Comparison of 2.5D and 3D Quantification of Femoral Head Coverage in Normal Control Subjects and Patients with Hip Dysplasia.

Hip dysplasia is characterized by insufficient femoral head coverage (FHC). Quantification of FHC is of importance as the underlying goal of the surgery to treat hip dysplasia is to restore a normal acetabular morphology and thereby to improve FHC. Unlike a pure 2D X-ray radiograph-based measurement method or a pure 3D CT-based measurement method, previously we presented a 2.5D method to quantify FHC from a single anteriorposterior (AP) pelvic radiograph. In this study, we first quantified and compared 3D FHC between a normal control group and a patient group using a CT-based measurement method. Taking the CT-based 3D measurements of FHC as the gold standard, we further quantified the bias, precision and correlation between the 2.5D measurements and the 3D measurements on both the control group and the patient group. Based on digitally reconstructed radiographs (DRRs), we investigated the influence of the pelvic tilt on the 2.5D measurements of FHC. The intraclass correlation coefficients (ICCs) for absolute agreement was used to quantify interobserver reliability and intraobserver reproducibility of the 2.5D measurement technique. The Pearson correlation coefficient, r, was used to determine the strength of the linear association between the 2.5D and the 3D measurements. Student's t-test was used to determine whether the differences between different measurements were statistically significant. Our experimental results demonstrated that both the interobserver reliability and the intraobserver reproducibility of the 2.5D measurement technique were very good (ICCs > 0.8). Regression analysis indicated that the correlation was very strong between the 2.5D and the 3D measurements (r = 0.89, p < 0.001). Student's t-test showed that there were no statistically significant differences between the 2.5D and the 3D measurements of FHC on the patient group (p > 0.05). The results of this study provided convincing evidence demonstrating the validity of the 2.5D measurements of FHC from a single AP pelvic radiograph and proved that it could serve as a surrogate for 3D CT-based measurements. Thus it may be possible to use this method to avoid a CT scan for the purpose of estimating 3D FHC in diagnosis and post-operative treatment evaluation of patients with hip dysplasia.

Aortic morphometry at endograft position as assessed by 3D image analysis affects risk of type I endoleak formation after TEVAR

PURPOSE The purpose of this study was to identify morphologic factors affecting type I endoleak formation and bird-beak configuration after thoracic endovascular aortic repair (TEVAR). METHODS Computed tomography (CT) data of 57 patients (40 males; median age, 66 years) undergoing TEVAR for thoracic aortic aneurysm (34 TAA, 19 TAAA) or penetrating aortic ulcer (n = 4) between 2001 and 2010 were retrospectively reviewed. In 28 patients, the Gore TAG® stent-graft was used, followed by the Medtronic Valiant® in 16 cases, the Medtronic Talent® in 8, and the Cook Zenith® in 5 cases. Proximal landing zone (PLZ) was in zone 1 in 13, zone 2 in 13, zone 3 in 23, and zone 4 in 8 patients. In 14 patients (25%), the procedure was urgent or emergent. In each case, pre- and postoperative CT angiography was analyzed using a dedicated image processing workstation and complimentary in-house developed software based on a 3D cylindrical intensity model to calculate aortic arch angulation and conicity of the landing zones (LZ). RESULTS Primary type Ia endoleak rate was 12% (7/57) and subsequent re-intervention rate was 86% (6/7). Left subclavian artery (LSA) coverage (p = 0.036) and conicity of the PLZ (5.9 vs. 2.6 mm; p = 0.016) were significantly associated with an increased type Ia endoleak rate. Bird-beak configuration was observed in 16 patients (28%) and was associated with a smaller radius of the aortic arch curvature (42 vs. 65 mm; p = 0.049). Type Ia endoleak was not associated with a bird-beak configuration (p = 0.388). Primary type Ib endoleak rate was 7% (4/57) and subsequent re-intervention rate was 100%. Conicity of the distal LZ was associated with an increased type Ib endoleak rate (8.3 vs. 2.6 mm; p = 0.038). CONCLUSIONS CT-based 3D aortic morphometry helps to identify risk factors of type I endoleak formation and bird-beak configuration during TEVAR. These factors were LSA coverage and conicity within the landing zones for type I endoleak formation and steep aortic angulation for bird-beak configuration.

Development of a 3D Game Engine

This paper presents the development history and specification of a 3D game engine titled "Spark Engine". The term "engine" is used to describe a complex graphics software suite that streamlines application development and provides efficient rendering functionality. A game engine specifically provides tools to simplify game development. Spark Engine is fully shader driven and is built on top of Microsoft's XNA Framework. It is a reusable and flexible platform that can be used to build any type of graphics application ranging from gaming to simulation. The engine was released as open source software under the New BSD License with an interest in furthering its development.

