Modelo de mediación semántica para la integración de fuentes de datos heterogéneas

Los avances logrados en la última década en los métodos y técnicas para la obtención de información mediante secuenciación genética de muestras orgánicas han supuesto una revolución en el área de la investigación biomédica. La disponibilidad de nuevas fuentes de datos abre vías novedosas de trabajo para investigadores que ya están dando sus frutos con técnicas mejoradas de diagnóstico y nuevos tratamientos para enfermedades como el cáncer. El cambio ha sido tan drástico que, por contra, los métodos empleados para acceder a la información han quedado obsoletos. Para remediar esta situación se ha realizado un gran esfuerzo en el campo de la informática biomédica con el objetivo de desarrollar herramientas adecuadas para este reto tecnológico. Así, la “revolución” genética ha ido acompañada de un importante esfuerzo en el desarrollo de sistemas de integración de datos heterogéneos cada vez más sofisticados. Sin embargo, los sistemas construidos han utilizado a menudo soluciones “ad hoc” para cada problema. Aún cuando existen arquitecturas y estándares bien establecidos en esta área, cada sistema es diseñado y construido desde cero ante cada nueva situación. Asimismo, los sistemas desarrollados no son, en general, válidos para problemas diferentes o para un conjunto distinto de requisitos. Ha faltado por tanto un verdadero esfuerzo por estandarizar este tipo de sistemas. En esta tesis doctoral se propone un modelo genérico de sistemas de integración de datos heterogéneos que facilite el diseño de los mismos. Se aporta asimismo una metodología basada en dicho modelo y destinada a hacer más eficientes los procesos de implementación y despliegue de estos sistemas. El modelo presentado se basa en un análisis exhaustivo de las características inherentes de los sistemas de integración de datos. La metodología propuesta, por su parte, hace uso de los estándares y tecnologías más extendidos hoy en día en el ámbito de acceso, gestión y compartición de información de carácter biomédico. Asimismo, dicha metodologia se basa en el uso de modelos ontológicos como paradigma de caracterización de la información, dado su uso mayoritario en este campo. Se persigue de esta manera ofrecer un marco estándar de diseño y desarrollo de sistemas de integración que evite las implementaciones redundantes tan comunes en esta área. Se lograría así un avance importante en el área del desarrollo de herramientas de integración de datos heterogéneos al proporcionar un marco para el diseño e implementación de estos sistemas. El trabajo de esta tesis doctoral se ha llevado a cabo en el marco de un proyecto europeo de investigación, que ha servido a su vez de entorno de pruebas y validación del modelo y metodología propuestos.

Aspectos metodológicos para la evaluación de sistemas de tomografía por emisión de positrones empleando técnicas Montecarlo, protocolos estandarizados y diferentes trazadores

Esta tesis analiza los elementos que afectan a la evaluación del rendimiento dentro de la técnica de radiodiagnóstico mediante tomografía por emisión de positrones (PET), centrándose en escáneres preclínicos. Se exploran las posibilidades de los protocolos estándar de evaluación sobre los siguientes aspectos: su uso como herramienta para validar programas de simulación Montecarlo, como método para la comparación de escáneres y su validez en el estudio del efecto sobre la calidad de imagen al utilizar radioisótopos alternativos. Inicialmente se estudian los métodos de evaluación orientados a la validación de simulaciones PET, para ello se presenta el programa GAMOS como entorno de simulación y se muestran los resultados de su validación basada en el estándar NEMA NU 4-2008 para escáneres preclínicos. Esta validación se ha realizado mediante la comparación de los resultados simulados frente a adquisiciones reales en el equipo ClearPET, describiendo la metodología de evaluación y selección de los parámetros NEMA. En este apartado también se mencionan las aportaciones desarrolladas en GAMOS para aplicaciones PET, como la inclusión de herramientas para la reconstrucción de imágenes. Por otro lado, la evaluación NEMA del ClearPET es utilizada para comparar su rendimiento frente a otro escáner preclínico: el sistema rPET-1. Esto supone la primera caracterización NEMA NU 4 completa de ambos equipos; al mismo tiempo que se analiza cómo afectan las importantes diferencias de diseño entre ellos, especialmente el tamaño axial del campo de visión y la configuración de los detectores. El 68Ga es uno de los radioisótopos no convencionales en imagen PET que está experimentando un mayor desarrollo, sin embargo, presenta la desventaja del amplio rango o distancia recorrida por el positrón emitido. Además del rango del positrón, otra propiedad física característica de los radioisótopos PET que puede afectar a la imagen es la emisión de fotones gamma adicionales, tal como le ocurre al isótopo 48V. En esta tesis se evalúan dichos efectos mediante estudios de resolución espacial y calidad de imagen NEMA. Finalmente, se analiza el alcance del protocolo NEMA NU 4-2008 cuando se utiliza para este propósito, adaptándolo a tal fin y proponiendo posibles modificaciones. Abstract This thesis analyzes the factors affecting the performance evaluation in positron emission tomography (PET) imaging, focusing on preclinical scanners. It explores the possibilities of standard protocols of assessment on the following aspects: their use as tools to validate Monte Carlo simulation programs, their usefulness as a method for comparing scanners and their validity in the study of the effect of alternative radioisotopes on image quality. Initially we study the methods of performance evaluation oriented to validate PET simulations. For this we present the GAMOS program as a simulation framework and show the results of its validation based on the standard NEMA NU 4-2008 for preclinical PET scanners. This has been accomplished by comparing simulated results against experimental acquisitions in the ClearPET scanner, describing the methodology for the evaluation and selection of NEMA parameters. This section also mentions the contributions developed in GAMOS for PET applications, such as the inclusion of tools for image reconstruction. Furthermore, the evaluation of the ClearPET scanner is used to compare its performance against another preclinical scanner, specifically the rPET-1 system. This is the first complete NEMA NU 4 based characterization study of both systems. At the same time we analyze how do the significant design differences of these two systems, especially the size of the axial field of view and the detectors configuration affect their performance characteristics. 68Ga is one of the unconventional radioisotopes in PET imaging the use of which is currently significantly increasing; however, it presents the disadvantage of the long positron range (distance traveled by the emitted positron before annihilating with an electron). Besides the positron range, additional gamma photon emission is another physical property characteristic of PET radioisotopes that can affect the reconstructed image quality, as it happens to the isotope 48V. In this thesis we assess these effects through studies of spatial resolution and image quality. Finally, we analyze the scope of the NEMA NU 4-2008 to carry out such studies, adapting it and proposing possible modifications.

