Proyecto de construcción de una vía forestal en el término municipal de Aldea del Fresno provincia de Madrid.

El proyecto consiste en la ejecución de una vía forestal en el Término Municipal de Aldea del Fresno, Comunidad de Madrid. El trazado de la vía tendrá una longitud total de 2558 metros. Para llevar a cabo la misma, será necesaria la explanación del terreno, la excavación de desmontes y la construcción de terraplenes según sea necesario en cada tramo. Es necesaria la realización de obras de fábrica para garantizar un correcto drenaje de la escorrentía superficial y para salvar el cruce de la vía con ríos y arroyos. El objetivo de estos trabajos es el de mejorar la accesibilidad de la zona para la realización de tareas agrícolas y forestales así como para la vigilancia, prevención y extinción de incendios.

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

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

EVA: Laparoscopic instrument tracking based on endoscopic video analysis for psychomotor skills assessment

INTRODUCTION: The EVA (Endoscopic Video Analysis) tracking system a new tracking system for extracting motions of laparoscopic instruments based on non-obtrusive video tracking was developed. The feasibility of using EVA in laparoscopic settings has been tested in a box trainer setup. METHODS: EVA makes use of an algorithm that employs information of the laparoscopic instrument's shaft edges in the image, the instrument's insertion point, and the camera's optical centre to track the 3D position of the instrument tip. A validation study of EVA comprised a comparison of the measurements achieved with EVA and the TrEndo tracking system. To this end, 42 participants (16 novices, 22 residents, and 4 experts) were asked to perform a peg transfer task in a box trainer. Ten motion-based metrics were used to assess their performance. RESULTS: Construct validation of the EVA has been obtained for seven motion-based metrics. Concurrent validation revealed that there is a strong correlation between the results obtained by EVA and the TrEndo for metrics such as path length (p=0,97), average speed (p=0,94) or economy of volume (p=0,85), proving the viability of EVA. CONCLUSIONS: EVA has been successfully used in the training setup showing potential of endoscopic video analysis to assess laparoscopic psychomotor skills. The results encourage further implementation of video tracking in training setups and in image guided surgery.

Relevance of motion-related assessment metrics in laparoscopic surgery

INTRODUCTION: Motion metrics have become an important source of information when addressing the assessment of surgical expertise. However, their direct relationship with the different surgical skills has not been fully explored. The purpose of this study is to investigate the relevance of motion-related metrics in the evaluation processes of basic psychomotor laparoscopic skills, as well as their correlation with the different abilities sought to measure. METHODS: A framework for task definition and metric analysis is proposed. An explorative survey was first conducted with a board of experts to identify metrics to assess basic psychomotor skills. Based on the output of that survey, three novel tasks for surgical assessment were designed. Face and construct validation study was performed, with focus on motion-related metrics. Tasks were performed by 42 participants (16 novices, 22 residents and 4 experts). Movements of the laparoscopic instruments were registered with the TrEndo tracking system and analyzed. RESULTS: Time, path length and depth showed construct validity for all three tasks. Motion smoothness and idle time also showed validity for tasks involving bi-manual coordination and tasks requiring a more tactical approach respectively. Additionally, motion smoothness and average speed showed a high internal consistency, proving them to be the most task-independent of all the metrics analyzed. CONCLUSION: Motion metrics are complementary and valid for assessing basic psychomotor skills, and their relevance depends on the skill being evaluated. A larger clinical implementation, combined with quality performance information, will give more insight on the relevance of the results shown in this study.

