Geotechnical Analysis of Contaminated Sand by Light Non-Aquous Phase Liquids

Contaminated soil reuse was investigated, with higher profusion, throughout the early 90’s, coinciding with the 1991 Gulf War, when efforts to amend large crude oil releases began in geotechnical assessment of contaminated soils. Isolated works referring to geotechnical testing with hydrocarbon ground contaminants are described in the state-of-the-art, which have been extended to other type of contaminated soil references. Contaminated soils by light non-aquous phase liquids (LNAPL) bearing capacity reduction has been previously investigated from a forensic point of view. To date, all the research works have been published based on the assumption of constant contaminant saturation for the entire soil mass. In contrast, the actual LNAPLs distribution plumes exhibit complex flow patterns which are subject to physical and chemical changes with time and distance travelled from the release source. This aspect has been considered along the present text. A typical Madrid arkosic soil formation is commonly known as Miga sand. Geotechnical tests have been carried out, with Miga sand specimens, in incremental series of LNAPL concentrations in order to observe the soil engineering properties variation due to a contamination increase. Results are discussed in relation with previous studies and as a matter of fact, soil mechanics parameters change in the presence of LNAPL, showing different tendencies according to each test and depending on the LNAPL content, as well as to the specimen’s initially planned relative density, dense or loose. Geotechnical practical implications are also commented on and analyzed. Variation on geotechnical properties may occur only within the external contour of contamination distribution plume. This scope has motivated the author to develop a physical model based on transparent soil technology. The model aims to reproduce the distribution of LNAPL into the ground due to an accidental release from a storage facility. Preliminary results indicate that the model is a potentially complementary tool for hydrogeological applications, site-characterization and remediation treatment testing within the framework of soil pollution events. A description of the test setup of an innovative three dimensional physical model for the flow of two or more phases, in porous media, is presented herein, along with a summary of the advantages, limitations and future applications for modeling with transparent material. En los primeros años de la década de los años 90, del siglo pasado, coincidiendo con la Guerra del Golfo en 1991, se investigó intensamente sobre la reutilización de suelos afectados por grandes volúmenes de vertidos de crudo, fomentándose la evaluación geotécnica de los suelos contaminados. Se describen, en el estado del arte de esta tésis, una serie de trabajos aislados en relación con la caracterización geotécnica de suelos contaminados con hidrocarburos, descripción ampliada mediante referencias relacionadas con otros tipos de contaminación de suelos. Existen estudios previos de patología de cimentaciones que analizan la reducción de la capacidad portante de suelos contaminados por hidrocarburos líquidos ligeros en fase no acuosa (acrónimo en inglés: LNAPL de “Liquid Non-Aquous Phase Liquid”). A fecha de redacción de la tesis, todas las publicaciones anteriores estaban basadas en la consideración de una saturación del contaminante constante en toda la extensión del terreno de cimentación. La distribución real de las plumas de contaminante muestra, por el contrario, complejas trayectorias de flujo que están sujetas a cambios físico-químicos en función del tiempo y la distancia recorrida desde su origen de vertido. Éste aspecto ha sido considerado y tratado en el presente texto. La arena de Miga es una formación geológica típica de Madrid. En el ámbito de esta tesis se han desarrollado ensayos geotécnicos con series de muestras de arena de Miga contaminadas con distintas concentraciones de LNAPL con el objeto de estimar la variación de sus propiedades geotécnicas debido a un incremento de contaminación. Se ha realizado una evaluación de resultados de los ensayos en comparación con otros estudios previamente analizados, resultando que las propiedades mecánicas del suelo, efectivamente, varían en función del contenido de LNAPL y de la densidad relativa con la que se prepare la muestra, densa o floja. Se analizan y comentan las implicaciones de carácter práctico que supone la mencionada variación de propiedades geotécnicas. El autor ha desarrollado un modelo físico basado en la tecnología de suelos transparentes, considerando que las variaciones de propiedades geotécnicas únicamente deben producirse en el ámbito interior del contorno de la pluma contaminante. El objeto del modelo es el de reproducir la distribución de un LNAPL en un terreno dado, causada por el vertido accidental de una instalación de almecenamiento de combustible. Los resultados preliminares indican que el modelo podría emplearse como una herramienta complementaria para el estudio de eventos contaminantes, permitiendo el desarrollo de aplicaciones de carácter hidrogeológico, caracterización de suelos contaminados y experimentación de tratamientos de remediación. Como aportación de carácter innovadora, se presenta y describe un modelo físico tridimensional de flujo de dos o más fases a través de un medio poroso transparente, analizándose sus ventajas e inconvenientes así como sus limitaciones y futuras aplicaciones.

Self-adaptive grids for noise mapping refinement

Noise maps are usually represented as contour or isolines maps describing the sound levels in a region. Using this kind of representation the user can easily find the noise level assigned to every location in the map. But the acoustic calculations behind the map are not performed for every single location on it; they are only performed in a grid of receivers. The results in this calculation grid are interpolated to draw the isolines or contours. Therefore, the resolution of the calculation grid and the way it was created (rectangular, triangulated, random…) have an effect on the resulting map. In this paper we describe a smart iterative procedure to optimize the quality of the map at a really low additional computational cost, using self-adaptive grids for the acoustic calculations. These self-adaptive grids add new receivers to the sampling grid in those locations where they are expected to be more useful, so that the performance at the output of the interpolator is enhanced. Self-adaptive sampling grids can be used for minimizing the overall error of the map (improving its quality), or for reducing calculation times, and can be also applied selectively to target areas or contour lines. This can be done by the user customizing the maximum number of iterations, the number of new receivers for each iteration, the target isolines, the target quality…

Level Set Segmentation with Shape and Appearance Models Using Affine Moment Descriptors

We propose a level set based variational approach that incorporates shape priors into edge-based and region-based models. The evolution of the active contour depends on local and global information. It has been implemented using an efficient narrow band technique. For each boundary pixel we calculate its dynamic according to its gray level, the neighborhood and geometric properties established by training shapes. We also propose a criterion for shape aligning based on affine transformation using an image normalization procedure. Finally, we illustrate the benefits of the our approach on the liver segmentation from CT images.