Modelización de contactos termoelastohidrodinámicos

La mejora en la eficiencia energética y la reducción de la tasa de fallos en los contactos lubricados son aspectos que resultan de gran interés en numerosos sectores de la industria, y plantean en estos momentos nuevas dificultades operativas y retos para un futuro próximo. Los avances tecnológicos han incrementado las exigencias técnicas que se requieren a los aceites para cumplir su función al extender sus variables operativas a un mayor espectro de aplicaciones, tanto de condiciones de funcionamiento como a la gran variedad de nuevos materiales constitutivos de los engranajes en los que se tiene que utilizar. Por ello, actualmente se está incentivado el desarrollo de nuevos procedimientos que permitan comprender el comportamiento de este tipo de contactos lubricados, con el fin de lograr mejoras técnicas en su diseño y la correcta selección del aceite. En esta Tesis Doctoral se presenta una metodología de cálculo numérico que permite simular el comportamiento de contactos elastohidrodinámicos (EHD) puntuales, como puede ser el caso de un rodamiento. La resolución de este problema presenta diversas complejidades matemáticas y exige el desarrollo de un elaborado procedimiento de cálculo basado en técnicas multinivel. Para hacer del procedimiento una herramienta válida en un gran número de condiciones de funcionamiento y tipos de lubricantes, se ha tenido en cuenta en el cálculo la posible aparición de comportamientos no-Newtonianos del lubricante y fenómenos de generación y disipación de calor, provocados por el movimiento relativo del fluido y las superficies en contacto. Para la validación del procedimiento, se han contrastado los resultados numéricos obtenidos con nuestro método, con los resultados numéricos y experimentales publicados por otros autores y con valores experimentales propios medidos en un equipo de ensayo de contacto puntual tipo MTM. El desarrollo de este programa ha dotado a la División de Ingeniería de Máquinas de una herramienta que ha permitido, y sobre todo va permitir, evaluar la importancia de cada uno de los parámetros reológicos en los diferentes problemas que va a tener que abordar, evaluación que hasta el momento se realizaba con métodos aproximados que describen la fenomenología con mucha menos precisión. A la hora de emplear nuestro procedimiento numérico para simular situaciones reales, nos hemos encontrado con el obstáculo de que es muy complicado encontrar, en la bibliografía y bases de datos, los parámetros que caracterizan el comportamiento reológico del lubricante en las condiciones de presión, temperatura y grado de cizallamiento habituales en las que se trabaja en este tipo de contactos, y las pocas medidas que existen para estas condiciones de funcionamiento son poco fiables. Por ello como complemento al objetivo principal de esta Tesis hemos desarrollado una metodología para caracterizar los lubricantes en estas condiciones extremas. Dicha metodología está basada en la buena descripción que hace nuestro programa del coeficiente de fricción, lo que nos ha permitido obtener los parámetros reológicos del III lubricante a partir de las medidas experimentales del coeficiente de fricción generado en un equipo MTM lubricado con el lubricante que se desea caracterizar. Madrid, Octubre de 2012 IV Improving energy efficiency and reducing the failure rate in lubricated contacts are issues that are of great interest in many sectors of industry, and right now posed operational difficulties and new challenges for the near future. Technological advances have increased the technical demands required to oils to fulfil its role by extending its operational variables to a wider range of applications, both operating conditions and to the wide variety of new materials which constitute the gear in which must be used. For this reason, has being encouraged currently to develop new procedures to understand the behaviour of this type of lubricated contacts, in order to achieve improvements in design techniques and the correct oil selection. In this Thesis we present a numerical methodology to simulate the puntual elastohydrodynamic contact behaviour (EHD), such as a roller bearing. The resolution of this problem presents various mathematical complexities and requires the development of an elaborate calculation procedure based on multilevel techniques. To make the procedure a valid tool in a wide range of operating conditions and types of lubricants, has been taken into account in calculating the possible occurrence of non-Newtonian behaviour of the lubricant and phenomena of generation and dissipation of heat, caused by the fluid relative motion and contacting surfaces. For the validation of the method, we have compared the numerical results obtained with our method with numerical and experimental results published by other authors also with own experimental values measured on point-contact test equipment MTM. The development of this program has provided the Machines Engineering Division of a tool that has allowed, and especially will allow to evaluate the importance of each of the rheological parameters on the various problems that will have to be addressed, evaluation performed hitherto described methods that phenomenology approximated with much less accuracy. When using our numerical procedure to simulate real situations we have encountered the obstacle that is very difficult to find, in the literature and database, parameters characterizing the rheological behaviour of the lubricant in the usual conditions of pressure, temperature and shear rate in which you work in this type of contact, and the few measures that exist for these operating conditions are unreliable. Thus in addition to the main objective of this thesis, we have developed a methodology to characterize the lubricants in these extreme conditions. This methodology is based on the good description, which makes our program, of the coefficient of friction, that allowed us to obtain the lubricant rheological parameters from experimental measurements of the friction coefficient generated on lubricated MTM equipment with the lubricant to be characterized.