The design and evaluation of a 2D dose verification system for intensity modulated radiotherapy

The usage of intensity modulated radiotherapy (IMRT) treatments necessitates a significant amount of patient-specific quality assurance (QA). This research has investigated the precision and accuracy of Kodak EDR2 film measurements for IMRT verifications, the use of comparisons between 2D dose calculations and measurements to improve treatment plan beam models, and the dosimetric impact of delivery errors. New measurement techniques and software were developed and used clinically at M. D. Anderson Cancer Center. The software implemented two new dose comparison parameters, the 2D normalized agreement test (NAT) and the scalar NAT index. A single-film calibration technique using multileaf collimator (MLC) delivery was developed. EDR2 film's optical density response was found to be sensitive to several factors: radiation time, length of time between exposure and processing, and phantom material. Precision of EDR2 film measurements was found to be better than 1%. For IMRT verification, EDR2 film measurements agreed with ion chamber results to 2%/2mm accuracy for single-beam fluence map verifications and to 5%/2mm for transverse plane measurements of complete plan dose distributions. The same system was used to quantitatively optimize the radiation field offset and MLC transmission beam modeling parameters for Varian MLCs. While scalar dose comparison metrics can work well for optimization purposes, the influence of external parameters on the dose discrepancies must be minimized. The ability of 2D verifications to detect delivery errors was tested with simulated data. The dosimetric characteristics of delivery errors were compared to patient-specific clinical IMRT verifications. For the clinical verifications, the NAT index and percent of pixels failing the gamma index were exponentially distributed and dependent upon the measurement phantom but not the treatment site. Delivery errors affecting all beams in the treatment plan were flagged by the NAT index, although delivery errors impacting only one beam could not be differentiated from routine clinical verification discrepancies. Clinical use of this system will flag outliers, allow physicists to examine their causes, and perhaps improve the level of agreement between radiation dose distribution measurements and calculations. The principles used to design and evaluate this system are extensible to future multidimensional dose measurements and comparisons. ^

COMPREHENSIVE CALCULATION-BASED IMRT QA USING R&V DATA, TREATMENT RECORDS, AND A SECOND TREATMENT PLANNING SYSTEM

Purpose: Traditional patient-specific IMRT QA measurements are labor intensive and consume machine time. Calculation-based IMRT QA methods typically are not comprehensive. We have developed a comprehensive calculation-based IMRT QA method to detect uncertainties introduced by the initial dose calculation, the data transfer through the Record-and-Verify (R&V) system, and various aspects of the physical delivery. Methods: We recomputed the treatment plans in the patient geometry for 48 cases using data from the R&V, and from the delivery unit to calculate the “as-transferred” and “as-delivered” doses respectively. These data were sent to the original TPS to verify transfer and delivery or to a second TPS to verify the original calculation. For each dataset we examined the dose computed from the R&V record (RV) and from the delivery records (Tx), and the dose computed with a second verification TPS (vTPS). Each verification dose was compared to the clinical dose distribution using 3D gamma analysis and by comparison of mean dose and ROI-specific dose levels to target volumes. Plans were also compared to IMRT QA absolute and relative dose measurements. Results: The average 3D gamma passing percentages using 3%-3mm, 2%-2mm, and 1%-1mm criteria for the RV plan were 100.0 (σ=0.0), 100.0 (σ=0.0), and 100.0 (σ=0.1); for the Tx plan they were 100.0 (σ=0.0), 100.0 (σ=0.0), and 99.0 (σ=1.4); and for the vTPS plan they were 99.3 (σ=0.6), 97.2 (σ=1.5), and 79.0 (σ=8.6). When comparing target volume doses in the RV, Tx, and vTPS plans to the clinical plans, the average ratios of ROI mean doses were 0.999 (σ=0.001), 1.001 (σ=0.002), and 0.990 (σ=0.009) and ROI-specific dose levels were 0.999 (σ=0.001), 1.001 (σ=0.002), and 0.980 (σ=0.043), respectively. Comparing the clinical, RV, TR, and vTPS calculated doses to the IMRT QA measurements for all 48 patients, the average ratios for absolute doses were 0.999 (σ=0.013), 0.998 (σ=0.013), 0.999 σ=0.015), and 0.990 (σ=0.012), respectively, and the average 2D gamma(5%-3mm) passing percentages for relative doses for 9 patients was were 99.36 (σ=0.68), 99.50 (σ=0.49), 99.13 (σ=0.84), and 98.76 (σ=1.66), respectively. Conclusions: Together with mechanical and dosimetric QA, our calculation-based IMRT QA method promises to minimize the need for patient-specific QA measurements by identifying outliers in need of further review.

Evaluation of PRESAGE® dosimeters for brachytherapy sources and the 3D dosimetry and characterization of the new AgX100 125I seed model

With continuous new improvements in brachytherapy source designs and techniques, method of 3D dosimetry for treatment dose verifications would better ensure accurate patient radiotherapy treatment. This study was aimed to first evaluate the 3D dose distributions of the low-dose rate (LDR) Amersham 6711 OncoseedTM using PRESAGE® dosimeters to establish PRESAGE® as a suitable brachytherapy dosimeter. The new AgX100 125I seed model (Theragenics Corporation) was then characterized using PRESAGE® following the TG-43 protocol. PRESAGE® dosimeters are solid, polyurethane-based, 3D dosimeters doped with radiochromic leuco dyes that produce a linear optical density response to radiation dose. For this project, the radiochromic response in PRESAGE® was captured using optical-CT scanning (632 nm) and the final 3D dose matrix was reconstructed using the MATLAB software. An Amersham 6711 seed with an air-kerma strength of approximately 9 U was used to irradiate two dosimeters to 2 Gy and 11 Gy at 1 cm to evaluate dose rates in the r=1 cm to r=5 cm region. The dosimetry parameters were compared to the values published in the updated AAPM Report No. 51 (TG-43U1). An AgX100 seed with an air-kerma strength of about 6 U was used to irradiate two dosimeters to 3.6 Gy and 12.5 Gy at 1 cm. The dosimetry parameters for the AgX100 were compared to the values measured from previous Monte-Carlo and experimental studies. In general, the measured dose rate constant, anisotropy function, and radial dose function for the Amersham 6711 showed agreements better than 5% compared to consensus values in the r=1 to r=3 cm region. The dose rates and radial dose functions measured for the AgX100 agreed with the MCNPX and TLD-measured values within 3% in the r=1 to r=3 cm region. The measured anisotropy function in PRESAGE® showed relative differences of up to 9% with the MCNPX calculated values. It was determined that post-irradiation optical density change over several days was non-linear in different dose regions, and therefore the dose values in the r=4 to r=5 cm regions had higher uncertainty due to this effect. This study demonstrated that within the radial distance of 3 cm, brachytherapy dosimetry in PRESAGE® can be accurate within 5% as long as irradiation times are within 48 hours.