Segmentación de la glotis en imágenes laríngeas usando snakes.

El presente trabajo describe una nueva metodología para la detección automática del espacio glotal de imágenes laríngeas tomadas a partir de 15 vídeos grabados por el servicio ORL del hospital Gregorio Marañón de Madrid con luz estroboscópica. El sistema desarrollado está basado en el modelo de contornos activos (snake). El algoritmo combina en el pre-procesado, algunas técnicas tradicionales (umbralización y filtro de mediana) con técnicas más sofisticadas tales como filtrado anisotrópico. De esta forma, se obtiene una imagen apropiada para el uso de las snakes. El valor escogido para el umbral es del 85% del pico máximo del histograma de la imagen; sobre este valor la información de los píxeles no es relevante. El filtro anisotrópico permite distinguir dos niveles de intensidad, uno es el fondo y el otro es la glotis. La inicialización se basa en obtener el módulo del campo GVF; de esta manera se asegura un proceso automático para la selección del contorno inicial. El rendimiento del algoritmo se valida usando los coeficientes de Pratt y se compara contra una segmentación realizada manualmente y otro método automático basado en la transformada de watershed. SUMMARY: The present work describes a new methodology for the automatic detection of the glottal space from laryngeal images taken from 15 videos recorded by the ENT service of the Gregorio Marañon Hospital in Madrid with videostroboscopic equipment. The system is based on active contour models (snakes). The algorithm combines for the pre-processing, some traditional techniques (thresholding and median filter) with more sophisticated techniques such as anisotropic filtering. In this way, we obtain an appropriate image for the use of snake. The value selected for the threshold is 85% of the maximum peak of the image histogram; over this point the information of the pixels is not relevant. The anisotropic filter permits to distinguish two intensity levels, one is the background and the other one is the glottis. The initialization is based on the obtained magnitude by GVF field; in this manner an automatic process for the initial contour selection will be assured. The performance of the algorithm is tested using the Pratt coefficient and compared against a manual segmentation and another automatic method based on the watershed transformation.

Optimización de la producción de la fase de avance en el túnel de Seiró (Ourense)

Este proyecto desarrolla una metodología de toma de datos y análisis para la optimización de la producción de la fase de avance de construcción del túnel de Seiró. Este túnel forma parte de las obras de construcción de la línea ferroviaria de alta velocidad corredor norte-noroeste a su paso por la provincia de Ourense. Mediante el análisis de diversos parámetros del diseño de la voladura, en la construcción de un túnel de 73 m2 de sección, en roca granítica, se pretende optimizar el tiempo de ciclo de excavación. Se estudia la variación de la fragmentación, el contorno y el avance obtenido y la influencia sobre estos parámetros del esquema de tiro y el tipo de cuele empleados y sus repercusiones en el tiempo de ciclo. El resultado del análisis concluye que el esquema de tiro óptimo, entre los usados, está formado por 112 barrenos de 51 mm de diámetro, con un cuele de 4 barrenos vacíos, que da lugar a mejores resultados de avance, contorno y fragmentación sin afectar negativamente al tiempo de ciclo. ABSTRACT This project develops a methodology for excavation cycle optimization by collecting and analyzing operational data for Seiró Tunnel construction site. This tunnel is included in construction project of high speed railway, located in N-NW direction, in Ourense province. Analyzing several blasting design parameters from the construction of a 73 m2 tunnel, in granitic rock, allows the optimization of cycle time. Variations in fragmentation, contour and advance length and influence about those parameters from blasting design und cut type used and its impact in the cycle time. Analysis results show up the best blasting design, among used, is formed of 112 holes 51 mm diameter, and a parallel cut with 4 empty holes. This configuration achieves the best fragmentation, contour and advance length without negative effects in time cycle

Diseño, optimización y análisis de sistemas basados en técnicas láser, para el modelado geométrico, registro y documentación, aplicados a entidades de interés patrimonial.

