Pulmonary Artery-Vein Segmentation in Real and Synthetic CT Images = Segmentación Arteria-Vena Pulmonares en Imágenes de CT Reales y Sintéticas

La tomografía axial computerizada (TAC) es la modalidad de imagen médica preferente para el estudio de enfermedades pulmonares y el análisis de su vasculatura. La segmentación general de vasos en pulmón ha sido abordada en profundidad a lo largo de los últimos años por la comunidad científica que trabaja en el campo de procesamiento de imagen; sin embargo, la diferenciación entre irrigaciones arterial y venosa es aún un problema abierto. De hecho, la separación automática de arterias y venas está considerado como uno de los grandes retos futuros del procesamiento de imágenes biomédicas. La segmentación arteria-vena (AV) permitiría el estudio de ambas irrigaciones por separado, lo cual tendría importantes consecuencias en diferentes escenarios médicos y múltiples enfermedades pulmonares o estados patológicos. Características como la densidad, geometría, topología y tamaño de los vasos sanguíneos podrían ser analizados en enfermedades que conllevan remodelación de la vasculatura pulmonar, haciendo incluso posible el descubrimiento de nuevos biomarcadores específicos que aún hoy en dípermanecen ocultos. Esta diferenciación entre arterias y venas también podría ayudar a la mejora y el desarrollo de métodos de procesamiento de las distintas estructuras pulmonares. Sin embargo, el estudio del efecto de las enfermedades en los árboles arterial y venoso ha sido inviable hasta ahora a pesar de su indudable utilidad. La extrema complejidad de los árboles vasculares del pulmón hace inabordable una separación manual de ambas estructuras en un tiempo realista, fomentando aún más la necesidad de diseñar herramientas automáticas o semiautomáticas para tal objetivo. Pero la ausencia de casos correctamente segmentados y etiquetados conlleva múltiples limitaciones en el desarrollo de sistemas de separación AV, en los cuales son necesarias imágenes de referencia tanto para entrenar como para validar los algoritmos. Por ello, el diseño de imágenes sintéticas de TAC pulmonar podría superar estas dificultades ofreciendo la posibilidad de acceso a una base de datos de casos pseudoreales bajo un entorno restringido y controlado donde cada parte de la imagen (incluyendo arterias y venas) está unívocamente diferenciada. En esta Tesis Doctoral abordamos ambos problemas, los cuales están fuertemente interrelacionados. Primero se describe el diseño de una estrategia para generar, automáticamente, fantomas computacionales de TAC de pulmón en humanos. Partiendo de conocimientos a priori, tanto biológicos como de características de imagen de CT, acerca de la topología y relación entre las distintas estructuras pulmonares, el sistema desarrollado es capaz de generar vías aéreas, arterias y venas pulmonares sintéticas usando métodos de crecimiento iterativo, que posteriormente se unen para formar un pulmón simulado con características realistas. Estos casos sintéticos, junto a imágenes reales de TAC sin contraste, han sido usados en el desarrollo de un método completamente automático de segmentación/separación AV. La estrategia comprende una primera extracción genérica de vasos pulmonares usando partículas espacio-escala, y una posterior clasificación AV de tales partículas mediante el uso de Graph-Cuts (GC) basados en la similitud con arteria o vena (obtenida con algoritmos de aprendizaje automático) y la inclusión de información de conectividad entre partículas. La validación de los fantomas pulmonares se ha llevado a cabo mediante inspección visual y medidas cuantitativas relacionadas con las distribuciones de intensidad, dispersión de estructuras y relación entre arterias y vías aéreas, los cuales muestran una buena correspondencia entre los pulmones reales y los generados sintéticamente. La evaluación del algoritmo de segmentación AV está basada en distintas estrategias de comprobación de la exactitud en la clasificación de vasos, las cuales revelan una adecuada diferenciación entre arterias y venas tanto en los casos reales como en los sintéticos, abriendo así un amplio abanico de posibilidades en el estudio clínico de enfermedades cardiopulmonares y en el desarrollo de metodologías y nuevos algoritmos para el análisis de imágenes pulmonares. ABSTRACT Computed tomography (CT) is the reference image modality for the study of lung diseases and pulmonary vasculature. Lung vessel segmentation has been widely explored by the biomedical image processing community, however, differentiation of arterial from venous irrigations is still an open problem. Indeed, automatic separation of arterial and venous trees has been considered during last years as one of the main future challenges in the field. Artery-Vein (AV) segmentation would be useful in different medical scenarios and multiple pulmonary diseases or pathological states, allowing the study of arterial and venous irrigations separately. Features such as density, geometry, topology and size of vessels could be analyzed in diseases that imply vasculature remodeling, making even possible the discovery of new specific biomarkers that remain hidden nowadays. Differentiation between arteries and veins could also enhance or improve methods processing pulmonary structures. Nevertheless, AV segmentation has been unfeasible until now in clinical routine despite its objective usefulness. The huge complexity of pulmonary vascular trees makes a manual segmentation of both structures unfeasible in realistic time, encouraging the design of automatic or semiautomatic tools to perform the task. However, this lack of proper labeled cases seriously limits in the development of AV segmentation systems, where reference standards are necessary in both algorithm training and validation stages. For that reason, the design of synthetic CT images of the lung could overcome these difficulties by providing a database of pseudorealistic cases in a constrained and controlled scenario where each part of the image (including arteries and veins) is differentiated unequivocally. In this Ph.D. Thesis we address both interrelated problems. First, the design of a complete framework to automatically generate computational CT phantoms of the human lung is described. Starting from biological and imagebased knowledge about the topology and relationships between structures, the system is able to generate synthetic pulmonary arteries, veins, and airways using iterative growth methods that can be merged into a final simulated lung with realistic features. These synthetic cases, together with labeled real CT datasets, have been used as reference for the development of a fully automatic pulmonary AV segmentation/separation method. The approach comprises a vessel extraction stage using scale-space particles and their posterior artery-vein classification using Graph-Cuts (GC) based on arterial/venous similarity scores obtained with a Machine Learning (ML) pre-classification step and particle connectivity information. Validation of pulmonary phantoms from visual examination and quantitative measurements of intensity distributions, dispersion of structures and relationships between pulmonary air and blood flow systems, show good correspondence between real and synthetic lungs. The evaluation of the Artery-Vein (AV) segmentation algorithm, based on different strategies to assess the accuracy of vessel particles classification, reveal accurate differentiation between arteries and vein in both real and synthetic cases that open a huge range of possibilities in the clinical study of cardiopulmonary diseases and the development of methodological approaches for the analysis of pulmonary images.