Semi-supervised subspace clustering and applications to neuroscience

Machine learning techniques are used for extracting valuable knowledge from data. Nowa¬days, these techniques are becoming even more important due to the evolution in data ac¬quisition and storage, which is leading to data with different characteristics that must be exploited. Therefore, advances in data collection must be accompanied with advances in machine learning techniques to solve new challenges that might arise, on both academic and real applications. There are several machine learning techniques depending on both data characteristics and purpose. Unsupervised classification or clustering is one of the most known techniques when data lack of supervision (unlabeled data) and the aim is to discover data groups (clusters) according to their similarity. On the other hand, supervised classification needs data with supervision (labeled data) and its aim is to make predictions about labels of new data. The presence of data labels is a very important characteristic that guides not only the learning task but also other related tasks such as validation. When only some of the available data are labeled whereas the others remain unlabeled (partially labeled data), neither clustering nor supervised classification can be used. This scenario, which is becoming common nowadays because of labeling process ignorance or cost, is tackled with semi-supervised learning techniques. This thesis focuses on the branch of semi-supervised learning closest to clustering, i.e., to discover clusters using available labels as support to guide and improve the clustering process. Another important data characteristic, different from the presence of data labels, is the relevance or not of data features. Data are characterized by features, but it is possible that not all of them are relevant, or equally relevant, for the learning process. A recent clustering tendency, related to data relevance and called subspace clustering, claims that different clusters might be described by different feature subsets. This differs from traditional solutions to data relevance problem, where a single feature subset (usually the complete set of original features) is found and used to perform the clustering process. The proximity of this work to clustering leads to the first goal of this thesis. As commented above, clustering validation is a difficult task due to the absence of data labels. Although there are many indices that can be used to assess the quality of clustering solutions, these validations depend on clustering algorithms and data characteristics. Hence, in the first goal three known clustering algorithms are used to cluster data with outliers and noise, to critically study how some of the most known validation indices behave. The main goal of this work is however to combine semi-supervised clustering with subspace clustering to obtain clustering solutions that can be correctly validated by using either known indices or expert opinions. Two different algorithms are proposed from different points of view to discover clusters characterized by different subspaces. For the first algorithm, available data labels are used for searching for subspaces firstly, before searching for clusters. This algorithm assigns each instance to only one cluster (hard clustering) and is based on mapping known labels to subspaces using supervised classification techniques. Subspaces are then used to find clusters using traditional clustering techniques. The second algorithm uses available data labels to search for subspaces and clusters at the same time in an iterative process. This algorithm assigns each instance to each cluster based on a membership probability (soft clustering) and is based on integrating known labels and the search for subspaces into a model-based clustering approach. The different proposals are tested using different real and synthetic databases, and comparisons to other methods are also included when appropriate. Finally, as an example of real and current application, different machine learning tech¬niques, including one of the proposals of this work (the most sophisticated one) are applied to a task of one of the most challenging biological problems nowadays, the human brain model¬ing. Specifically, expert neuroscientists do not agree with a neuron classification for the brain cortex, which makes impossible not only any modeling attempt but also the day-to-day work without a common way to name neurons. Therefore, machine learning techniques may help to get an accepted solution to this problem, which can be an important milestone for future research in neuroscience. Resumen Las técnicas de aprendizaje automático se usan para extraer información valiosa de datos. Hoy en día, la importancia de estas técnicas está siendo incluso mayor, debido a que la evolución en la adquisición y almacenamiento de datos está llevando a datos con diferentes