Optimization of a label-free biosensor vertically characterized based on a periodic lattice of high aspect ratio SU-8 nano-pillars with a simplified 2D theoretical model

We have recently demonstrated a biosensor based on a lattice of SU8 pillars on a 1 μm SiO2/Si wafer by measuring vertically reflectivity as a function of wavelength. The biodetection has been proven with the combination of Bovine Serum Albumin (BSA) protein and its antibody (antiBSA). A BSA layer is attached to the pillars; the biorecognition of antiBSA involves a shift in the reflectivity curve, related with the concentration of antiBSA. A detection limit in the order of 2 ng/ml is achieved for a rhombic lattice of pillars with a lattice parameter (a) of 800 nm, a height (h) of 420 nm and a diameter(d) of 200 nm. These results correlate with calculations using 3D-finite difference time domain method. A 2D simplified model is proposed, consisting of a multilayer model where the pillars are turned into a 420 nm layer with an effective refractive index obtained by using Beam Propagation Method (BPM) algorithm. Results provided by this model are in good correlation with experimental data, reaching a reduction in time from one day to 15 minutes, giving a fast but accurate tool to optimize the design and maximizing sensitivity, and allows analyzing the influence of different variables (diameter, height and lattice parameter). Sensitivity is obtained for a variety of configurations, reaching a limit of detection under 1 ng/ml. Optimum design is not only chosen because of its sensitivity but also its feasibility, both from fabrication (limited by aspect ratio and proximity of the pillars) and fluidic point of view. (© 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)

Aprendizaje integrado de software para producción de buques

Una alta productividad en Ingeniería está asociada entre otras cosas a una gestión eficiente del flujo de las enormes cantidades de información y correspondientes tomas de decisiones consubstanciales a los entornos de diseño y producción. Ello exige que nuestros titulados estén formados para ser capaces de manejar esa información de modo integrado, a través de los diferentes estadios en que se genera y procesa. En el contexto de la enseñanza de la Ingeniería existen un buen número de cursos designados a desarrollar competencias específicas, como las requeridas en los currículos académicos, pero muy pocos en los cuales las competencias de integración sean el objetivo principal. En este artículo se documenta una asignatura que tiene esa orientación, con la intención de alimentar el debate sobre la formación, tan necesario en tiempos de fuerte contracción de la actividad económica como el que vivimos en la actualidad y que está promoviendo el COIN. La asignatura se denomina “Tecnologías de la Información Aplicadas a la Construcción Naval” y es impartida en la titulación de Ingeniero Naval y Oceánico, plan 2002, de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). La primera parte de la asignatura está dedicada a la planificación y gestión de proyectos; los estudiantes adquieren competencias en la definición, usando Ms-PROJECT, de la estructura de descomposición de tareas y la asignación de recursos así como en el seguimiento de proyectos, a través de una serie de ejemplos de complejidad creciente, finalizando con la construcción de un buque. La segunda parte está dedicada al uso de un gestor de bases de datos, Ms-ACCESS, y orientada a la gestión de la información relativa a Producción. Otra vez la estrategia pasa por trabajar sobre una serie de ejemplos de complejidad creciente y se finaliza con la administración de una base de datos de tuberías de un buque, para las cuales se establecen hitos de producción, recepción y montaje, lo que conecta está parte con la primera. Finalmente, la tercera parte de la asignatura está dedicada al trabajo con FORAN, con el cual se definen con detalle los elementos estructurales de todo el buque sobre el que se ha elaborado la planificación. En esta parte, el trabajo es cooperativo, dado que los estudiantes operan simultáneamente en el mismo modelo 3D. Las clases se realizan en un aula multimedia en la cual cada estudiante puede utilizar todas las aplicaciones de software tratadas. Se han realizado encuestas a los estudiantes para obtener una retroalimentación desde su experiencia así como para hacer una valoración de su satisfacción con el proceso de aprendizaje. Los resultados de esas encuestas son discutidos en el artículo.

Scalable software architecture for on-line multi-camera video processing

In this paper we present a scalable software architecture for on-line multi-camera video processing, that guarantees a good trade off between computational power, scalability and flexibility. The software system is modular and its main blocks are the Processing Units (PUs), and the Central Unit. The Central Unit works as a supervisor of the running PUs and each PU manages the acquisition phase and the processing phase. Furthermore, an approach to easily parallelize the desired processing application has been presented. In this paper, as case study, we apply the proposed software architecture to a multi-camera system in order to efficiently manage multiple 2D object detection modules in a real-time scenario. System performance has been evaluated under different load conditions such as number of cameras and image sizes. The results show that the software architecture scales well with the number of camera and can easily works with different image formats respecting the real time constraints. Moreover, the parallelization approach can be used in order to speed up the processing tasks with a low level of overhead