Modelos numéricos para el estudio de la ventilación en túneles

En túneles con ventilación longitudinal la actuación sobre los ventiladores es fundamental para evitar una catástrofe en caso de accidente con fuego. En este artículo se presentan tres modelos de cálculo que permiten el estudio de estas situaciones.

Design of a remote controlled hovercraft

Este informe trata el diseño, desarrollo y construcción de un aerodeslizador de pequeño tamaño, equipado con control remoto que permite al usuario actuar sobre la velocidad y dirección del mismo. Este proyecto podrá ser utilizado en un futuro como base para el desarrollo de aplicaciones más complejas. Un aerodeslizador es un medio de transporte cuyo chasis se eleva sobre el suelo por medio de un motor impulsor que hincha una falda colocada en la parte inferior del mismo. Además, uno o más motores se colocan en la parte trasera del vehículo para propulsarlo. El hecho de que el aerodeslizador no este en contacto directo con la tierra, hace que pueda moverse tanto por tierra como sobre el agua o hielo y que sea capaz de superar pequeños obstáculos. Por otra parte, este hecho se convierte a su vez en un problema debido a que su fuerza de rozamiento al desplazarse es muy pequeña, lo que provoca que sea muy difícil de frenar, y tienda a girar por sí mismo debido a la inercia del movimiento y a las fuerzas provocadas por las corrientes de aire debajo del chasis. Sin embargo, para este proyecto no se ha colocado una falda debajo del mismo, debido a que su diseño es bastante complicado, por lo tanto la fricción con el suelo es menor, aumentando los problemas detallados con anterioridad. El proyecto consta de dos partes, mando a distancia y aerodeslizador, que se conectan a través de antenas de radiofrecuencia (RF). El diseño y desarrollo de cada una ha sido realizado de manera separada exceptuando la parte de las comunicaciones entre ambas. El mando a distancia se divide en tres partes. La primera está compuesta por la interfaz de usuario y el circuito que genera las señales analógicas correspondientes a sus indicaciones. La interfaz de usuario la conforman tres potenciómetros: uno rotatorio y dos deslizantes. El rotatorio se utiliza para controlar la dirección de giro del aerodeslizador, mientras que cada uno de los deslizantes se emplea para controlar la fuerza del motor impulsor y del propulsor respectivamente. En los tres casos los potenciómetros se colocan en el circuito de manera que actúan como divisores de tensión controlables. La segunda parte se compone de un microcontrolador de la familia PSoC. Esta familia de microcontroladores se caracteriza por tener una gran adaptabilidad a la aplicación en la que se quieran utilizar debido a la posibilidad de elección de los periféricos, tanto analógicos como digitales, que forman parte del microcontrolador. Para el mando a distancia se configura con tres conversores A/D que se encargan de transformar las señales procedentes de los potenciómetros, tres amplificadores programables para trabajar con toda la escala de los conversores, un LCD que se utiliza para depurar el código en C con el que se programa y un módulo SPI que es la interfaz que conecta el microcontrolador con la antena. Además, se utilizan cuatro pines externos para elegir el canal de transmisión de la antena. La tercera parte es el módulo transceptor de radio frecuencia (RF) QFM-TRX1-24G, que en el mando a distancia funciona como transmisor. Éste utiliza codificación Manchester para asegurar bajas tasas de error. Como alimentación para los circuitos del mando a distancia se utilizan cuatro pilas AA de 1,5 voltios en serie. En el aerodeslizador se pueden distinguir cinco partes. La primera es el