El objetivo de la presente tesis doctoral es el desarrollo e implementación de un sistema para mejorar la metodología de extracción de la información geométrica necesaria asociada a los procesos de documentación de entidades de interés patrimonial, a partir de la información proporcionada por el empleo de sensores láser, tanto aéreos como terrestres. Para ello, inicialmente se realiza una presentación y justificación de los antecedentes y la problemática en el registro de información geométrica para el patrimonio, detallando todos aquellos sistemas de registro y análisis de la información geométrica utilizados en la actualidad. Este análisis permitirá realizar la comparación con los sistemas de registro basados en técnicas láser, aportando sugerencias de utilización para cada caso concreto. Posteriormente, se detallan los sistemas de registro basados en técnicas láser, comenzando por los sensores aerotransportados y concluyendo con el análisis pormenorizado de los sensores terrestres, tanto en su aplicación en modo estático como móvil. Se exponen las características técnicas y funcionamiento de cada uno de ellos, así como los ámbitos de aplicación y productos generados. Se analizan las fuentes de error que determinan la precisión que puede alcanzar el sistema. Tras la exposición de las características de los sistemas LiDAR, se detallan los procesos a realizar con los datos extraídos para poder generar la información necesaria para los diferentes tipos de objetos analizados. En esta exposición, se hace hincapié en los posibles riesgos que pueden ocurrir en algunas fases delicadas y se analizarán los diferentes algoritmos de filtrado y clasificación de los puntos, fundamentales en el procesamiento de la información LiDAR. Seguidamente, se propone una alternativa para optimizar los modelos de procesamiento existentes, basándose en el desarrollo de algoritmos nuevos y herramientas informáticas que mejoran el rendimiento en la gestión de la información LiDAR. En la implementación, se han tenido en cuenta características y necesidades particulares de la documentación de entidades de interés patrimonial, así como los diferentes ámbitos de utilización del LiDAR, tanto aéreo como terrestre. El resultado es un organigrama de las tareas a realizar desde la nube de puntos LiDAR hasta el cálculo de los modelos digitales del terreno y de superficies. Para llevar a cabo esta propuesta, se han desarrollado hasta 19 algoritmos diferentes que comprenden implementaciones para el modelado en 2.5D y 3D, visualización, edición, filtrado y clasificación de datos LiDAR, incorporación de información de sensores pasivos y cálculo de mapas derivados, tanto raster como vectoriales, como pueden ser mapas de curvas de nivel y ortofotos. Finalmente, para dar validez y consistencia a los desarrollos propuestos, se han realizado ensayos en diferentes escenarios posibles en un proceso de documentación del patrimonio y que abarcan desde proyectos con sensores aerotransportados, proyectos con sensores terrestres estáticos a media y corta distancia, así como un proyecto con un sensor terrestre móvil. Estos ensayos han permitido definir los diferentes parámetros necesarios para el adecuado funcionamiento de los algoritmos propuestos. Asimismo, se han realizado pruebas objetivas expuestas por la ISPRS para la evaluación y comparación del funcionamiento de algoritmos de clasificación LiDAR. Estas pruebas han permitido extraer datos de rendimiento y efectividad del algoritmo de clasificación presentado, permitiendo su comparación con otros algoritmos de prestigio existentes. Los resultados obtenidos han constatado el funcionamiento satisfactorio de la herramienta. Esta tesis está enmarcada dentro del proyecto Consolider-Ingenio 2010: “Programa de investigación en tecnologías para la valoración y conservación del patrimonio cultural” (ref. CSD2007-00058) realizado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas y la Universidad Politécnica de Madrid. ABSTRACT: The goal of this thesis is the design, development and implementation of a system to improve the extraction of useful geometric information in Heritage documentation processes. This system is based on information provided by laser sensors, both aerial and terrestrial. Firstly, a presentation of recording geometric information for Heritage processes is done. Then, a justification of the background and problems is done too. Here, current systems for recording and analyzing the geometric information are studied. This analysis will perform the comparison with the laser system techniques, providing suggestions of use for each specific case. Next, recording systems based on laser techniques are detailed. This study starts with airborne sensors and ends with terrestrial ones, both in static and mobile application. The technical characteristics and operation of each of them are described, as well as the areas of application and generated products. Error sources are also analyzed in order to know the precision this technology can achieve. Following the presentation of the LiDAR system characteristics, the processes to generate the required information for different types of scanned objects are described; the emphasis is on the potential risks that some steps can produce. Moreover different filtering and classification algorithms are analyzed, because of their main role in LiDAR processing. Then, an alternative to optimize existing processing models is proposed. It is based on the development of new algorithms and tools that improve the performance in LiDAR data management. In this implementation, characteristics and needs of the documentation of Heritage entities have been taken into account. Besides, different areas of use of LiDAR are considered, both air and terrestrial. The result is a flowchart of tasks from the LiDAR point cloud to the calculation of digital terrain models and digital surface models. Up to 19 different algorithms have been developed to implement this proposal. These algorithms include implementations for 2.5D and 3D modeling, viewing, editing, filtering and classification of LiDAR data, incorporating information from passive sensors and calculation of derived maps, both raster and vector, such as contour maps and orthophotos. Finally, in order to validate and give consistency to the proposed developments, tests in different cases have been executed. These tests have been selected to cover different possible scenarios in the Heritage documentation process. They include from projects with airborne sensors, static terrestrial sensors (medium and short distances) to mobile terrestrial sensor projects. These tests have helped to define the different parameters necessary for the appropriate functioning of the proposed algorithms. Furthermore, proposed tests from ISPRS have been tested. These tests have allowed evaluating the LiDAR classification algorithm performance and comparing it to others. Therefore, they have made feasible to obtain performance data and effectiveness of the developed classification algorithm. The results have confirmed the reliability of the tool. This investigation is framed within Consolider-Ingenio 2010 project titled “Programa de investigación en tecnologías para la valoración y conservación del patrimonio cultural” (ref. CSD2007-00058) by Consejo Superior de Investigaciones Científicas and Universidad Politécnica de Madrid.

Seismic Activity Rates in the Iberian Peninsula

Evaluating the seismic hazard requires establishing a distribution of the seismic activity rate, irrespective of the methodology used in the evaluation. In practice, how that activity rate is established tends to be the main difference between the various evaluation methods. The traditional procedure relies on a seismogenic zonation and the Gutenberg-Richter (GR) hypothesis. Competing zonations are often compared looking only at the geometry of the zones, but the resulting activity rate is affected by both geometry and the values assigned to the GR parameters. Contour plots can be used for conducting more meaningful comparisons, providing the GR parameters are suitably normalised. More recent approaches for establishing the seismic activity rate forego the use of zones and GR statistics and special attention is paid here to such procedures. The paper presents comparisons between the local activity rates that result for the complete Iberian Peninsula using kernel estimators as well as two seismogenic zonations. It is concluded that the smooth variation of the seismic activity rate produced by zoneless methods is more realistic than the stepwise changes associated with zoned approaches; moreover, the choice of zonation often has a stronger influence on the results than its fairly subjective origin would warrant. It is also observed that the activity rate derived from the kernel approach, related with the GR parameter “a”, is qualitatively consistent with the epicentres in the catalogue. Finally, when comparing alternative zonations it is not just their geometry but the distribution of activity rate that should be compared.