eMathTeacher Platform Suite

La idea inicial de este proyecto surge de la necesidad de desarrollar una herramienta software que ayudase a estudiantes de un curso de iniciación de álgebra lineal a adquirir los conceptos expuestos en el curso mediante la asistencia de cálculos y la representación visual de conceptos e ideas. Algunas de las características o funcionalidades que debería cumplir la herramienta serían: cálculo simbólico, representación simbólica, interfaz gráfico interactivo (point-and-click para realizar operaciones y cálculos, inserción de elementos gráficos mediante drag-and-drop desde una paleta de elementos, representación visual esquemática, representación gráfica 2D y 3D...), persistencia del modelo de datos, etc. Esta fase de un proyecto puede definirse como el – qué –. El siguiente paso o fase del proyecto trata del diseño del proyecto o el – cómo –. Cómo realizar el cálculo numérico, cómo representar símbolos matemáticos en pantalla, cómo crear una paleta de elementos. . . Seguramente existen bibliotecas o APIs de programación para realizar todas estas tareas, sin embargo, su utilización exige al programador tiempo de aprendizaje y el diseño de integración de las diferentes bibliotecas (compatibilidad de versiones, mecanismos de comunicación entre ellas, configuración, etc.). Lo primero puede resolverse fácilmente dedicando tiempo de estudio a la documentación, pero ya implica tiempo. Lo segundo implica además tener que tomar decisiones sobre cómo realizar la integración, no es trivial llegar a dibujar en pantalla, mediante una API de visualización gráfica, una matriz resultado de realizar ciertas operaciones mediante un API de cálculo de álgebra lineal. Existen varias bibliotecas de cálculo de álgebra lineal en las que apoyarse para realizar cálculos. Así pues, es fácil encontrar una biblioteca o API con funciones para realizar operaciones con matrices. Lo que no resulta tan sencillo es encontrar un API que permita definir al programador los mecanismos para representar la matriz en pantalla o para que el usuario introduzca los valores de la matriz. Es en estas últimas tareas en las que el programador se ve obligado a dedicar la mayor parte del tiempo de desarrollo. El resultado de este proyecto supone una gran simplificación de esta segunda fase, la parte del – cómo –, estableciendo una plataforma sobre la que futuros desarrollos puedan basarse para obtener resultados de alta calidad sin tener que preocuparse de las tareas ajenas a la lógica del programa.

Desarrollo de una aplicación software para laboratorios remotos

Las prácticas en laboratorios forman una parte muy importante de la formación en todos los programas docentes. A pesar de esta importancia, la creación de un laboratorio no es una tarea fácil, ya que el hecho de equipar un laboratorio puede suponer un gran gasto económico, tanto inicial como posterior. Como solución, surge la educación a distancia, y en concreto los laboratorios virtuales, es decir, simulaciones de un laboratorio real utilizando modelos matemáticos. Por sus características y flexibilidad se han ido desarrollando laboratorios virtuales en el ámbito docente, pero no todas las áreas cuentan con tantas posibilidades o facilidades como en la electrónica. La mayoría de los laboratorios accesibles desde Internet que hay en la actualidad dentro de la enseñanza a distancia o formación online, son virtuales. El laboratorio que se ha desarrollado tiene como principal ventaja la realización de prácticas controlando instrumentos y circuitos reales de forma remota. El proyecto consiste en realizar un sistema software para implementar un laboratorio remoto en el área de la electrónica analógica, que pueda ser utilizado como complemento a las actividades formativas que se realizan en los laboratorios de los centros de enseñanza. El sistema completo también consta de un hardware controlado mediante buses de comunicación estándar, que permite la implementación de distintos circuitos analógicos, de tal forma que se pueda realizar prácticas sobre circuitos físicos reales. Para desarrollar un laboratorio lo más real posible, la aplicación que maneja el estudiante es un visor 3D. Con la utilización de un visor 3D lo que se pretende es tener un aumento de la realidad a la hora de realizar las prácticas de laboratorio remotamente. El sistema desarrollado cuenta con un sistema de comunicación basado en un modelo cliente-servidor: • Servidor: se encarga de procesar las acciones que realiza el cliente y controla y monitoriza los instrumentos y dispositivos del sistema hardware. • Cliente: sería el usuario final, que mediante un visor 3D comunica las acciones a realizar al servidor para que éste las procese. Practices in laboratories are a very important part of training in all educational programs. Despite this importance, the establishment of a laboratory is not an easy task, since the fact of equipping a laboratory can be a great economic budget, both initial and subsequent spending. As a solution, appears the education at distance (online), and in particular the virtual labs, namely simulations of a real laboratory by using mathematical models. Virtual laboratories in the field of teaching have been developed for its features and flexibility, but not all areas have so many possibilities or facilities as in electronics. The most accessible laboratories from the Internet that are currently accessible within the distance or e-learning (on-line) are virtual. The laboratory which has been developed has as a main advantage to make practices or exercises in the fact of controlling instruments and real circuits remotely. The project consists of making a software system in order to implement a remote laboratory in the area of analog electronics that can be used as a complement to the others training activities to be carried out. The complete system also consists of a controlled hardware by standard communication buses that allow the implementation of several analog circuits, in such a way that practices can control real physical circuits. To develop a laboratory as more realistic as possible, the application that manages the student is a 3D viewer. With the use of a 3D viewer, is intended to have an increase in reality when any student wants to access to laboratory practices remotely. The developed system has a communication system based on a model Client/Server: • Server: The system that handles actions provided by the client and controls and monitors the instruments and devices in the hardware system. • Client: The end user, which using a 3D viewer, communicates the actions to be performed at the server so that it will process them.