módulo de comunicaciones, que utiliza el mismo transceptor que en el mando a distancia, pero esta vez funciona como receptor y por lo tanto servirá como entrada de datos al sistema haciendo llegar las instrucciones del usuario. Este módulo se comunica con el siguiente, un microcontrolador de la familia PSoC, a través de una interfaz SPI. En este caso el microcontrolador se configura con: un modulo SPI, un LCD utilizado para depurar el código y tres módulos PWM (2 de 8 bits y uno de 16 bits) para controlar los motores y el servo del aerodeslizador. Además, se utilizan cuatro pines externos para seleccionar el canal de recepción de datos. La tercera y cuarta parte se pueden considerar conjuntamente. Ambas están compuestas por el mismo circuito electrónico basado en transistores MOSFET. A la puerta de cada uno de los transistores llega una señal PWM de 100 kilohercios que proviene del microcontrolador, que se encarga de controlar el modo de funcionamiento de los transistores, que llevan acoplado un disipador de calor para evitar que se quemen. A su vez, los transistores hacen funcionar al dos ventiladores, que actúan como motores, el impulsor y el propulsor del aerodeslizador. La quinta y última parte es un servo estándar para modelismo. El servo está controlado por una señal PWM, en la que la longitud del pulso positivo establece la posición de la cabeza del servo, girando en uno u otra dirección según las instrucciones enviadas desde el mando a distancia por el usuario. Para el aerodeslizador se han utilizado dos fuentes de alimentación diferentes: una compuesta por 4 pilas AA de 1,5 voltios en serie que alimentarán al microcontrolador y al servo, y 4 baterías de litio recargables de 3,2 voltios en serie que alimentan el circuito de los motores. La última parte del proyecto es el montaje y ensamblaje final de los dispositivos. Para el chasis del aerodeslizador se ha utilizado una cubierta rectangular de poli-estireno expandido, habitualmente encontrado en el embalaje de productos frágiles. Este material es bastante ligero y con una alta resistencia a los golpes, por lo que es ideal para el propósito del proyecto. En el chasis se han realizado dos agujeros: uno circular situado en el centro del mismo en el se introduce y se ajusta con pegamento el motor impulsor, y un agujero con la forma del servo, situado en uno del los laterales estrechos del rectángulo, en el que se acopla el mismo. El motor propulsor está adherido al cabezal giratorio del servo de manera que rota a la vez que él, haciendo girar al aerodeslizador. El resto de circuitos electrónicos y las baterías se fijan al chasis mediante cinta adhesiva y pegamento procurando en todo momento repartir el peso de manera homogénea por todo el chasis para aumentar la estabilidad del aerodeslizador. SUMMARY: In this final year project a remote controlled hovercraft was designed using mainly technology that is well known by students in the embedded systems programme. This platform could be used to develop further and more complex projects. The system was developed dividing the work into two parts: remote control and hovercraft. The hardware was of the hovercraft and the remote control was designed separately; however, the software was designed at the same time since it was needed to develop the communication system. The result of the project was a remote control hovercraft which has a user friendly interface. The system was designed based on microprocessor technologies and uses common remote control technologies. The system has been designed with technology commonly used by the students in Metropolia University so that it can be readily understood in order to develop other projects based on this platform.