Propuesta de metodología de trabajo para la obtención de cartografía a partir de datos LiDAR registrados en una zona rústica.

Tras la llegada de la medición mediante LiDAR, la obtención de cartografía se ha visto facilitada, obteniendo modelos digitales con gran rapidez y precisión. No obstante, para poder tratar la gran cantidad de información registrada, se necesita emplear un conjunto de algoritmos que permita extraer los detalles importantes y necesarios de la zona registrada. Por ello, se presenta este trabajo donde se expondrá una metodología de actuación para obtener cartografía a escala 1/1000 de una zona rústica, basada en el cálculo de mapas de curvas de nivel y ortofotografías, generadas a partir de los MDT y MDS de la zona. Todas las pruebas se han realizado mediante el software MDTopX. Abstract: After the arrival of the LiDAR measurement, mapping has been facilitated, obtaining digital models very quickly and accurately. However, in order to manage the great amount of recorded information, a set of algorithms is required which allows the extracting of important and necessary details of the recorded area. Therefore, a methodology is presented for mapping at 1/1000 scale of a rural area, based on contour maps and orthophotos, generated from the DTM and DSM of the area. All tests were performed using MDTopX software.

Mejoras en el procesamiento de imágenes de TC para el tratamiento con radioterapia adaptativa del cáncer de próstata

El cáncer de próstata es el tipo de cáncer con mayor prevalencia entre los hombres del mundo occidental y, pese a tener una alta tasa de supervivencia relativa, es la segunda mayor causa de muerte por cáncer en este sector de la población. El tratamiento de elección frente al cáncer de próstata es, en la mayoría de los casos, la radioterapia externa. Las técnicas más modernas de radioterapia externa, como la radioterapia modulada en intensidad, permiten incrementar la dosis en el tumor mientras se reduce la dosis en el tejido sano. Sin embargo, la localización del volumen objetivo varía con el día de tratamiento, y se requieren movimientos muy pequeños de los órganos para sacar partes del volumen objetivo fuera de la región terapéutica, o para introducir tejidos sanos críticos dentro. Para evitar esto se han desarrollado técnicas más avanzadas, como la radioterapia guiada por imagen, que se define por un manejo más preciso de los movimientos internos mediante una adaptación de la planificación del tratamiento basada en la información anatómica obtenida de imágenes de tomografía computarizada (TC) previas a la sesión terapéutica. Además, la radioterapia adaptativa añade la información dosimétrica de las fracciones previas a la información anatómica. Uno de los fundamentos de la radioterapia adaptativa es el registro deformable de imágenes, de gran utilidad a la hora de modelar los desplazamientos y deformaciones de los órganos internos. Sin embargo, su utilización conlleva nuevos retos científico-tecnológicos en el procesamiento de imágenes, principalmente asociados a la variabilidad de los órganos, tanto en localización como en apariencia. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar los procesos clínicos de delineación automática de contornos y de cálculo de dosis acumulada para la planificación y monitorización de tratamientos con radioterapia adaptativa, a partir de nuevos métodos de procesamiento de imágenes de TC (1) en presencia de contrastes variables, y (2) cambios de apariencia del recto. Además, se pretende (3) proveer de herramientas para la evaluación de la calidad de los contornos obtenidos en el caso del gross tumor volumen (GTV). Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son las siguientes: _ 1. La adaptación, implementación y evaluación de un algoritmo de registro basado en el flujo óptico de la fase de la imagen como herramienta para el cálculo de transformaciones no-rígidas en presencia de cambios de intensidad, y su aplicabilidad a tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata con uso de agentes de contraste radiológico. Los resultados demuestran que el algoritmo seleccionado presenta mejores resultados cualitativos en presencia de contraste radiológico en la vejiga, y no distorsiona la imagen forzando deformaciones poco realistas. 2. La definición, desarrollo y validación de un nuevo método de enmascaramiento de los contenidos del recto (MER), y la evaluación de su influencia en el procedimiento de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Las segmentaciones obtenidas mediante el MER para la creación de máscaras homogéneas en las imágenes de sesión permiten mejorar sensiblemente los resultados de los algoritmos de registro en la región rectal. Así, el uso de la metodología propuesta incrementa el índice de volumen solapado entre los contornos manuales y automáticos del recto hasta un valor del 89%, cercano a los resultados obtenidos usando máscaras manuales para el registro de las dos imágenes. De esta manera se pueden corregir tanto el cálculo de los nuevos contornos como el cálculo de la dosis acumulada. 3. La definición de una metodología de evaluación de la calidad de los contornos del GTV, que permite la representación de la distribución espacial del error, adaptándola a volúmenes no-convexos como el formado por la próstata y las vesículas seminales. Dicha metodología de evaluación, basada en un nuevo algoritmo de reconstrucción tridimensional y una nueva métrica de cuantificación, presenta resultados precisos con una gran resolución espacial en un tiempo despreciable frente al tiempo de registro. Esta nueva metodología puede ser una herramienta útil para la comparación de distintos algoritmos de registro deformable orientados a la radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como cimiento de futuros avances en el procesamiento de imagen médica en los tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Asimismo, se siguen abriendo nuevas líneas de aplicación futura de métodos de procesamiento de imágenes médicas con el fin de mejorar los procesos de radioterapia adaptativa en presencia de cambios de apariencia de los órganos, e incrementar la seguridad del paciente. I.2 Inglés Prostate cancer is the most prevalent cancer amongst men in the Western world and, despite having a relatively high survival rate, is the second leading cause of cancer death in this sector of the population. The treatment of choice against prostate cancer is, in most cases, external beam radiation therapy. The most modern techniques of external radiotherapy, as intensity modulated radiotherapy, allow increasing the dose to the tumor whilst reducing the dose to healthy tissue. However, the location of the target volume varies with the day of treatment, and very small movements of the organs are required to pull out parts of the target volume outside the therapeutic region, or to introduce critical healthy tissues inside. Advanced techniques, such as the image-guided radiotherapy (IGRT), have been developed to avoid this. IGRT is defined by more precise handling of internal movements by adapting treatment planning based on the anatomical information obtained from computed tomography (CT) images prior to the therapy session. Moreover, the adaptive radiotherapy adds dosimetric information of previous fractions to the anatomical information. One of the fundamentals of adaptive radiotherapy is deformable image registration, very useful when modeling the displacements and deformations of the internal organs. However, its use brings new scientific and technological challenges in image processing, mainly associated to the variability of the organs, both in location and appearance. The aim of this thesis is to improve clinical processes of automatic contour delineation and cumulative dose calculation for planning and monitoring of adaptive radiotherapy treatments, based on new methods of CT image processing (1) in the presence of varying contrasts, and (2) rectum appearance changes. It also aims (3) to provide tools for assessing the quality of contours obtained in the case of gross tumor volume (GTV). The main contributions of this PhD thesis are as follows: 1. The adaptation, implementation and evaluation of a registration algorithm based on the optical flow of the image phase as a tool for the calculation of non-rigid transformations in the presence of intensity changes, and its applicability to adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer with use of radiological contrast agents. The results demonstrate that the selected algorithm shows better qualitative results in the presence of radiological contrast agents in the urinary bladder, and does not distort the image forcing unrealistic deformations. 2. The definition, development and validation of a new method for masking the contents of the rectum (MER, Spanish acronym), and assessing their impact on the process of adaptive radiotherapy in prostate cancer. The segmentations obtained by the MER for the creation of homogenous masks in the session CT images can improve significantly the results of registration algorithms in the rectal region. Thus, the use of the proposed methodology increases the volume overlap index between manual and automatic contours of the rectum to a value of 89%, close to the results obtained using manual masks for both images. In this way, both the calculation of new contours and the calculation of the accumulated dose can be corrected. 3. The definition of a methodology for assessing the quality of the contours of the GTV, which allows the representation of the spatial distribution of the error, adapting it to non-convex volumes such as that formed by the prostate and seminal vesicles. Said evaluation methodology, based on a new three-dimensional reconstruction algorithm and a new quantification metric, presents accurate results with high spatial resolution in a time negligible compared to the registration time. This new approach may be a useful tool to compare different deformable registration algorithms oriented to adaptive radiotherapy in prostate cancer In conclusion, this PhD thesis corroborates the postulated research hypotheses, and is intended to serve as a foundation for future advances in medical image processing in adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer. In addition, it opens new future applications for medical image processing methods aimed at improving the adaptive radiotherapy processes in the presence of organ’s appearance changes, and increase the patient safety.

