the efficiency of the procedures and with the capacity of generating new knowledge. New targets will be to minimize the impact of the sicknesses affecting the functional capabilitiies of the subjects, to decrease the time of the physical handicap and to allow a more efficient resources handling. These targets, of a great socio-economic impact, can only be achieved by means of new technologies and algorithms able to provoke the technological break needed to beat the barriers that are stopping the universal penetration of the technology in the field of rehabilitation. In this way, this PhD Thesis has achieved the following results: 1. ADL Modeling: as a previous step to the incorporation of technological aids to the neurorehabilitation process, it is necessary a first modelling and formalization phase of the knowledge associated to the execution of the activities that are performed as a part of the therapy. In particular, the most complex and therapeutically relevant tasks are the ADLs, whose formalization will produce healthy motion models to be used as a reference for future technological developments. Following a methodology based on UML state-chart diagrams, the ADLs 'serving water from a jar' and 'picking up a bottle' have been modelled 2. Ubiquitous monitoring of the UL movement: it has been designed, developed and validated a motion acquisition system based on inertial technology that improves the limitations of the current devices (high monetary cost and inability of working within uncontrolled environments); the high correlation coefficients and the low error levels obtained throughout several co-registration sessions with the commercial sys- tem BTS SMART-D show the high precision of the system. Besides an exploration of a very low cost stereoscopic vision-based motion capture system has been carried out and the key points where it is necessary to insist from a technological point of view have been detected 3. Inverse Kinematics (IK) problem solving: a solution to the IK problem has been proposed for a manipulator that corresponds to a human UL. This solution has been faced by means of two different alternatives, one based on a Mulilayer Perceptron (MLP) and another based on Artificial Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS). The validation of these solutions, carried out using the information regarding the previously generated motion models, indicate that a MLP-based solution, with an architecture consisting in 3 neurons in the input layer, one hidden layer of 3 neurons and an output layer with as many neurons as the number of Degrees of Freedom (DoFs) that the UL model has, is the one that provides the best results both in terms of precission and in terms of processing time, making in idoneous to be integrated within a system with real time restrictions 4. Assisted-as-needed intelligent control: an assisted-as-needed control algorithm with anticipatory actuation capabilities has been designed, developed and validated for a robotic orthosis of which there is an already implemented prototype. Obtained results demonstrate that the control system is able to adapt to the dysfunctional profile of the patient by triggering the assistance right before an incorrect movement is going to take place. This strategy implies an increase in the participation of the patients and in his or her muscle activity, encouraging the neural plasticity processes in charge of the motor learning 5. Planification with a robotic simulator: in this work a robotic simulator is proposed as a planification tool for personalized rehabilitation sessions under a certain clinical criterium. Obtained results indicate that, after the execution of simple parameter selection algorithms, it is possible to automatically choose a specific configuration that makes the assisted-as-needed control algorithm to adapt both to the clinical criteria and to the patient. These results invite researchers to work in the development of more complex parameter selection algorithms departing from simulation batteries Obtained results have been useful to corroborate the hypotheses set out at the beginning of this PhD Thesis. Besides, they have allowed the creation of new research lines in all the studied application fields.

Wireless Optical Communications for Intra-Spacecraft Networks Based on OCDMA with Random Optical Codes

In recent years, spacial agencies have shown a growing interest in optical wireless as an alternative to wired and radio-frequency communications. The use of these techniques for intra-spacecraft communications reduces the effect of take-off acceleration and vibrations on the systems by avoiding the need for rugged connectors and provides a significant mass reduction. Diffuse transmission also eases the design process as terminals can be placed almost anywhere without a tight planification to ensure the proper system behaviour. Previous studies have compared the performance of radio-frequency and infrared optical communications. In an intra-satellite environment optical techniques help reduce EMI related problems, and their main disadvantages - multipath dispersion and the need for line-of-sight - can be neglected due to the reduced cavity size. Channel studies demonstrate that the effect of the channel can be neglected in small environments if data bandwidth is lower than some hundreds of MHz.

Planificación de usabilidad en el desarrollo de una aplicación móvil de microblogging