características que deben ser explotadas. Por lo tanto, los avances en la recolección de datos deben ir ligados a avances en las técnicas de aprendizaje automático para resolver nuevos retos que pueden aparecer, tanto en aplicaciones académicas como reales. Existen varias técnicas de aprendizaje automático dependiendo de las características de los datos y del propósito. La clasificación no supervisada o clustering es una de las técnicas más conocidas cuando los datos carecen de supervisión (datos sin etiqueta), siendo el objetivo descubrir nuevos grupos (agrupaciones) dependiendo de la similitud de los datos. Por otra parte, la clasificación supervisada necesita datos con supervisión (datos etiquetados) y su objetivo es realizar predicciones sobre las etiquetas de nuevos datos. La presencia de las etiquetas es una característica muy importante que guía no solo el aprendizaje sino también otras tareas relacionadas como la validación. Cuando solo algunos de los datos disponibles están etiquetados, mientras que el resto permanece sin etiqueta (datos parcialmente etiquetados), ni el clustering ni la clasificación supervisada se pueden utilizar. Este escenario, que está llegando a ser común hoy en día debido a la ignorancia o el coste del proceso de etiquetado, es abordado utilizando técnicas de aprendizaje semi-supervisadas. Esta tesis trata la rama del aprendizaje semi-supervisado más cercana al clustering, es decir, descubrir agrupaciones utilizando las etiquetas disponibles como apoyo para guiar y mejorar el proceso de clustering. Otra característica importante de los datos, distinta de la presencia de etiquetas, es la relevancia o no de los atributos de los datos. Los datos se caracterizan por atributos, pero es posible que no todos ellos sean relevantes, o igualmente relevantes, para el proceso de aprendizaje. Una tendencia reciente en clustering, relacionada con la relevancia de los datos y llamada clustering en subespacios, afirma que agrupaciones diferentes pueden estar descritas por subconjuntos de atributos diferentes. Esto difiere de las soluciones tradicionales para el problema de la relevancia de los datos, en las que se busca un único subconjunto de atributos (normalmente el conjunto original de atributos) y se utiliza para realizar el proceso de clustering. La cercanía de este trabajo con el clustering lleva al primer objetivo de la tesis. Como se ha comentado previamente, la validación en clustering es una tarea difícil debido a la ausencia de etiquetas. Aunque existen muchos índices que pueden usarse para evaluar la calidad de las soluciones de clustering, estas validaciones dependen de los algoritmos de clustering utilizados y de las características de los datos. Por lo tanto, en el primer objetivo tres conocidos algoritmos se usan para agrupar datos con valores atípicos y ruido para estudiar de forma crítica cómo se comportan algunos de los índices de validación más conocidos. El objetivo principal de este trabajo sin embargo es combinar clustering semi-supervisado con clustering en subespacios para obtener soluciones de clustering que puedan ser validadas de forma correcta utilizando índices conocidos u opiniones expertas. Se proponen dos algoritmos desde dos puntos de vista diferentes para descubrir agrupaciones caracterizadas por diferentes subespacios. Para el primer algoritmo, las etiquetas disponibles se usan para bus¬car en primer lugar los subespacios antes de buscar las agrupaciones. Este algoritmo asigna cada instancia a un único cluster (hard clustering) y se basa en mapear las etiquetas cono-cidas a subespacios utilizando técnicas de clasificación supervisada. El segundo algoritmo utiliza las etiquetas disponibles para buscar de forma simultánea los subespacios y las agru¬paciones en un proceso iterativo. Este algoritmo asigna cada instancia a cada cluster con una probabilidad de pertenencia (soft clustering) y se basa en integrar las etiquetas conocidas y la búsqueda en subespacios dentro de clustering basado en modelos. Las propuestas son probadas utilizando diferentes bases de datos reales y sintéticas, incluyendo comparaciones con otros métodos cuando resulten apropiadas. Finalmente, a modo de ejemplo de una aplicación real y actual, se aplican diferentes técnicas de aprendizaje automático, incluyendo una de las propuestas de este trabajo (la más sofisticada) a una tarea de uno de los problemas biológicos más desafiantes hoy en día, el modelado del cerebro humano. Específicamente, expertos neurocientíficos no se ponen de acuerdo en una clasificación de neuronas para la corteza cerebral, lo que imposibilita no sólo cualquier intento de modelado sino también el trabajo del día a día al no tener una forma estándar de llamar a las neuronas. Por lo tanto, las técnicas de aprendizaje automático pueden ayudar a conseguir una solución aceptada para este problema, lo cual puede ser un importante hito para investigaciones futuras en neurociencia.