Contribución al desarrollo de técnicas CAD para el diseño de antenas impresas y dispositivos pasivos de microondas basadas en el método de elementos finitos

El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de herramientas numéricas basadas en técnicas de onda completa para el diseño asistido por ordenador (Computer-Aided Design,‘CAD’) de dispositivos de microondas. En este contexto, se desarrolla una herramienta numérica basada en el método de los elementos finitos para el diseño y análisis de antenas impresas mediante algoritmos de optimización. Esta técnica consiste en dividir el análisis de una antena en dos partes. Una parte de análisis 3D que se realiza sólo una vez en cada punto de frecuencia de la banda de funcionamiento donde se sustituye una superficie que contiene la metalización del parche por puertas artificiales. En una segunda parte se inserta entre las puertas artificiales en la estructura 3D la superficie soportando una metalización y se procede un análisis 2D para caracterizar el comportamiento de la antena. La técnica propuesta en esta tesis se puede implementar en un algoritmo de optimización para definir el perfil de la antena que permite conseguir los objetivos del diseño. Se valida experimentalmente dicha técnica empleándola en el diseño de antenas impresas de banda ancha para diferentes aplicaciones mediante la optimización del perfil de los parches. También, se desarrolla en esta tesis un procedimiento basado en el método de descomposición de dominio y el método de los elementos finitos para el diseño de dispositivos pasivos de microonda. Se utiliza este procedimiento en particular para el diseño y sintonía de filtros de microondas. En la primera etapa de su aplicación se divide la estructura que se quiere analizar en subdominios aplicando el método de descomposición de dominio, este proceso permite analizar cada segmento por separado utilizando el método de análisis adecuado dado que suele haber subdominios que se pueden analizar mediante métodos analíticos por lo que el tiempo de análisis es más reducido. Se utilizan métodos numéricos para analizar los subdominios que no se pueden analizar mediante métodos analíticos. En esta tesis, se utiliza el método de los elementos finitos para llevar a cabo el análisis. Además de la descomposición de dominio, se aplica un proceso de barrido en frecuencia para reducir los tiempos del análisis. Como método de orden reducido se utiliza la técnica de bases reducidas. Se ha utilizado este procedimiento para diseñar y sintonizar varios ejemplos de filtros con el fin de comprobar la validez de dicho procedimiento. Los resultados obtenidos demuestran la utilidad de este procedimiento y confirman su rigurosidad, precisión y eficiencia en el diseño de filtros de microondas. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of numerical tools based on full-wave techniques for computer-aided design ‘CAD’ of microwave devices. In this context, a numerical technique based on the finite element method ‘FEM’ for the design and analysis of printed antennas using optimization algorithms has been developed. The proposed technique consists in dividing the analysis of the antenna in two stages. In the first stage, the regions of the antenna which do not need to be modified during the CAD process are initially characterized only once from their corresponding matrix transfer function (Generalized Admittance matrix, ‘GAM’). The regions which will be modified are defined as artificial ports, precisely the regions which will contain the conducting surfaces of the printed antenna. In a second stage, the contour shape of the conducting surfaces of the printed antenna is iteratively modified in order to achieve a desired electromagnetic performance of the antenna. In this way, a new GAM of the radiating device which takes into account each printed antenna shape is computed after each iteration. The proposed technique can be implemented with a genetic algorithm to achieve the design objectives. This technique is validated experimentally and applied to the design of wideband printed antennas for different applications by optimizing the shape of the radiating device. In addition, a procedure based on the domain decomposition method and the finite element method has been developed for the design of microwave passive devices. In particular, this procedure can be applied to the design and tune of microwave filters. In the first stage of its implementation, the structure to be analyzed is divided into subdomains using the domain decomposition method; this process allows each subdomains can be analyzed separately using suitable analysis method, since there is usually subdomains that can be analyzed by analytical methods so that the time of analysis is reduced. For analyzing the subdomains that cannot be analyzed by analytical methods, we use the numerical methods. In this thesis, the FEM is used to carry out the analysis. Furthermore the decomposition of the domain, a frequency sweep process is applied to reduce analysis times. The reduced order model as the reduced basis technique is used in this procedure. This procedure is applied to the design and tune of several examples of microwave filters in order to check its validity. The obtained results allow concluding the usefulness of this procedure and confirming their thoroughness, accuracy and efficiency for the design of microwave filters.