TELMA: Technology enhanced learning environment for minimally invasive surgery

Background: Cognitive skills training for minimally invasive surgery has traditionally relied upon diverse tools, such as seminars or lectures. Web technologies for e-learning have been adopted to provide ubiquitous training and serve as structured repositories for the vast amount of laparoscopic video sources available. However, these technologies fail to offer such features as formative and summative evaluation, guided learning, or collaborative interaction between users. Methodology: The "TELMA" environment is presented as a new technology-enhanced learning platform that increases the user's experience using a four-pillared architecture: (1) an authoring tool for the creation of didactic contents; (2) a learning content and knowledge management system that incorporates a modular and scalable system to capture, catalogue, search, and retrieve multimedia content; (3) an evaluation module that provides learning feedback to users; and (4) a professional network for collaborative learning between users. Face validation of the environment and the authoring tool are presented. Results: Face validation of TELMA reveals the positive perception of surgeons regarding the implementation of TELMA and their willingness to use it as a cognitive skills training tool. Preliminary validation data also reflect the importance of providing an easy-to-use, functional authoring tool to create didactic content. Conclusion: The TELMA environment is currently installed and used at the Jesús Usón Minimally Invasive Surgery Centre and several other Spanish hospitals. Face validation results ascertain the acceptance and usefulness of this new minimally invasive surgery training environment.

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.

Influencia del ruido de fondo en ambientes universitarios sobre los procesos cognitivos básicos

En este trabajo, se presenta un estudio cuyo objetivo fue determinar la influencia del ruido de fondo producido dentro de instalaciones universitarias sobre procesos cognitivos básicos tales como: la percepción y la atención. Se realizaron grabaciones de ruido de fondo en aulas de clase, bibliotecas, etc., para luego exponer a estudiantes universitarios a estos ambientes sonoros. Se registró la actividad cerebral a través de electroencefalografías (EEG), estudiando los cambios en las bandas de frecuencia relacionadas con procesos atencionales (beta 13-30 Hz. y theta 4-7 Hz.). Los resultados preliminares aquí presentados, muestran un decremento en estas bandas al exponer a los voluntarios a ruido de fondo. Así mismo, se aplicó una prueba psicométrica para determinar cambios en la atención. Los resultados obtenidos en esta prueba, no permiten relacionar directamente la influencia del ruido de fondo sobre los procesos atencionales.

Technical evaluation of a third generation optical pose tracker for motion analysis and image-guided surgery

Laparoscopic instrument tracking systems are an essential component in image-guided interventions and offer new possibilities to improve and automate objective assessment methods of surgical skills. In this study we present our system design to apply a third generation optical pose tracker (Micron- Tracker®) to laparoscopic practice. A technical evaluation of this design is performed in order to analyze its accuracy in computing the laparoscopic instrument tip position. Results show a stable fluctuation error over the entire analyzed workspace. The relative position errors are 1.776±1.675 mm, 1.817±1.762 mm, 1.854±1.740 mm, 2.455±2.164 mm, 2.545±2.496 mm, 2.764±2.342 mm, 2.512±2.493 mm for distances of 50, 100, 150, 200, 250, 300, and 350 mm, respectively. The accumulated distance error increases with the measured distance. The instrument inclination covered by the system is high, from 90 to 7.5 degrees. The system reports a low positional accuracy for the instrument tip.

Utilidad del vídeo quirúrgico en las cirugías de mínima invasión

El vídeo quirúrgico es la principal fuente de información intraoperatoria para el seguimiento de la intervención quirúrgica. Actualmente, su uso como medio de análisis no se halla implantado. Este trabajo presenta su utilidad con casos de uso reales que explotan la información presente en los vídeos a través del procesamiento de los vídeos. Los algoritmos desarrollados permiten la segmentación y seguimiento de los elementos de la escena, la reconstrucción y la localización espacial de los trócares. Se presenta a modo de ejemplos un entorno de formación y un sistema de navegación quirúrgica que explotan la información presente en los vídeos captados por el endoscopio.