Análisis de la influencia de distintos diseños de paraguas de micropilotes, pantalla de micropilotes, paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting en los asientos en superficie durante la ejecución de túneles perforados superficialmente

Ya en el informe acerca del estado de la tecnología en la excavación profunda y en la construcción de túneles en terreno duro presentado en la 7ª Conferencia en Mecánica de Suelos e Ingeniería de la Cimentación, Peck (1969) introdujo los tres temas a ser tenidos en cuenta para el diseño de túneles en terrenos blandos: o Estabilidad de la cavidad durante la construcción, con particular atención a la estabilidad del frente del túnel; o Evaluación de los movimientos del terreno inducidos por la construcción del túnel y de la incidencia de los trabajos subterráneos a poca profundidad sobre los asentamientos en superficie; o Diseño del sistema de sostenimiento del túnel a instalar para asegurar la estabilidad de la estructura a corto y largo plazo. Esta Tesis se centra en los problemas señalados en el segundo de los puntos, analizando distintas soluciones habitualmente proyectadas para reducir los movimientos inducidos por la excavación de los túneles. El objeto de la Tesis es el análisis de la influencia de distintos diseños de paraguas de micropilotes, pantalla de micropilotes, paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting en los asientos en superficie durante la ejecución de túneles ejecutados a poca profundidad, con objeto de buscar el diseño que optimice los medios empleados para una determinada reducción de asientos. Para ello se establecen unas premisas para los proyectistas con objeto de conocer a priori cuales son los tratamientos más eficientes (de los propuestos en la Tesis) para la reducción de asientos en superficie cuando se ha de proyectar un túnel, de tal manera que pueda tener datos cualitativos y algunos cuantitativos sobre los diseños más óptimos, utilizando para ello un programa de elementos finitos de última generación que permite realizara la simulación tensodeformación del terreno mediante el modelo de suelo con endurecimiento (Hardening Soil Small model), que es una variante elastoplástica del modelo hiperbólico, similar al Hardening Soil Model. Además, este modelo incorpora una relación entre deformación y el modulo de rigidez, simulando el diferente comportamiento del suelo para pequeñas deformaciones (por ejemplo vibraciones con deformaciones por debajo de 10-5 y grandes deformaciones (deformaciones > 10-3). Para la realización de la Tesis se han elegido cinco secciones de túnel, dos correspondiente a secciones tipo de túnel ejecutado con tuneladora y tres secciones ejecutados mediante convencionales (dos correspondientes a secciones que han utilizado el método Belga y una que ha utilizado el NATM). Para conseguir los objetivos marcados, primeramente se ha analizado mediante una correlación entre modelos tridimensionales y bidimensionales el valor de relajación usado en estos últimos, y ver su variación al cambio de parámetros como la sección del túnel, la cobertera, el procedimiento constructivo, longitud de pase (métodos convencionales) o presión del frente (tuneladora) y las características geotécnicas de los materiales donde se ejecuta el túnel. Posteriormente se ha analizado que diseño de pantalla de protección tiene mejor eficacia respecto a la reducción de asientos, variando distintos parámetros de las características de la misma, como son el empotramiento, el tipo de micropilotes o pilote, la influencia del arriostramiento de las pantallas de protección en cabeza, la inclinación de la pantalla, la separación de la pantalla al eje del túnel y la disposición en doble fila de la pantalla de pantalla proyectada. Para finalizar el estudio de la efectividad de pantalla de protección para la reducción de asiento, se estudiará la influencia de la sobrecarga cercanas (simulación de edificios) tiene en la efectividad de la pantalla proyectada (desde el punto de vista de reducción de movimientos en superficie). Con objeto de poder comparar la efectividad de la pantalla de micropilotes respecto a la ejecución de un paraguas de micropilotes se ha analizado distintos diseños de paraguas, comparando el movimiento obtenido con el obtenido para el caso de pantalla de micropilotes, comparando ambos resultados con los medidos en obras ya ejecutadas. En otro apartado se ha realizado una comparación entre tratamientos similar, comparándolos en este caso con un paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting. Los resultados obtenidos se han con valores de asientos medidos en distintas obras ya ejecutadas y cuyas secciones se corresponden a los empleados en los modelos numéricos. Since the report on the state of technology in deep excavation and tunnelling in hard ground presented at the 7th Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Peck (1969) introduced the three issues to be taken into account for the design of tunnels in soft ground: o Cavity Stability during construction, with particular attention to the stability of the tunnel face; o Evaluation of ground movements induced by tunnelling and the effect of shallow underground workings on surface settlement; o Design of the tunnel support system to be installed to ensure short and long term stability of the structure. This thesis focuses on the issues identified in the second point, usually analysing different solutions designed to reduce the movements induced by tunnelling. The aim of the thesis is to analyse the influence of different micropile forepole umbrellas, micropile walls, jet grouting umbrellas and jet grouting wall designs on surface settlements during near surface tunnelling in order to use the most optimal technique to achieve a determined reduction in settlement. This will establish some criteria for designers to know a priori which methods are most effective (of those proposed in the thesis) to reduce surface settlements in tunnel design, so that it is possible to have qualitative and some quantitative data on the optimal designs, using the latest finite element modelling software that allows simulation of the ground’s infinitesimal strain behaviour using the Hardening Soil Small Model, which is a variation on the elasto-plastic hyperbolic model, similar to Hardening Soil model. In addition, this model incorporates a relationship between strain and the rigidity modulus, simulating different soil behaviour for small deformations (eg deformation vibrations below 10-5 and large deformations (deformations > 10-3). For the purpose of this thesis five tunnel sections have been chosen, two sections corresponding to TBM tunnels and three sections undertaken by conventional means (two sections corresponding to the Belgian method and one corresponding to the NATM). To achieve the objectives outlined, a correlation analysis of the relaxation values used in the 2D and 3D models was undertaken to verify them against parameters such as the tunnel cross-section, the depth of the tunnel, the construction method, the length of step (conventional method) or face pressure (TBM) and the geotechnical characteristics of the ground where the tunnel is constructed. Following this, the diaphragm wall design with the greatest efficiency regarding settlement reduction was analysed, varying parameters such as the toe depth, type of micropiles or piles, the influence of bracing of the head protection diaphragm walls, the inclination of the diaphragm wall, the separation between the diaphragm wall and the tunnel axis and the double diaphragm wall design arrangement. In order to complete the study into the effectiveness of protective diaphragm walls ofn the reduction of settlements, the influence of nearby imposed loads (simulating buildings) on the effectiveness of the designed diaphragm walls (from the point of view of reducing surface movements) will be studied. In order to compare the effectiveness of micropile diaphragm walls regarding the installation of micropile forepole umbrellas, different designs of these forepole umbrellas have been analysed comparing the movement obtained with that obtained for micropiled diaphragm walls, comparing both results with those measured from similar completed projects. In another section, a comparison between similar treatments has been completed, comparing the treatments with a forepole umbrella by jet grouting and jet grouting walls. The results obtained compared with settlement values measured in various projects already completed and whose sections correspond to those used in the numerical models.