Túneles urbanos con ventilación longitudinal y trampillas de extracción de humos

La ventilacion de tuneles urbanos presenta algunos problemas singulares especialmente en lo relativo a la evacuacion de humos provocados por un incendio. Generalmente la solucion adoptada es semi-transversal con trampillas de extraccion. Sin embargo en ciertas circunstancias puede ser preciso combinar estas con un sistema longitudinal basado en aceleradores. En este articulo se presenta la primera realizacion de este tipo proyectada en Espana y se describe el sistema de calculo. Se han preparado programas de calculo que permiten el estudio del acoplamiento de la accion de los ventiladores y el trafico. El modelo de trafico utilizado es macroscopico y corresponde a las curvas clasica que relacionan la intensidad, densidad y velocidad. Se extraen conclusiones relativas a la filosofia de actuacion en caso de incendio. Se muestran ecuaciones utilizadas y los graficos con los resultados obtenidos.

Modelos numéricos para estudios de incendio en túneles con ventilación longitudinal

En casos de accidentes severos en túneles se requiere una adecuada estrategia para evitar pérdidas humanas. En túneles con ventilación longitudinal el recurso fundamental es la actuación sobre los ventiladores de chorro para dirigir o concentrar la nube de humo. Las situaciones más comprometidas se presentan en túneles con doble sentido de circulación. En este artículo se presentan varios modelos numéricos de distinta complejidad y coste que permiten el análisis e interpretación de accidentes con fuego. Finamente se muestran ejemplos de aplicación a casos reales, en particular los realizados para los túneles de El Negrón II y Los Yébenes.

Características y problemática de los tabiques de separación entre cantones en sistemas de ventilación de tipo (semi-) transversal