En la actualidad se ha experimentado un fuerte desarrollo en el campo de los ordenadores, teléfonos móviles y otros dispositivos, que hacen posible que la información sea más accesible para todo el mundo. Además, se han creado nuevas vías por la cual transmitir información, como las redes sociales. En especial, destaca Twitter, que posee millones de usuarios que se conectan cada día. Asimismo, los periodistas reconocen la importancia de Twitter y la facilidad y rapidez que ofrece para publicar información hace que esta red social sea ampliamente usada por muchísimos periodistas. En este contexto es donde se enmarca el proyecto “Red de microblogging para periodistas sobre dispositivos iOS” de la cátedra UPM-­‐El Mundo de comunicación digital que tiene como finalidad encontrar una solución nueva que integre las ventajas que nos proporciona la nueva tecnología, la rapidez y facilidad que tiene escribir algo en Twitter y que el periódico se beneficie de todo esto, así como el periodista que escriba la noticia. Para alcanzar estos objetivos, la usabilidad del sistema que se desarrolle es una parte fundamental, ya que tan importante como es la funcionalidad de un sistema es que los usuarios realmente lo usen y se sientan cómodos con él. Se ha llevado a cabo la planificación de las técnicas de usabilidad a aplicar con ayuda de la herramienta “Usability Planner”, considerando las restricciones concretas que se dan en el proyecto. A continuación se han aplicado las técnicas elegidas de forma integrada con el resto de actividades de desarrollo del proyecto. Entre estas técnicas destaca la realización de una evaluación de usabilidad, que ha mostrado que el producto ha cumplido en gran medida los objetivos de usabilidad establecidos, y los usuarios se han mostrado ampliamente satisfechos con los resultados obtenidos ---ABSTRACT---Nowadays, a strong growth in the field of personal computers, mobile phones and other devices has been experienced. This growth makes the information to be more reachable for everyone. In addition, new ways of transmitting information have been created, such as social networks, especially Twitter, which owns millions of users. Moreover, the journalists recognize the importance of Twitter, and its speed and ease to use and publish information makes Twitter widely used by them. This is the context in which the project “Red de microblogging para periodistas sobre dispositivos iOS” of the cathedra UPM-­‐El Mundo de comunicación digital takes part, whose aim is to find a new solution to incorporate the advantages of the new technology, the speed and the ease of Twitter to allow that newspapers, as well as journalists, are able to take benefit of it. In order to achieve it, the usability of the system which is going to be developed is an essential part, because the functionality of a system is as important as it is that the users really use and feel comfortable with the system. And in the latter is where this work takes part, the design and the evaluation of the usability of the system which is going to be developed. A planification of usability techniques has been performed with the support of the tool “Usability Planner”. There are a wide range of usability techniques and its choice in order to apply them into a project is not an easy task. Furthermore, the chosen techniques have been applied integrated with all the other activities of the project. Finally, a usability evaluation has been executed and it has shown that the established usability objectives have been accomplished and the users are widely satisfied with the project.

El crecimiento, densificación y ordenación de la ciudad difusa en Galicia: desarrollo urbanístico del área urbana de la Ría de Vigo 1990-2010

El área urbana localizada en el contorno de la ría de Vigo se vino comportando hasta finales de los años ochenta del siglo XX como una verdadera "ciudad difusa", entendida la difusión como la forma de urbanización de baja densidad que todavía conserva unas características y una funcionalidad propiamente urbanas, aportadas por la malla tradicional parroquial de caminos y núcleos de población. Esta Tesis demuestra que en el período de veinte años transcurrido entre 1990 y 2010, el área, en la que ya se apreciaban fenómenos de naturaleza metropolitana y policentrismo, experimentó una transformación basada en los factores y formas de urbanización estudiados en otras áreas y ciudades intermedias de similares dimensiones. Para la delimitación del ámbito de estudio se consideraron las diferentes dimensiones y escalas de áreas funcionales utilizadas en distintos estudios y planes territoriales, eligiéndose el que toma como referente principal la Ría de Vigo como soporte de la conurbación polinuclear de su contorno. Para investigar el desarrollo urbanístico operado en el período se estudiaron los factores y formas de urbanización característicos de la urbanización en territorios de baja densidad en esta época, y las variables de densidad es de población y vivienda, primacía y polaridad territorial, ritmos de edificación, planeamiento urbanístico y territorial, actividades económicas, movilidad, desplazamientos residenciatrabajo y vacíos urbanos. Las conclusiones permiten observar como el crecimiento residencial descentralizado, que se ha dado principalmente en el litoral, y la localización periférica de las actividades y dotaciones públicas han introducido elementos de dispersión y fragmentación espacial y social, así como las nuevas y potentes infraestructuras viarias, que han mejorado los desplazamientos a costa de una dependencia abusiva del vehículo privado, y han comenzado a amenazar la sostenibilidad del sistema. La planificación de ordenación territorial a escala metropolitana y el planeamiento urbanístico, que se comenzaron a utilizar con normalidad en esta época, se vislumbran como una oportunidad para reconducir el proceso, integrando los territorios genéricos surgidos entre las nuevas infraestructuras y dotaciones y la malla tradicional, así como los vacíos urbanos susceptibles de compactación, protegiendo aquellos otros vacíos que deben constituir la principal reserva ecológica: Los montes en mano común y la Ría de Vigo. La necesidad de una planificación operativa, sostenible y participativa, que integre la ordenación territorial, la gestión integral de los recursos de la Ría, y articule las diferentes competencias y escalas, la gobernanza , la participación ciudadana y el mercado, se considera la principal conclusión para el futuro. ABSTRACT The urban area located around the Ría de Vigo* used to behave like a “diffused city” until the late 1980s, understanding this difussion as the low-density urbanization that still today exhibits ‘urban’ characteristics and functionality, given by the traditional network of parish paths and town cores. This Thesis shows that during the twenty-year period from 1990 to 2010, this area, which previously showed signals of polycentrism and metropolitan character, started a transformation based on the factors and ways of urbanization studied in other areas and intermediate cities of similar dimensions. In order to demarcate the scope of this study, different dimensions and functional area scales previously used in other studies have been taken into account, choosing the one that takes the Ría de Vigo as the main reference and the basis of the polynuclear conurbation of its surroundings. To research the urban development in this period, factors and ways of urbanization regarding lowdensity territories have been considered, as well as some variables like density of population and housing, territorial primacy and polarity, building rates, territorial planning, economic activities, mobility, home-to-work trips and urban holes. Conclusions allow us to point out how the decentralised residential growing (that occurred mainly on the litoral surface) and the periferic localization of the activities and public facilities, have created elements of “sprawl” and spacial and social fragmentation, which, together with the new and powerfull road infraestructures network (that made the movements easier by means of an abusive dependence on the private vehicle), have started to threaten the sustainability of the system. The planification of the territorial ordinance at metropolitan scale and the urban planning, that in that time started to be established, can be considered as an opportunity to get things back on track, integrating the territories risen up from the new infrastructures and facilities and the traditional network together with the urban holes liable to be compacted, with a special protection of the spaces that must be the main ecological reserve: the communal forests and the Ría de Vigo. The need of a sustainable and participatory operative planification, able to integrate the territory planning, the integral management of resources and the citizen involvement and the market, has to be considered as the main goal for the future.