High definition video quality assessment metric built upon full reference ratios

Métrica de calidad de video de alta definición construida a partir de ratios de referencia completa. La medida de calidad de video, en inglés Visual Quality Assessment (VQA), es uno de los mayores retos por solucionar en el entorno multimedia. La calidad de vídeo tiene un impacto altísimo en la percepción del usuario final (consumidor) de los servicios sustentados en la provisión de contenidos multimedia y, por tanto, factor clave en la valoración del nuevo paradigma denominado Calidad de la Experiencia, en inglés Quality of Experience (QoE). Los modelos de medida de calidad de vídeo se pueden agrupar en varias ramas según la base técnica que sustenta el sistema de medida, destacando en importancia los que emplean modelos psicovisuales orientados a reproducir las características del sistema visual humano, en inglés Human Visual System, del que toman sus siglas HVS, y los que, por el contrario, optan por una aproximación ingenieril en la que el cálculo de calidad está basado en la extracción de parámetros intrínsecos de la imagen y su comparación. A pesar de los avances recogidos en este campo en los últimos años, la investigación en métricas de calidad de vídeo, tanto en presencia de referencia (los modelos denominados de referencia completa), como en presencia de parte de ella (modelos de referencia reducida) e incluso los que trabajan en ausencia de la misma (denominados sin referencia), tiene un amplio camino de mejora y objetivos por alcanzar. Dentro de ellos, la medida de señales de alta definición, especialmente las utilizadas en las primeras etapas de la cadena de valor que son de muy alta calidad, son de especial interés por su influencia en la calidad final del servicio y no existen modelos fiables de medida en la actualidad. Esta tesis doctoral presenta un modelo de medida de calidad de referencia completa que hemos llamado PARMENIA (PArallel Ratios MEtric from iNtrInsic features Analysis), basado en la ponderación de cuatro ratios de calidad calculados a partir de características intrínsecas de la imagen. Son: El Ratio de Fidelidad, calculado mediante el gradiente morfológico o gradiente de Beucher. El Ratio de Similitud Visual, calculado mediante los puntos visualmente significativos de la imagen a través de filtrados locales de contraste. El Ratio de Nitidez, que procede de la extracción del estadístico de textura de Haralick contraste. El Ratio de Complejidad, obtenido de la definición de homogeneidad del conjunto de estadísticos de textura de Haralick PARMENIA presenta como novedad la utilización de la morfología matemática y estadísticos de Haralick como base de una métrica de medida de calidad, pues esas técnicas han estado tradicionalmente más ligadas a la teledetección y la segmentación de objetos. Además, la aproximación de la métrica como un conjunto ponderado de ratios es igualmente novedosa debido a que se alimenta de modelos de similitud estructural y otros más clásicos, basados en la perceptibilidad del error generado por la degradación de la señal asociada a la compresión. PARMENIA presenta resultados con una altísima correlación con las valoraciones MOS procedentes de las pruebas subjetivas a usuarios que se han realizado para la validación de la misma. El corpus de trabajo seleccionado procede de conjuntos de secuencias validados internacionalmente, de modo que los resultados aportados sean de la máxima calidad y el máximo rigor posible. La metodología de trabajo seguida ha consistido en la generación de un conjunto de secuencias de prueba de distintas calidades a través de la codificación con distintos escalones de cuantificación, la obtención de las valoraciones subjetivas de las mismas a través de pruebas subjetivas de calidad (basadas en la recomendación de la Unión Internacional de Telecomunicaciones BT.500), y la validación mediante el cálculo de la correlación de PARMENIA con estos valores subjetivos, cuantificada a través del coeficiente de correlación de Pearson. Una vez realizada la validación de los ratios y optimizada su influencia en la medida final y su alta correlación con la percepción, se ha realizado una segunda revisión sobre secuencias del hdtv test dataset 1 del Grupo de Expertos de Calidad de Vídeo (VQEG, Video Quality Expert Group) mostrando los resultados obtenidos sus claras ventajas. Abstract Visual Quality Assessment has been so far one of the most intriguing challenges on the media environment. Progressive evolution towards higher resolutions while increasing the quality needed (e.g. high definition and better image quality) aims to redefine models for quality measuring. Given the growing interest in multimedia services delivery, perceptual quality measurement has become a very active area of research. First, in this work, a classification of objective video quality metrics based on their underlying methodologies and approaches for measuring video quality has been introduced to sum up the state of the art. Then, this doctoral thesis describes an enhanced solution for full reference objective quality measurement based on mathematical morphology, texture features and visual similarity information that provides a normalized metric that we have called PARMENIA (PArallel Ratios MEtric from iNtrInsic features Analysis), with a high correlated MOS score. The PARMENIA metric is based on the pooling of different quality ratios that are obtained from three different approaches: Beucher’s gradient, local contrast filtering, and contrast and homogeneity Haralick’s texture features. The metric performance is excellent, and improves the current state of the art by providing a wide dynamic range that make easier to discriminate between very close quality coded sequences, especially for very high bit rates whose quality, currently, is transparent for quality metrics. PARMENIA introduces a degree of novelty against other working metrics: on the one hand, exploits the structural information variation to build the metric’s kernel, but complements the measure with texture information and a ratio of visual meaningful points that is closer to typical error sensitivity based approaches. We would like to point out that PARMENIA approach is the only metric built upon full reference ratios, and using mathematical morphology and texture features (typically used in segmentation) for quality assessment. On the other hand, it gets results with a wide dynamic range that allows measuring the quality of high definition sequences from bit rates of hundreds of Megabits (Mbps) down to typical distribution rates (5-6 Mbps), even streaming rates (1- 2 Mbps). Thus, a direct correlation between PARMENIA and MOS scores are easily constructed. PARMENIA may further enhance the number of available choices in objective quality measurement, especially for very high quality HD materials. All this results come from validation that has been achieved through internationally validated datasets on which subjective tests based on ITU-T BT.500 methodology have been carried out. Pearson correlation coefficient has been calculated to verify the accuracy of PARMENIA and its reliability.