El objetivo principal de la ventilación es garantizar las condiciones de explotación en servicio y de seguridad en caso de incendio en el interior del túnel. En la mayoría de los túneles de una cierta importancia esto se consigue mediante la disposición de instalaciones mecánicas de ventilación que permiten forzar el desplazamiento del aire de la forma deseada. Los principios de funcionamiento que pueden encontrarse en la práctica son muy diversos aunque pueden clasificarse según el comportamiento del aire en el interior del túnel (PIARC, Circular Francesa) o en función de si existen o no elementos de separación entre la zona reservada a la circulación de los vehículos y los conductos de ventilación (Recomendaciones suizas). Siguiendo este último principio de clasificación, los que no presentan losa intermedia son aquellos en los que se emplean aceleradores y/o pozos de ventilación para conseguir las condiciones adecuadas. En cuanto a los sistemas que presentan losa intermedia existen dos principalmente el transversal y el semitransversal. En los sistemas de tipo transversal, durante el funcionamiento en servicio, en un tramo determinado del túnel el aporte de aire fresco es el mismo que el de extracción de tal forma que, en condiciones de igualdad de presión entre sus extremos, no existe corriente longitudinal. En cuanto a la sección transversal, el conducto de aire viciado debe situarse en la parte superior ocupando la sección superior de la bóveda de tal forma que permita la extracción de humos en caso de incendio a través de exutorios. En cambio, el aporte de aire fresco se suele realizar mediante aberturas situadas al nivel de la calzada o en la parte superior (aunque es desaconsejable) alimentadas desde conductos que pueden ir situados bajo la calzada o compartiendo la sección superior, en cuyo caso se dispone un tabique de separación entre ambos. En los sistemas de tipo semitransversal, durante el funcionamiento en servicio, se pretende dar a cada zona del túnel la cantidad de aire fresco necesario para diluir los contaminantes que allí se producen. El aire fresco se introduce a lo largo de todo el túnel a través de una serie de aberturas que comunican un conducto auxiliar situado en un falso techo del túnel. El aire contaminado sale a través de las bocas. Para prevenir el caso de incendio este tipo de ventilación puede estar preparada para invertir el sentido del aire y pasar a una aspiración a lo largo del túnel o en zonas localizadas. En este caso se denomina semitransversal reversible. En el caso de túneles de gran longitud es habitual la subdivisión del túnel en zonas o cantones que son alimentados desde una misma estación de ventilación, para lo que es preciso dividir el conducto de distribución en dos o más partes, quedando una de las secciones destinada a la distribución de aire al interior del túnel y la otra como transición al siguiente cantón. En el caso de sistemas de ventilación de tipo semitransversal reversible cada uno de los conductos puede ser empleado tanto para el aporte de aire fresco (sobrepresión) como la extracción de humos en caso de incendio (subpresión). Si a esto se añade la disposición de sistemas de ventiladores redundantes que permitan el auxilio en caso de fallo de algún equipo, es necesaria la disposición de complejos sistemas de registros para conectar los ventiladores. El tabique de separación entre los conductos se ve por tanto sometido a diferencias de presiones según el modo de funcionamiento, por lo que son precisos distintos escenarios de hipótesis de carga.

Técnicas de evacuación de humos y gases en túneles

La construcción de una red amplia de infraestructuras para una región supone un indudable enriquecimiento. En España, para lograr este objetivo y debido a una orografía considerablemente montañosa, ha sido necesario potenciar la creación de túneles de carretera y ferrocarril aunque solo recientemente se ha comenzado a prestar atención a aspectos considerados secundarios como la seguridad, el mantenimiento o la explotación. En España, afortunadamente, la eterna lucha entre coste y seguridad va decantándose a favor de la segunda en gran parte debido a la presión de la opinión pública, no siempre objetiva ni razonable. El procedimiento habitual para la elección del sistema de ventilación pasa por la definición y posterior estudio de los distintos casos que pueden presentarse en el túnel. En este artículo se hacer referencia a los sistemas de ventilación principal, como son ventilación longitudinal natural, ventilación longitudinal natural con pozo, ventilación longitudinal con ventiladores en pozo, ventilación longitudinal con ventiladores de chorro , ventilación longitudinal en pozo y aceleradores, ventilación semi-transversal con inyección de aire fresco, ventilación transversal total, ventilación pseudo-transversal y sistemas mixtos. Existen otros conjuntos de ventilación a los que se presta a veces menos atención que a los anteriores aunque son fundamentales en el funcionamiento del túnel especialmente para los casos de incendio, como son refugios, nichos y locales técnicos. El ventilador es una turbomáquina que absorbe energía mecánica en el eje y la emplea en transportar gases a unas presiones suficientemente bajas para poder considerarlo incompresible. Los ventiladores se clasifican en función de la dirección del flujo en el rodete como axiales si el flujo sale en la dirección del eje de giro del rodete o centrífugo(de flujo radial) si el flujo sale en dirección normal a aquél. Dentro de los ventiladores axiales existen dos configuraciones diferentes empleadas habitualmente en túneles, los ventiladores axiales de gran potencia y los ventiladores de chorro. El sistema de ventilación depende en gran medida del seguimiento de los parámetros que intervienen en su control para poder intervenir de forma correctiva y preventiva para asegurar el cumplimiento de los niveles de calidad del aire exigidos. Para ello se emplea un numeroso tipo de equipos que permiten monitorizar el comportamiento del túnel. El artículo concluye haciendo referencia a equipamientos de seguridad.