El problema isostático inverso de Vening Meinesz. Teoría y desarrollo. Aplicación práctica para la determinación de la profundidad de la discontinuidad de Mohorovičić en la Península Ibérica

La discontinuidad de Mohorovičić, más conocida simplemente como “Moho” constituye la superficie de separación entre los materiales rocosos menos densos de la corteza y los materiales rocosos más densos del manto, suponiendo estas capas de densidad constante del orden de 2.67 y 3.27 g/cm3, y es un contorno básico para cualquier estudio geofísico de la corteza terrestre. Los estudios sísmicos y gravimétricos realizados demuestran que la profundidad del Moho es del orden de 30-40 km por debajo de la Península Ibérica y 5-15 km bajo las zonas marinas. Además las distintas técnicas existentes muestran gran correlación en los resultados. Haciendo la suposición de que el campo de gravedad de la Península Ibérica (como le ocurre al 90% de la Tierra) está isostáticamente compensado por la variable profundidad del Moho, suponiendo un contraste de densidad constante entre la corteza y el manto y siguiendo el modelo isostático de Vening Meinesz (1931), se formula el problema isostático inverso para obtener tal profundidad a partir de la anomalía Bouguer de la gravedad calculada gracias a la gravedad observada en la superficie terrestre. La particularidad de este modelo es la compensación isostática regional de la que parte la teoría, que se asemeja a la realidad en mayor medida que otros modelos existentes, como el de Airy-Heiskanen, que ha sido históricamente el más utilizado en trabajos semejantes. Además, su solución está relacionada con el campo de gravedad global para toda la Tierra, por lo que los actuales modelos gravitacionales, la mayoría derivados de observaciones satelitales, deberían ser importantes fuentes de información para nuestra solución. El objetivo de esta tesis es el estudio con detalle de este método, desarrollado por Helmut Moritz en 1990, que desde entonces ha tenido poca evolución y seguidores y que nunca se ha puesto en práctica en la Península Ibérica. Después de tratar su teoría, desarrollo y aspectos computacionales, se está en posición de obtener un modelo digital del Moho para esta zona a fin de poder utilizarse para el estudio de la distribución de masas bajo la superficie terrestre. A partir de los datos del Moho obtenidos por métodos alternativos se hará una comparación. La precisión de ninguno de estos métodos es extremadamente alta (+5 km aproximadamente). No obstante, en aquellas zonas donde exista una discrepancia de datos significaría un área descompensada, con posibles movimientos tectónicos o alto grado de riesgo sísmico, lo que le da a este estudio un valor añadido. ABSTRACT The Mohorovičić discontinuity, simply known as “Moho” constitutes the division between the rocky and less thick materials of the mantle and the heavier ones in the crust, assuming densities of the orders of 2.67 y 3.27 g/cm3 respectively. It is also a basic contour for every geophysical kind of studies about the terrestrial crust. The seismic and previous gravimetric observations done in the study area show that the Moho depth is of the order of 30-40 km beneath the ground and 5-15 km under the ocean basin. Besides, the different techniques show a good correlation in their results. Assuming that the Iberian Peninsula gravity field (as it happens for the 90% of the Earth) is isostatically compensated according to the variable Moho depth, supposing a constant density contrast between crust and mantle, and following the isostatic Vening Meinesz model (1931), the inverse isostatic problem can be formulated from Bouguer gravity anomaly data obtained thanks to the observed gravity at the surface of the Earth. The main difference between this model and other existing ones, such as Airy- Heiskanen’s (pure local compensation and mostly used in these kinds of works) is the approaching to a regional isostatic compensation, much more in accordance with reality. Besides, its solution is related to the global gravity field, and the current gravitational models -mostly satellite derived- should be important data sources in such solution. The aim of this thesis is to study with detail this method, developed by Helmut Moritz in 1990, which hardly ever has it put into practice. Moreover, it has never been used in Iberia. After studying its theory, development and computational aspects, we are able to get a Digital Moho Model of the Iberian Peninsula, in order to study the masses distribution beneath the Earth’s surface. With the depth Moho information obtained from alternative methods, a comparison will be done. Both methods give results with the same order of accuracy, which is not quite high (+ 5 km approximately). Nevertheless, the areas in which a higher difference is observed would mean a disturbance of the compensation, which could show an unbalanced area with possible tectonic movements or potential seismic risk. It will give us an important additive value, which could be used in, at first, non related fields, such as density discrepancies or natural disasters contingency plans.