Validación de dos algoritmos para la localización 3D del instrumental laparoscópico a partir de la imagen de vídeo endoscópico

Uno de los aspectos fundamentales en un sistema de cirugía guiada por imagen (CGI) es la localización del instrumental quirúrgico con respecto a la anatomía del paciente. Los sistemas basados en sensores ofrecen buenos niveles de precisión, pero son sensibles a distintas fuentes de ruido en el quirófano y contribuyen a la sobrecarga tecnológica del mismo. Una alternativa novedosa es analizar la imagen del vídeo endoscópico para llevar a cabo la detección y localización espacial del instrumental. Se presenta en este trabajo la validación de dos métodos, basados en el diámetro aparente y en la sección transversal del instrumental, para la localización espacial del instrumental a partir de los bordes y la posición 2D de la punta en la imagen. La validación, llevada a cabo en un simulador físico, se realiza comparando los resultados con el sistema Kinescan/IBV. Los resultados muestran para cada método un error medio de 12,7 y 12,8 mm respectivamente. La incorporación de estos algoritmos dentro del paradigma de navegación propuesto en el proyecto THEMIS permitirá al cirujano conocer la posición del instrumental de forma no intrusiva y transparente, sin necesidad de equipamiento adicional en el quirófano.

Posibilidades del motor 3D de la Nintendo DS

La consola portátil Nintendo DS es una plataforma de desarrollo muy presente entre la comunidad de desarrolladores independientes, con una extensa y nutrida escena homebrew. Si bien las capacidades 2D de la consola están muy aprovechadas, dado que la mayor parte de los esfuerzos de los creadores amateur están enfocados en este aspecto, el motor 3D de ésta (el que se encarga de representar en pantalla modelos tridimensionales) no lo está de igual manera. Por lo tanto, en este proyecto se tiene en vista determinar las capacidades gráficas de la Nintendo DS. Para ello se ha realizado una biblioteca de funciones en C que permite aprovechar las posibilidades que ofrece la consola en el terreno 3D y que sirve como herramienta para la comunidad homebrew para crear aplicaciones 3D de forma sencilla, dado que se ha diseñado como un sistema modular y accesible. En cuanto al proceso de renderizado se han sacado varias conclusiones. En primer lugar se ha determinado la posibilidad de asignar varias componentes de color a un mismo vértice (color material reactivo a la iluminación, color por vértice directo y color de textura), tanto de forma independiente como simultáneamente, pudiéndose utilizar para aplicar diversos efectos al modelo, como iluminación pre-calculada o simulación de una textura mediante color por vértice, ahorrando en memoria de video. Por otro lado se ha implementado un sistema de renderizado multi-capa, que permite realizar varias pasadas de render, pudiendo, de esta forma, aplicar al modelo una segunda textura mezclada con la principal o realizar un efecto de reflexión esférica. Uno de los principales avances de esta herramienta con respecto a otras existentes se encuentra en el apartado de animación. El renderizador desarrollado permite por un lado animación por transformación, consistente en la animación de mallas o grupos de vértices del modelo mediante el movimiento de una articulación asociada que determina su posición y rotación en cada frame de animación. Por otro lado se ha implementado un sistema de animación por muestreo de vértices mediante el cual se determina la posición de éstos en cada instante de la animación, generando frame a frame las poses que componen el movimiento (siendo este último método necesario cuando no se puede animar una malla por transformación). Un mismo modelo puede contener diferentes esqueletos, animados independientemente entre sí, y cada uno de ellos tener definidas varias costumbres de animación que correspondan a movimientos contextuales diferentes (andar, correr, saltar, etc). Además, el sistema permite extraer cualquier articulación para asociar su transformación a un objeto estático externo y que éste siga el movimiento de la animación, pudiendo así, por ejemplo, equipar un objeto en la mano de un personaje. Finalmente se han implementado varios efectos útiles en la creación de escenas tridimensionales, como el billboarding (tanto esférico como cilíndrico), que restringe la rotación de un modelo para que éste siempre mire a cámara y así poder emular la apariencia de un objeto tridimensional mediante una imagen plana, ahorrando geometría, o emplearlo para realizar efectos de partículas. Por otra parte se ha implementado un sistema de animación de texturas por subimágenes que permite generar efectos de movimiento mediante imágenes, sin necesidad de transformar geometría. ABSTRACT. The Nintendo DS portable console has received great interest within the independent developers’ community, with a huge homebrew scene. The 2D capabilities of this console are well known and used since most efforts of the amateur creators has been focused on this point. However its 3D engine (which handles with the representation of three-dimensional models) is not equally used. Therefore, in this project the main objective is to assess the Nintendo DS graphic capabilities. For this purpose, a library of functions in C programming language has been coded. This library allows the programmer to take advantage of the possibilities that the 3D area brings. This way the library can be used by the homebrew community as a tool to create 3D applications in an easy way, since it has been designed as a modular and accessible system. Regarding the render process, some conclusions have been drawn. First, it is possible to assign several colour components to the same vertex (material colour, reactive to the illumination, colour per vertex and texture colour), independently and simultaneously. This feature can be useful to apply certain effects on the model, such as pre-calculated illumination or the simulation of a texture using colour per vertex, providing video memory saving. Moreover, a multi-layer render system has been implemented. This system allows the programmer to issue several render passes on the same model. This new feature brings the possibility to apply to the model a second texture blended with the main one or simulate a spherical reflection effect. One of the main advances of this tool over existing ones consists of its animation system. The developed renderer includes, on the one hand, transform animation, which consists on animating a mesh or groups of vertices of the model by the movement of an associated joint. This joint determines position and rotation of the mesh at each frame of the animation. On the other hand, this tool also implements an animation system by vertex sampling, where the position of vertices is determined at every instant of the animation, generating the poses that build up the movement (the latter method is mandatory when a mesh cannot be animated by transform). A model can contain multiple skeletons, animated independently, each of them being defined with several animation customs, corresponding to different contextual movements (walk, run, jump, etc). Besides, the system allows extraction of information from any joint in order to associate its transform to a static external object, which will follow the movement of the animation. This way, any object could be equipped, for example, on the hand of a character. Finally, some useful effects for the creation of three-dimensional scenes have been implemented. These effects include billboarding (both spherical and cylindrical), which constraints the rotation of a model so it always looks on the camera's direction. This feature can provide the ability to emulate the appearance of a three-dimensional model through a flat image (saving geometry). It can also be helpful in the implementation of particle effects. Moreover, a texture animation system using sub-images has also been implemented. This system allows the generation of movement by using images as textures, without having to transform geometry.

Microstructural segmentation of 3D images of alsphalt specimen using Matlab engine