Proactive and reactive thermal aware optimization techniques to minimize the environmental impact of data centers

Los Centros de Datos se encuentran actualmente en cualquier sector de la economía mundial. Están compuestos por miles de servidores, dando servicio a los usuarios de forma global, las 24 horas del día y los 365 días del año. Durante los últimos años, las aplicaciones del ámbito de la e-Ciencia, como la e-Salud o las Ciudades Inteligentes han experimentado un desarrollo muy significativo. La necesidad de manejar de forma eficiente las necesidades de cómputo de aplicaciones de nueva generación, junto con la creciente demanda de recursos en aplicaciones tradicionales, han facilitado el rápido crecimiento y la proliferación de los Centros de Datos. El principal inconveniente de este aumento de capacidad ha sido el rápido y dramático incremento del consumo energético de estas infraestructuras. En 2010, la factura eléctrica de los Centros de Datos representaba el 1.3% del consumo eléctrico mundial. Sólo en el año 2012, el consumo de potencia de los Centros de Datos creció un 63%, alcanzando los 38GW. En 2013 se estimó un crecimiento de otro 17%, hasta llegar a los 43GW. Además, los Centros de Datos son responsables de más del 2% del total de emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. Esta tesis doctoral se enfrenta al problema energético proponiendo técnicas proactivas y reactivas conscientes de la temperatura y de la energía, que contribuyen a tener Centros de Datos más eficientes. Este trabajo desarrolla modelos de energía y utiliza el conocimiento sobre la demanda energética de la carga de trabajo a ejecutar y de los recursos de computación y refrigeración del Centro de Datos para optimizar el consumo. Además, los Centros de Datos son considerados como un elemento crucial dentro del marco de la aplicación ejecutada, optimizando no sólo el consumo del Centro de Datos sino el consumo energético global de la aplicación. Los principales componentes del consumo en los Centros de Datos son la potencia de computación utilizada por los equipos de IT, y la refrigeración necesaria para mantener los servidores dentro de un rango de temperatura de trabajo que asegure su correcto funcionamiento. Debido a la relación cúbica entre la velocidad de los ventiladores y el consumo de los mismos, las soluciones basadas en el sobre-aprovisionamiento de aire frío al servidor generalmente tienen como resultado ineficiencias energéticas. Por otro lado, temperaturas más elevadas en el procesador llevan a un consumo de fugas mayor, debido a la relación exponencial del consumo de fugas con la temperatura. Además, las características de la carga de trabajo y las políticas de asignación de recursos tienen un impacto importante en los balances entre corriente de fugas y consumo de refrigeración. La primera gran contribución de este trabajo es el desarrollo de modelos de potencia y temperatura que permiten describes estos balances entre corriente de fugas y refrigeración; así como la propuesta de estrategias para minimizar el consumo del servidor por medio de la asignación conjunta de refrigeración y carga desde una perspectiva multivariable. Cuando escalamos a nivel del Centro de Datos, observamos un comportamiento similar en términos del balance entre corrientes de fugas y refrigeración. Conforme aumenta la temperatura de la sala, mejora la eficiencia de la refrigeración. Sin embargo, este incremente de la temperatura de sala provoca un aumento en la temperatura de la CPU y, por tanto, también del consumo de fugas. Además, la dinámica de la sala tiene un comportamiento muy desigual, no equilibrado, debido a la asignación de carga y a la heterogeneidad en el equipamiento de IT. La segunda contribución de esta tesis es la propuesta de técnicas de asigación conscientes de la temperatura y heterogeneidad que permiten optimizar conjuntamente la asignación de tareas y refrigeración a los servidores. Estas estrategias necesitan estar respaldadas por modelos flexibles, que puedan trabajar en tiempo real, para describir el sistema desde un nivel de abstracción alto. Dentro del ámbito de las aplicaciones de nueva generación, las decisiones tomadas en el nivel de aplicación pueden tener un impacto dramático en el consumo energético de niveles de abstracción menores, como por ejemplo, en el Centro de Datos. Es importante considerar las relaciones entre todos los agentes computacionales implicados en el problema, de forma que puedan cooperar para conseguir el objetivo común de reducir el coste energético global del sistema. La tercera contribución de esta tesis es el desarrollo de optimizaciones energéticas para la aplicación global por medio de la evaluación de los costes de ejecutar parte del procesado necesario en otros niveles de abstracción, que