Massively parallelizable list-mode reconstruction using a Monte Carlo-based elliptical Gaussian model

Purpose: A fully three-dimensional (3D) massively parallelizable list-mode ordered-subsets expectation-maximization (LM-OSEM) reconstruction algorithm has been developed for high-resolution PET cameras. System response probabilities are calculated online from a set of parameters derived from Monte Carlo simulations. The shape of a system response for a given line of response (LOR) has been shown to be asymmetrical around the LOR. This work has been focused on the development of efficient region-search techniques to sample the system response probabilities, which are suitable for asymmetric kernel models, including elliptical Gaussian models that allow for high accuracy and high parallelization efficiency. The novel region-search scheme using variable kernel models is applied in the proposed PET reconstruction algorithm. Methods: A novel region-search technique has been used to sample the probability density function in correspondence with a small dynamic subset of the field of view that constitutes the region of response (ROR). The ROR is identified around the LOR by searching for any voxel within a dynamically calculated contour. The contour condition is currently defined as a fixed threshold over the posterior probability, and arbitrary kernel models can be applied using a numerical approach. The processing of the LORs is distributed in batches among the available computing devices, then, individual LORs are processed within different processing units. In this way, both multicore and multiple many-core processing units can be efficiently exploited. Tests have been conducted with probability models that take into account the noncolinearity, positron range, and crystal penetration effects, that produced tubes of response with varying elliptical sections whose axes were a function of the crystal's thickness and angle of incidence of the given LOR. The algorithm treats the probability model as a 3D scalar field defined within a reference system aligned with the ideal LOR. Results: This new technique provides superior image quality in terms of signal-to-noise ratio as compared with the histogram-mode method based on precomputed system matrices available for a commercial small animal scanner. Reconstruction times can be kept low with the use of multicore, many-core architectures, including multiple graphic processing units. Conclusions: A highly parallelizable LM reconstruction method has been proposed based on Monte Carlo simulations and new parallelization techniques aimed at improving the reconstruction speed and the image signal-to-noise of a given OSEM algorithm. The method has been validated using simulated and real phantoms. A special advantage of the new method is the possibility of defining dynamically the cut-off threshold over the calculated probabilities thus allowing for a direct control on the trade-off between speed and quality during the reconstruction.

Vocal tract settings in speakers suffering from obstructive sleep apnea síndrome

Automatic systems based on speech signal analysis for the early dete ction of obstructive sleep apnea (OSA) have achieved fairly high performance rates in recent years. However, a satisfactory explanation of these results has not been available. This presentation aims at explaining via an examination of the long-term spectra of OSA patients and normal control speakers these systems’ ability to discover OSA speakers on the base of all-purpose cepstral coefficients. An in terpretation of the long- term spectra in terms of the underlying tract settings suggests that the speech of OSA patients is characterized by a pharyngeal narrowing that may be captured by acoustic cues of the spectral contour of windowed speech frames. A novel interpretation of long-term spectra in terms of the first principal component of the temporal sequence of short-term amplitude-spectra is also discussed.