En este proyecto se ha desarrollado un código de MATLAB para el procesamiento de imágenes tomográficas 3D, de muestras de asfalto de carreteras en Polonia. Estas imágenes en 3D han sido tomadas por un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Lodz (LUT). El objetivo de este proyecto es crear una herramienta que se pueda utilizar para estudiar las diferentes muestras de asfalto 3D y pueda servir para estudiar las pruebas de estrés que experimentan las muestras en el laboratorio. Con el objetivo final de encontrar soluciones a la degradación sufrida en las carreteras de Polonia, debido a diferentes causas, como son las condiciones meteorológicas. La degradación de las carreteras es un tema que se ha investigado desde hace muchos años, debido a la fuerte degradación causada por diferentes factores como son climáticos, la falta de mantenimiento o el tráfico excesivo en algunos casos. Es en Polonia, donde estos tres factores hacen que la composición de muchas carreteras se degrade rápidamente, sobre todo debido a las condiciones meteorológicas sufridas a lo largo del año, con temperaturas que van desde 30° C en verano a -20° C en invierno. Esto hace que la composición de las carreteras sufra mucho y el asfalto se levante, lo que aumenta los costos de mantenimiento y los accidentes de carretera. Este proyecto parte de la base de investigación que se lleva a cabo en la LUT, tratando de mejorar el análisis de las muestras de asfalto, por lo que se realizarán las pruebas de estrés y encontrar soluciones para mejorar el asfalto en las carreteras polacas. Esto disminuiría notablemente el costo de mantenimiento. A pesar de no entrar en aspectos muy técnicos sobre el asfalto y su composición, se ha necesitado realizar un estudio profundo sobre todas sus características, para crear un código capaz de obtener los mejores resultados. Por estas razones, se ha desarrollado en Matlab, los algoritmos que permiten el estudio de los especímenes 3D de asfalto. Se ha utilizado este software, ya que Matlab es una poderosa herramienta matemática que permite operar con matrices para realización de operaciones rápidamente, permitiendo desarrollar un código específico para el tratamiento y procesamiento de imágenes en 3D. Gracias a esta herramienta, estos algoritmos realizan procesos tales como, la segmentación de la imagen 3D, pre y post procesamiento de la imagen, filtrado o todo tipo de análisis microestructural de las muestras de asfalto que se están estudiando. El código presentado para la segmentación de las muestras de asfalto 3D es menos complejo en su diseño y desarrollo, debido a las herramientas de procesamiento de imágenes que incluye Matlab, que facilitan significativamente la tarea de programación, así como el método de segmentación utilizado. Respecto al código, este ha sido diseñado teniendo en cuenta el objetivo de facilitar el trabajo de análisis y estudio de las imágenes en 3D de las muestras de asfalto. Por lo tanto, el principal objetivo es el de crear una herramienta para el estudio de este código, por ello fue desarrollado para que pueda ser integrado en un entorno visual, de manera que sea más fácil y simple su utilización. Ese es el motivo por el cual todos estos algoritmos y funciones, que ha sido desarrolladas, se integrarán en una herramienta visual que se ha desarrollado con el GUIDE de Matlab. Esta herramienta ha sido creada en colaboración con Jorge Vega, y fue desarrollada en su proyecto final de carrera, cuyo título es: Segmentación microestructural de Imágenes en 3D de la muestra de asfalto utilizando Matlab. En esta herramienta se ha utilizado todo las funciones programadas en este proyecto, y tiene el objetivo de desarrollar una herramienta que permita crear un entorno gráfico intuitivo y de fácil uso para el estudio de las muestras de 3D de asfalto. Este proyecto se ha dividido en 4 capítulos, en un primer lugar estará la introducción, donde se presentarán los aspectos más importante que se va a componer el proyecto. En el segundo capítulo se presentarán todos los datos técnicos que se han tenido que estudiar para desarrollar la herramienta, entre los que cabe los tres temas más importantes que se han estudiado en este proyecto: materiales asfálticos, los principios de la tomografías 3D y el procesamiento de imágenes. Esta será la base para el tercer capítulo, que expondrá la metodología utilizada en la elaboración del código, con la explicación del entorno de trabajo utilizado en Matlab y todas las funciones de procesamiento de imágenes utilizadas. Además, se muestra todo el código desarrollado, así como una descripción teórica de los métodos utilizados para el pre-procesamiento y segmentación