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.

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

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

Modelado de sistemas multimedia para personalización y recomendación híbrida a partir del consumo audiovisual de los usuarios

This doctoral thesis focuses on the modeling of multimedia systems to create personalized recommendation services based on the analysis of users’ audiovisual consumption. Research is focused on the characterization of both users’ audiovisual consumption and content, specifically images and video. This double characterization converges into a hybrid recommendation algorithm, adapted to different application scenarios covering different specificities and constraints. Hybrid recommendation systems use both content and user information as input data, applying the knowledge from the analysis of these data as the initial step to feed the algorithms in order to generate personalized recommendations. Regarding the user information, this doctoral thesis focuses on the analysis of audiovisual consumption to infer implicitly acquired preferences. The inference process is based on a new probabilistic model proposed in the text. This model takes into account qualitative and quantitative consumption factors on the one hand, and external factors such as zapping factor or company factor on the other. As for content information, this research focuses on the modeling of descriptors and aesthetic characteristics, which influence the user and are thus useful for the recommendation system. Similarly, the automatic extraction of these descriptors from the audiovisual piece without excessive computational cost has been considered a priority, in order to ensure applicability to different real scenarios. Finally, a new content-based recommendation algorithm has been created from the previously acquired information, i.e. user preferences and content descriptors. This algorithm has been hybridized with a collaborative filtering algorithm obtained from the current state of the art, so as to compare the efficiency of this hybrid recommender with the individual techniques of recommendation (different hybridization techniques of the state of the art have been studied for suitability). The content-based recommendation focuses on the influence of the aesthetic characteristics on the users. The heterogeneity of the possible users of these kinds of systems calls for the use of different criteria and attributes to create effective recommendations. Therefore, the proposed algorithm is adaptable to different perceptions producing a dynamic representation of preferences to obtain personalized recommendations for each user of the system. The hypotheses of this doctoral thesis have been validated by conducting a set of tests with real users, or by querying a database containing user preferences - available to the scientific community. This thesis is structured based on the different research and validation methodologies of the techniques involved. In the three central chapters the state of the art is studied and the developed algorithms and models are validated via self-designed tests. It should be noted that some of these tests are incremental and confirm the validation of previously discussed techniques. Resumen Esta tesis doctoral se centra en el modelado de sistemas multimedia para la creación de servicios personalizados de recomendación a partir del análisis de la actividad de consumo audiovisual de los usuarios. La investigación se focaliza en la caracterización tanto del consumo audiovisual del usuario como de la naturaleza de los contenidos, concretamente imágenes y vídeos. Esta doble caracterización de usuarios y contenidos confluye en un algoritmo de recomendación híbrido que se adapta a distintos escenarios de aplicación, cada uno de ellos con distintas peculiaridades y restricciones. Todo sistema de recomendación híbrido toma como datos de partida tanto información del usuario como del contenido, y utiliza este conocimiento como entrada para algoritmos que permiten generar recomendaciones personalizadas. Por la parte de la información del usuario, la tesis se centra en el análisis del consumo audiovisual para inferir preferencias que, por lo tanto, se adquieren de manera implícita. Para ello, se ha propuesto un nuevo modelo probabilístico que tiene en cuenta factores de consumo tanto cuantitativos como cualitativos, así como otros factores de contorno, como el factor de zapping o el factor de compañía, que condicionan la incertidumbre de la inferencia. En cuanto a la información del contenido, la investigación se ha centrado en la definición de descriptores de carácter estético y morfológico que resultan influyentes en el usuario y que, por lo tanto, son útiles para la recomendación. Del mismo modo, se ha considerado una prioridad que estos descriptores se puedan extraer automáticamente de un contenido sin exigir grandes requisitos computacionales y, de tal forma que se garantice la posibilidad de aplicación a escenarios reales de diverso tipo. Por último, explotando la información de preferencias del usuario y de descripción de los contenidos ya obtenida, se ha creado un nuevo algoritmo de recomendación basado en contenido. Este algoritmo se cruza con un algoritmo de filtrado colaborativo de referencia en el estado del arte, de tal manera que se compara la eficiencia de este recomendador híbrido (donde se ha investigado la idoneidad de las diferentes técnicas de hibridación del estado del arte) con cada una de las técnicas individuales de recomendación. El algoritmo de recomendación basado en contenido que se ha creado se centra en las posibilidades de la influencia de factores estéticos en los usuarios, teniendo en cuenta que la heterogeneidad del conjunto de usuarios provoca que los criterios y atributos que condicionan las preferencias de cada individuo sean diferentes. Por lo tanto, el algoritmo se adapta a las diferentes percepciones y articula una metodología dinámica de representación de las preferencias que permite obtener recomendaciones personalizadas, únicas para cada usuario del sistema. Todas las hipótesis de la tesis han sido debidamente validadas mediante la realización de pruebas con usuarios reales o con bases de datos de preferencias de usuarios que están a disposición de la comunidad científica. La diferente metodología de investigación y validación de cada una de las técnicas abordadas condiciona la estructura de la tesis, de tal manera que los tres capítulos centrales se estructuran sobre su propio estudio del estado del arte y los algoritmos y modelos desarrollados se validan mediante pruebas autónomas, sin impedir que, en algún caso, las pruebas sean incrementales y ratifiquen la validación de técnicas expuestas anteriormente.