Adaptación de la usabilidad del entorno de formación TELMA a las necesidades de los cirujanos expertos

Uno de los principales inconvenientes manifestados por los cirujanos a la hora de llevar a cabo su formación continuada es la elevada carga asistencial que les limita la posibilidad de asistir a cursos y estancias presenciales. Por tanto, los cirujanos necesitan otros métodos formativos distintos a la formación in situ y para ello son de gran utilidad las tecnologías web, como es el caso de la plataforma de e-Learning TELMA, que ofrezcan contenidos didácticos adaptados a cada usuario para que puedan complementar su formación con contenidos multimedia online. Estudios previos de validación de TELMA detectaron diferentes problemas respecto a su diseño y usabilidad, propiciando mayores dificultades de accesibilidad para los cirujanos expertos en relación a los cirujanos noveles. Para corregirlos, en este trabajo se han analizado las deficiencias encontradas y se han propuesto una serie de medidas fundamentadas en un conjunto de directivas de diseño web que se deberían adoptar en futuras versiones de la plataforma TELMA para tratar de solventar estas desigualdades, ofreciendo a todos los usuarios tanto expertos como noveles, las mismas facilidades de accesibilidad.

Adaptive neuro-fuzzy inference systems (ANFIS) for supervised classification of competence in MIS based on psychomotor skills

INTRODUCTION: Objective assessment of motor skills has become an important challenge in minimally invasive surgery (MIS) training.Currently, there is no gold standard defining and determining the residents' surgical competence.To aid in the decision process, we analyze the validity of a supervised classifier to determine the degree of MIS competence based on assessment of psychomotor skills METHODOLOGY: The ANFIS is trained to classify performance in a box trainer peg transfer task performed by two groups (expert/non expert). There were 42 participants included in the study: the non-expert group consisted of 16 medical students and 8 residents (< 10 MIS procedures performed), whereas the expert group consisted of 14 residents (> 10 MIS procedures performed) and 4 experienced surgeons. Instrument movements were captured by means of the Endoscopic Video Analysis (EVA) tracking system. Nine motion analysis parameters (MAPs) were analyzed, including time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area, economy of volume, idle time and motion smoothness. Data reduction was performed by means of principal component analysis, and then used to train the ANFIS net. Performance was measured by leave one out cross validation. RESULTS: The ANFIS presented an accuracy of 80.95%, where 13 experts and 21 non-experts were correctly classified. Total root mean square error was 0.88, while the area under the classifiers' ROC curve (AUC) was measured at 0.81. DISCUSSION: We have shown the usefulness of ANFIS for classification of MIS competence in a simple box trainer exercise. The main advantage of using ANFIS resides in its continuous output, which allows fine discrimination of surgical competence. There are, however, challenges that must be taken into account when considering use of ANFIS (e.g. training time, architecture modeling). Despite this, we have shown discriminative power of ANFIS for a low-difficulty box trainer task, regardless of the individual significances between MAPs. Future studies are required to confirm the findings, inclusion of new tasks, conditions and sample population.

Análisis de las voladuras realizadas en el centro minero Moró

En este proyecto se analizan seis voladuras realizadas en el Centro Minero Moró (CM Moró) perteneciente a la empresa SIBELCO HISPANIA S.A., situado en la localidad de San Juan de Moró (Castellón). Se analizan las principales diferencias de las voladuras, con respecto a las fases de avance donde se encuentran, el tipo de material volado, la presencia de agua en las mismas, variación de consumo de explosivo y toneladas de roca arrancada. Tomando como base las normas de SIBELCO HISPANIA S.A., el proyecto define la evolución histórica de la empresa, las normativas de seguridad y salud, el ciclo de explotación en el CM Moró, ya que el proceso de arranque tanto de estéril (arenisca y caliza) como de arcillas, se desarrolla por completo mediante voladuras y finalmente un descripción más extensa y concisa de las mismas. ABSTRACT The project presents a comparative study of six blasts realised in the Centro Minero Moró (CM Moró) owned by SIBELCO HISPANIA S.A., located in San Juan de Moró (Castellón). A series of calculations have been conducted and graphs created to observe the main differences between the blasts, with respect to the stage to which it has advanced, the presence of water therein, variation in explosive consumption and tonnes of extracted rocks. Taking the standards of SIBELCO HISPANIA S.A. as a basis, the project defines the historical evolution of the business, the health and safety regulations, the extraction cycle in the CM Moró, since both the sterile (sandstone and limestone) and the clay extraction process are fully achieved by blasts. Ultimately, the aim is to attain a more extensive description of the latter