Higher-order regularization and morphological techniques for image segmentation

La segmentación de imágenes es un campo importante de la visión computacional y una de las áreas de investigación más activas, con aplicaciones en comprensión de imágenes, detección de objetos, reconocimiento facial, vigilancia de vídeo o procesamiento de imagen médica. La segmentación de imágenes es un problema difícil en general, pero especialmente en entornos científicos y biomédicos, donde las técnicas de adquisición imagen proporcionan imágenes ruidosas. Además, en muchos de estos casos se necesita una precisión casi perfecta. En esta tesis, revisamos y comparamos primero algunas de las técnicas ampliamente usadas para la segmentación de imágenes médicas. Estas técnicas usan clasificadores a nivel de pixel e introducen regularización sobre pares de píxeles que es normalmente insuficiente. Estudiamos las dificultades que presentan para capturar la información de alto nivel sobre los objetos a segmentar. Esta deficiencia da lugar a detecciones erróneas, bordes irregulares, configuraciones con topología errónea y formas inválidas. Para solucionar estos problemas, proponemos un nuevo método de regularización de alto nivel que aprende información topológica y de forma a partir de los datos de entrenamiento de una forma no paramétrica usando potenciales de orden superior. Los potenciales de orden superior se están popularizando en visión por computador, pero la representación exacta de un potencial de orden superior definido sobre muchas variables es computacionalmente inviable. Usamos una representación compacta de los potenciales basada en un conjunto finito de patrones aprendidos de los datos de entrenamiento que, a su vez, depende de las observaciones. Gracias a esta representación, los potenciales de orden superior pueden ser convertidos a potenciales de orden 2 con algunas variables auxiliares añadidas. Experimentos con imágenes reales y sintéticas confirman que nuestro modelo soluciona los errores de aproximaciones más débiles. Incluso con una regularización de alto nivel, una precisión exacta es inalcanzable, y se requeire de edición manual de los resultados de la segmentación automática. La edición manual es tediosa y pesada, y cualquier herramienta de ayuda es muy apreciada. Estas herramientas necesitan ser precisas, pero también lo suficientemente rápidas para ser usadas de forma interactiva. Los contornos activos son una buena solución: son buenos para detecciones precisas de fronteras y, en lugar de buscar una solución global, proporcionan un ajuste fino a resultados que ya existían previamente. Sin embargo, requieren una representación implícita que les permita trabajar con cambios topológicos del contorno, y esto da lugar a ecuaciones en derivadas parciales (EDP) que son costosas de resolver computacionalmente y pueden presentar problemas de estabilidad numérica. Presentamos una aproximación morfológica a la evolución de contornos basada en un nuevo operador morfológico de curvatura que es válido para superficies de cualquier dimensión. Aproximamos la solución numérica de la EDP de la evolución de contorno mediante la aplicación sucesiva de un conjunto de operadores morfológicos aplicados sobre una función de conjuntos de nivel. Estos operadores son muy rápidos, no sufren de problemas de estabilidad numérica y no degradan la función de los conjuntos de nivel, de modo que no hay necesidad de reinicializarlo. Además, su implementación es mucho más sencilla que la de las EDP, ya que no requieren usar sofisticados algoritmos numéricos. Desde un punto de vista teórico, profundizamos en las conexiones entre operadores morfológicos y diferenciales, e introducimos nuevos resultados en este área. Validamos nuestra aproximación proporcionando una implementación morfológica de los contornos geodésicos activos, los contornos activos sin bordes, y los turbopíxeles. En los experimentos realizados, las implementaciones morfológicas convergen a soluciones equivalentes a aquéllas logradas mediante soluciones numéricas tradicionales, pero con ganancias significativas en simplicidad, velocidad y estabilidad. ABSTRACT Image segmentation is an important field in computer vision and one of its most active research areas, with applications in image understanding, object detection, face recognition, video surveillance or medical image processing. Image segmentation is a challenging problem in general, but especially in the biological and medical image fields, where the imaging techniques usually produce cluttered and noisy images and near-perfect accuracy is required in many cases. In this thesis we first review and compare some standard techniques widely used for medical image segmentation. These techniques use pixel-wise classifiers and introduce weak pairwise regularization which is insufficient in many cases. We study their difficulties to capture high-level structural information about the objects to segment. This deficiency leads to many erroneous detections, ragged boundaries, incorrect topological configurations and wrong shapes. To deal with these problems, we propose a new regularization method that learns shape and topological information from training data in a nonparametric way using high-order potentials. High-order potentials are becoming increasingly popular in computer vision. However, the exact representation of a general higher order potential defined over many variables is computationally infeasible. We use a compact representation of the potentials based on a finite set of patterns learned fromtraining data that, in turn, depends on the observations. Thanks to this representation, high-order potentials can be converted into pairwise potentials with some added auxiliary variables and minimized with tree-reweighted message passing (TRW) and belief propagation (BP) techniques. Both synthetic and real experiments confirm that our model fixes the errors of weaker approaches. Even with high-level regularization, perfect accuracy is still unattainable, and human editing of the segmentation results is necessary. The manual edition is tedious and cumbersome, and tools that assist the user are greatly appreciated. These tools need to be precise, but also fast enough to be used in real-time. Active contours are a good solution: they are good for precise boundary detection and, instead of finding a global solution, they provide a fine tuning to previously existing results. However, they require an implicit representation to deal with topological changes of the contour, and this leads to PDEs that are computationally costly to solve and may present numerical stability issues. We present a morphological approach to contour evolution based on a new curvature morphological operator valid for surfaces of any dimension. We approximate the numerical solution of the contour evolution PDE by the successive application of a set of morphological operators defined on a binary level-set. These operators are very fast, do not suffer numerical stability issues, and do not degrade the level set function, so there is no need to reinitialize it. Moreover, their implementation is much easier than their PDE counterpart, since they do not require the use of sophisticated numerical algorithms. From a theoretical point of view, we delve into the connections between differential andmorphological operators, and introduce novel results in this area. We validate the approach providing amorphological implementation of the geodesic active contours, the active contours without borders, and turbopixels. In the experiments conducted, the morphological implementations converge to solutions equivalent to those achieved by traditional numerical solutions, but with significant gains in simplicity, speed, and stability.

Effect of strain and magnetic field on the critical current and electric resistance of the joints between HTS coated conductors

Engineering of devices and systems such as magnets, fault current limiters or cables, based on High Temperature Superconducting wires requires a deep characterization of the possible degradation of their properties by handling at room temperature as well as during the service life thus establishing the limits for building up functional devices and systems. In the present work we report our study regarding the mechanical behavior of spliced joints between commercial HTS coated conductors based on YBCO at room temperature and service temperature, 77 K. Tensile tests under axial stress and the evolution of the critical current and the electric resistance of the joints have been measured. The complete strain contour for the tape and the joint has been obtained by using Digital Image Correlation. Also, tensile tests under external magnetic field have been performed and the effect of the applied field on the critical current and the electric resistance of the joints has been studied. Finally, a preliminary numerical study by means of Finite Element Method (FEM) of the mechanical behavior of the joints between commercial HTS is presented.