Análisis de los factores determinantes de la repetición del proceso de compra en el comercio electrónico entre empresas y consumidores finales. Aplicación al mercado español

Las Tecnologías de la Información y la Comunicación en general e Internet en particular han supuesto una revolución en nuestra forma de comunicarnos, relacionarnos, producir, comprar y vender acortando tiempo y distancias entre proveedores y consumidores. A la paulatina penetración del ordenador, los teléfonos inteligentes y la banda ancha fija y/o móvil ha seguido un mayor uso de estas tecnologías entre ciudadanos y empresas. El comercio electrónico empresa–consumidor (B2C) alcanzó en 2010 en España un volumen de 9.114 millones de euros, con un incremento del 17,4% respecto al dato registrado en 2009. Este crecimiento se ha producido por distintos hechos: un incremento en el porcentaje de internautas hasta el 65,1% en 2010 de los cuales han adquirido productos o servicios a través de la Red un 43,1% –1,6 puntos porcentuales más respecto a 2010–. Por otra parte, el gasto medio por comprador ha ascendido a 831€ en 2010, lo que supone un incremento del 10,9% respecto al año anterior. Si segmentamos a los compradores según por su experiencia anterior de compra podemos encontrar dos categorías: el comprador novel –que adquirió por primera vez productos o servicios en 2010– y el comprador constante –aquel que había adquirido productos o servicios en 2010 y al menos una vez en años anteriores–. El 85,8% de los compradores se pueden considerar como compradores constantes: habían comprado en la Red en 2010, pero también lo habían hecho anteriormente. El comprador novel tiene un perfil sociodemográfico de persona joven de entre 15–24 años, con estudios secundarios, de clase social media y media–baja, estudiante no universitario, residente en poblaciones pequeñas y sigue utilizando fórmulas de pago como el contra–reembolso (23,9%). Su gasto medio anual ascendió en 2010 a 449€. El comprador constante, o comprador que ya había comprado en Internet anteriormente, tiene un perfil demográfico distinto: estudios superiores, clase alta, trabajador y residente en grandes ciudades, con un comportamiento maduro en la compra electrónica dada su mayor experiencia –utiliza con mayor intensidad canales exclusivos en Internet que no disponen de tienda presencial–. Su gasto medio duplica al observado en compradores noveles (con una media de 930€ anuales). Por tanto, los compradores constantes suponen una mayoría de los compradores con un gasto medio que dobla al comprador que ha adoptado el medio recientemente. Por consiguiente es de interés estudiar los factores que predicen que un internauta vuelva a adquirir un producto o servicio en la Red. La respuesta a esta pregunta no se ha revelado sencilla. En España, la mayoría de productos y servicios aún se adquieren de manera presencial, con una baja incidencia de las ventas a distancia como la teletienda, la venta por catálogo o la venta a través de Internet. Para dar respuesta a las preguntas planteadas se ha investigado desde distintos puntos de vista: se comenzará con un estudio descriptivo desde el punto de vista de la demanda que trata de caracterizar la situación del comercio electrónico B2C en España, poniendo el foco en las diferencias entre los compradores constantes y los nuevos compradores. Posteriormente, la investigación de modelos de adopción y continuidad en el uso de las tecnologías y de los factores que inciden en dicha continuidad –con especial interés en el comercio electrónico B2C–, permiten afrontar el problema desde la perspectiva de las ecuaciones estructurales pudiendo también extraer conclusiones de tipo práctico. Este trabajo sigue una estructura clásica de investigación científica: en el capítulo 1 se introduce el tema de investigación, continuando con una descripción del estado de situación del comercio electrónico B2C en España utilizando fuentes oficiales (capítulo 2). Posteriormente se desarrolla el marco teórico y el estado del arte de modelos de adopción y de utilización de las tecnologías (capítulo 3) y de los factores principales que inciden en la adopción y continuidad en el uso de las tecnologías (capítulo 4). El capítulo 5 desarrolla las hipótesis de la investigación y plantea los modelos teóricos. Las técnicas estadísticas a utilizar se describen en el capítulo 6, donde también se analizan los resultados empíricos sobre los modelos desarrollados en el capítulo 5. El capítulo 7 expone las principales conclusiones de la investigación, sus limitaciones y propone nuevas líneas de investigación. La primera parte corresponde al capítulo 1, que introduce la investigación justificándola desde un punto de vista teórico y práctico. También se realiza una breve introducción a la teoría del comportamiento del consumidor desde una perspectiva clásica. Se presentan los principales modelos de adopción