Desarrollo de un laboratorio virtual para la medida de ciclos indicados de un motor alternativo policombustible de encendido provocado

Se ha desarrollado un laboratorio virtual para la medida de ciclos indicados en un motor alternativo policombustible de encendido provocado. El laboratorio virtual desarrollado permite por una parte simular y obtener el ciclo indicado de un motor alternativo de cuatro tiempos, pudiendo modificar los parámetros más importantes de operación (régimen de giro, presiones de admisión y escape, temperaturas, etc.) y de diseño (parámetros geométricos del motor). Por otra parte, el laboratorio virtual permite simular el ensayo del motor en banco de pruebas y la medida del ciclo indicado. Los modelos matemáticos necesarios se han escrito en lenguaje Fortran, y estos interaccionan con un interfaz gráfico de usuario (GUI) programado en VEE®. El laboratorio virtual puede implementarse en una plataforma virtual de enseñanza de manera que los alumnos puedan tener acceso al sistema desde cualquier ordenador, en cualquier momento y desde cualquier lugar.

Utilidad de un sistema de seguimiento óptico de instrumental en cirugía laparoscópica para evaluación de destrezas motoras

En este trabajo se estudia la utilidad de un sistema de evaluación de destrezas quirúrgicas basado en el análisis de los movimientos del instrumental laparoscópico. Método: El sistema consta de un simulador físico laparoscópico y un sistema de seguimiento y evaluación de habilidades técnicas quirúrgicas. En el estudio han participado 6 cirujanos con experiencia intermedia (entre 1 y 50 intervenciones laparoscópicas) y 5 cirujanos expertos (más de 50 intervenciones laparoscópicas), todos ellos con la mano derecha como dominante. Cada sujeto realizó 3 repeticiones de una tarea de corte con la mano derecha en tejido sintético, una disección de la serosa gástrica y una sutura en la disección realizada. Para cada ejercicio se analizaron los parámetros de tiempo, distancia recorrida, velocidad, aceleración y suavidad de movimientos para los instrumentos de ambas manos. Resultados: En la tarea de corte, los cirujanos expertos muestran menor aceleración (p = 0,014) y mayor suavidad en los movimientos (p = 0,023) en el uso de la tijera. Respecto a la actividad de disección, los cirujanos expertos requieren menos tiempo (p = 0,006) y recorren menos distancia con ambos instrumentos (p = 0,006 para disector y p = 0,01 para tijera). En la tarea de sutura, los cirujanos expertos presentan menor tiempo de ejecución que los cirujanos de nivel intermedio (p = 0,037) y recorren menos distancia con el disector (p = 0,041). Conclusiones: El sistema de evaluación se mostró útil en las tareas de corte, disección y sutura, y constituye un progreso en el desarrollo de sistemas avanzados de entrenamiento y evaluación de destrezas quirúrgicas laparoscópicas.

Systems and technologies for objective evaluation of technical skills in laparoscopic surgery

Minimally invasive surgery is a highly demanding surgical approach regarding technical requirements for the surgeon, who must be trained in order to perform a safe surgical intervention. Traditional surgical education in minimally invasive surgery is commonly based on subjective criteria to quantify and evaluate surgical abilities, which could be potentially unsafe for the patient. Authors, surgeons and associations are increasingly demanding the development of more objective assessment tools that can accredit surgeons as technically competent. This paper describes the state of the art in objective assessment methods of surgical skills. It gives an overview on assessment systems based on structured checklists and rating scales, surgical simulators, and instrument motion analysis. As a future work, an objective and automatic assessment method of surgical skills should be standardized as a means towards proficiency-based curricula for training in laparoscopic surgery and its certification.