de las imagenes en 3D. En el capítulo 4, se mostrarán los resultados obtenidos en el estudio de una de las muestras de asfalto, y, finalmente, el último capítulo se basa en las conclusiones sobre el desarrollo de este proyecto. En este proyecto se ha llevado han realizado todos los puntos que se establecieron como punto de partida en el anteproyecto para crear la herramienta, a pesar de que se ha dejado para futuros proyectos nuevas posibilidades de este codigo, como por ejemplo, la detección automática de las diferentes regiones de una muestra de asfalto debido a su composición. Como se muestra en este proyecto, las técnicas de procesamiento de imágenes se utilizan cada vez más en multitud áreas, como pueden ser industriales o médicas. En consecuencia, este tipo de proyecto tiene multitud de posibilidades, y pudiendo ser la base para muchas nuevas aplicaciones que se puedan desarrollar en un futuro. Por último, se concluye que este proyecto ha contribuido a fortalecer las habilidades de programación, ampliando el conocimiento de Matlab y de la teoría de procesamiento de imágenes. Del mismo modo, este trabajo proporciona una base para el desarrollo de un proyecto más amplio cuyo alcance será una herramienta que puedas ser utilizada por el equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Lodz y en futuros proyectos. ABSTRACT In this project has been developed one code in MATLAB to process X-ray tomographic 3D images of asphalt specimens. These images 3D has been taken by a research team of the Lodz University of Technology (LUT). The aim of this project is to create a tool that can be used to study differents asphalt specimen and can be used to study them after stress tests undergoing the samples. With the final goal to find solutions to the degradation suffered roads in Poland due to differents causes, like weather conditions. The degradation of the roads is an issue that has been investigated many years ago, due to strong degradation suffered caused by various factors such as climate, poor maintenance or excessive traffic in some cases. It is in Poland where these three factors make the composition of many roads degrade rapidly, especially due to the weather conditions suffered along the year, with temperatures ranging from 30 o C in summer to -20 ° C in winter. This causes the roads suffers a lot and asphalt rises shortly after putting, increasing maintenance costs and road accident. This project part of the base that research is taking place at the LUT, in order to better analyze the asphalt specimens, they are tested for stress and find solutions to improve the asphalt on Polish roads. This would decrease remarkable maintenance cost. Although this project will not go into the technical aspect as asphalt and composition, but it has been required a deep study about all of its features, to create a code able to obtain the best results. For these reasons, there have been developed in Matlab, algorithms that allow the study of 3D specimens of asphalt. Matlab is a powerful mathematical tool, which allows arrays operate fastly, allowing to develop specific code for the treatment and processing of 3D images. Thus, these algorithms perform processes such as the multidimensional matrix sgementation, pre and post processing with the same filtering algorithms or microstructural analysis of asphalt specimen which being studied. All these algorithms and function that has been developed to be integrated into a visual tool which it be developed with the GUIDE of Matlab. This tool has been created in the project of Jorge Vega which name is: Microstructural segmentation of 3D images of asphalt specimen using Matlab engine. In this tool it has been used all the functions programmed in this project, and it has the aim to develop an easy and intuitive graphical environment for the study of 3D samples of asphalt. This project has been divided into 4 chapters plus the introduction, the second chapter introduces the state-of-the-art of the three of the most important topics that have been studied in this project: asphalt materials, principle of X-ray tomography and image processing. This will be the base for the third chapter, which will outline the methodology used in developing the code, explaining the working environment of Matlab and all the functions of processing images used. In addition, it will be shown all the developed code created, as well as a theoretical description of the methods used for preprocessing and 3D image segmentation. In Chapter 4 is shown the results obtained from the study of one of the specimens of asphalt, and finally the last chapter draws the conclusions regarding the development of this project.