Gestor de sugerencias

El Gestor de Sugerencias que se desarrolla en este proyecto surge como una necesidad para facilitar la gestión de las ideas de los trabajadores de la planta de FICOSA en Soria, dedicada a la fabricación de componentes de automoción. Este proyecto toma forma dentro del departamento de Mejora Continua de la empresa, en la que trabajan 750 personas. Dada la situación del mercado actual, con varios años consecutivos de descenso de ventas de vehículos en los países occidentales los constructores de automóviles reclaman ajustes de precios constantes, que sólo se pueden obtener con optimización de nuestros recursos y mejoras de los procesos aportando ideas innovadoras y de desarrollo. Este es el objetivo principal de la mejora continua, y la aplicación desarrollada es una herramienta más para conseguirlo. Como parte de la estrategia corporativa de mejora continua citada unas líneas más arriba, basada en teorías mundialmente reconocidas como el método KAIZEN, se identificaron las sugerencias de los empleados como una fuente de valor incalculable para la mejora, ya que a través del conocimiento de la mano de obra directa se pueden identificar más fácil y rápidamente los “desperdicios” de un proceso productivo. Dadas las dimensiones de la planta, dividida en cuatro secciones productivas, y el alto volumen de empleados, se planteó el problema de gestionar las sugerencias de una forma dinámica y simple, surgiendo este proyecto como respuesta a la necesidad de facilitar esta gestión. El proyecto se basa en el desarrollo global de una herramienta automática de gestión de sugerencias de mejora proporcionadas por los trabajadores, de uso sencillo, que sea dinámica, que nos permita centralizar las ideas y tener un resumen de los ahorros que estas sugerencias aportan. El proyecto se inicia con la definición de los objetivos concretos de la herramienta, y su desarrollo, hasta la fase de elaboración de manuales de uso, planificación de formación a todos los empleados, implementación, seguimiento y mejora de la misma. ABSTRACT. The Suggestion Management System developed on this Project arises from the needs to make easier the management of the ideas of the employees of Ficosa Soria production plant, facility dedicated to the production of automotive components of first level. This project has been developed inside the Continuous Improvement Department of Ficosa Soria where works 750 employees. Due to the current situation of the automotive market, with several years of sales decrease on Europe, the OEM´s request continuous price adjustments, these requests can be only obtained with the optimization of our resources and the improvement of our processes including innovative and development ideas. This is the main objective of the continuous improvement, and the application development it is another tool more to get the final objective. As a part of the strategy of continuous improvement mentioned a few lines above, based on the world renowned theories as the method KAIZEN, there was identified the employee suggestion as a very profitable source for the continuous improvement, due to the know-how of the direct labor it could be easier identified the “wastes” of our productive process. Considering the plant dimensions, split in four productive sections, and also considering the number of employees, it was raised the problem of how to manage the suggestions in a very simple and dynamic way, creating this project as an answer to the needs of make easier the management. This project is based on the global development of an automatic tool of suggestion management given by our employees, easy to use, dynamic and allow us to centralize the ideas and to have a summary of the savings that the suggestions gave. The project it is originated with the definition of the concrete objectives of the tool and its development, until the phase of creation use manuals, training planification to all employees, implementation, follow and improvement itself.