van desde los nodos hasta el Centro de Datos, por medio de técnicas de balanceo de carga. Como resumen, el trabajo presentado en esta tesis lleva a cabo contribuciones en el modelado y optimización consciente del consumo por fugas y la refrigeración de servidores; el modelado de los Centros de Datos y el desarrollo de políticas de asignación conscientes de la heterogeneidad; y desarrolla mecanismos para la optimización energética de aplicaciones de nueva generación desde varios niveles de abstracción. ABSTRACT Data centers are easily found in every sector of the worldwide economy. They consist of tens of thousands of servers, serving millions of users globally and 24-7. In the last years, e-Science applications such e-Health or Smart Cities have experienced a significant development. The need to deal efficiently with the computational needs of next-generation applications together with the increasing demand for higher resources in traditional applications has facilitated the rapid proliferation and growing of data centers. A drawback to this capacity growth has been the rapid increase of the energy consumption of these facilities. In 2010, data center electricity represented 1.3% of all the electricity use in the world. In year 2012 alone, global data center power demand grew 63% to 38GW. A further rise of 17% to 43GW was estimated in 2013. Moreover, data centers are responsible for more than 2% of total carbon dioxide emissions. This PhD Thesis addresses the energy challenge by proposing proactive and reactive thermal and energy-aware optimization techniques that contribute to place data centers on a more scalable curve. This work develops energy models and uses the knowledge about the energy demand of the workload to be executed and the computational and cooling resources available at data center to optimize energy consumption. Moreover, data centers are considered as a crucial element within their application framework, optimizing not only the energy consumption of the facility, but the global energy consumption of the application. The main contributors to the energy consumption in a data center are the computing power drawn by IT equipment and the cooling power needed to keep the servers within a certain temperature range that ensures safe operation. Because of the cubic relation of fan power with fan speed, solutions based on over-provisioning cold air into the server usually lead to inefficiencies. On the other hand, higher chip temperatures lead to higher leakage power because of the exponential dependence of leakage on temperature. Moreover, workload characteristics as well as allocation policies also have an important impact on the leakage-cooling tradeoffs. The first key contribution of this work is the development of power and temperature models that accurately describe the leakage-cooling tradeoffs at the server level, and the proposal of strategies to minimize server energy via joint cooling and workload management from a multivariate perspective. When scaling to the data center level, a similar behavior in terms of leakage-temperature tradeoffs can be observed. As room temperature raises, the efficiency of data room cooling units improves. However, as we increase room temperature, CPU temperature raises and so does leakage power. Moreover, the thermal dynamics of a data room exhibit unbalanced patterns due to both the workload allocation and the heterogeneity of computing equipment. The second main contribution is the proposal of thermal- and heterogeneity-aware workload management techniques that jointly optimize the allocation of computation and cooling to servers. These strategies need to be backed up by flexible room level models, able to work on runtime, that describe the system from a high level perspective. Within the framework of next-generation applications, decisions taken at this scope can have a dramatical impact on the energy consumption of lower abstraction levels, i.e. the data center facility. It is important to consider the relationships between all the computational agents involved in the problem, so that they can cooperate to achieve the common goal of reducing energy in the overall system. The third main contribution is the energy optimization of the overall application by evaluating the energy costs of performing part of the processing in any of the different abstraction layers, from the node to the data center, via workload management and off-loading techniques. In summary, the work presented in this PhD Thesis, makes contributions on leakage and cooling aware server modeling and optimization, data center thermal modeling and heterogeneityaware data center resource allocation, and develops mechanisms for the energy optimization for next-generation applications from a multi-layer perspective.