y se introducen los modelos de continuidad de utilización que se estudiarán más detalladamente en el capítulo 3. En este capítulo se desarrollan los objetivos principales y los objetivos secundarios, se propone el mapa mental de la investigación y se planifican en un cronograma los principales hitos del trabajo. La segunda parte corresponde a los capítulos dos, tres y cuatro. En el capítulo 2 se describe el comercio electrónico B2C en España utilizando fuentes secundarias. Se aborda un diagnóstico del sector de comercio electrónico y su estado de madurez en España. Posteriormente, se analizan las diferencias entre los compradores constantes, principal interés de este trabajo, frente a los compradores noveles, destacando las diferencias de perfiles y usos. Para los dos segmentos se estudian aspectos como el lugar de acceso a la compra, la frecuencia de compra, los medios de pago utilizados o las actitudes hacia la compra. El capítulo 3 comienza desarrollando los principales conceptos sobre la teoría del comportamiento del consumidor, para continuar estudiando los principales modelos de adopción de tecnología existentes, analizando con especial atención su aplicación en comercio electrónico. Posteriormente se analizan los modelos de continuidad en el uso de tecnologías (Teoría de la Confirmación de Expectativas; Teoría de la Justicia), con especial atención de nuevo a su aplicación en el comercio electrónico. Una vez estudiados los principales modelos de adopción y continuidad en el uso de tecnologías, el capítulo 4 analiza los principales factores que se utilizan en los modelos: calidad, valor, factores basados en la confirmación de expectativas –satisfacción, utilidad percibida– y factores específicos en situaciones especiales –por ejemplo, tras una queja– como pueden ser la justicia, las emociones o la confianza. La tercera parte –que corresponde al capítulo 5– desarrolla el diseño de la investigación y la selección muestral de los modelos. En la primera parte del capítulo se enuncian las hipótesis –que van desde lo general a lo particular, utilizando los factores específicos analizados en el capítulo 4– para su posterior estudio y validación en el capítulo 6 utilizando las técnicas estadísticas apropiadas. A partir de las hipótesis, y de los modelos y factores estudiados en los capítulos 3 y 4, se definen y vertebran dos modelos teóricos originales que den respuesta a los retos de investigación planteados en el capítulo 1. En la segunda parte del capítulo se diseña el trabajo empírico de investigación definiendo los siguientes aspectos: alcance geográfico–temporal, tipología de la investigación, carácter y ambiente de la investigación, fuentes primarias y secundarias utilizadas, técnicas de recolección de datos, instrumentos de medida utilizados y características de la muestra utilizada. Los resultados del trabajo de investigación constituyen la cuarta parte de la investigación y se desarrollan en el capítulo 6, que comienza analizando las técnicas estadísticas basadas en Modelos de Ecuaciones Estructurales. Se plantean dos alternativas, modelos confirmatorios correspondientes a Métodos Basados en Covarianzas (MBC) y modelos predictivos. De forma razonada se eligen las técnicas predictivas dada la naturaleza exploratoria de la investigación planteada. La segunda parte del capítulo 6 desarrolla el análisis de los resultados de los modelos de medida y modelos estructurales construidos con indicadores formativos y reflectivos y definidos en el capítulo 4. Para ello se validan, sucesivamente, los modelos de medida y los modelos estructurales teniendo en cuenta los valores umbrales de los parámetros estadísticos necesarios para la validación. La quinta parte corresponde al capítulo 7, que desarrolla las conclusiones basándose en los resultados del capítulo 6, analizando los resultados desde el punto de vista de las aportaciones teóricas y prácticas, obteniendo conclusiones para la gestión de las empresas. A continuación, se describen las limitaciones de la investigación y se proponen nuevas líneas de estudio sobre distintos temas que han ido surgiendo a lo largo del trabajo. Finalmente, la bibliografía recoge todas las referencias utilizadas a lo largo de este trabajo. Palabras clave: comprador constante, modelos de continuidad de uso, continuidad en el uso de tecnologías, comercio electrónico, B2C, adopción de tecnologías, modelos de adopción tecnológica, TAM, TPB, IDT, UTAUT, ECT, intención de continuidad, satisfacción, confianza percibida, justicia, emociones, confirmación de expectativas, calidad, valor, PLS. ABSTRACT Information and Communication Technologies in general, but more specifically those related to the Internet in particular, have changed the way in which we communicate, relate to one another, produce, and buy and sell products, reducing the time and shortening the distance between suppliers and consumers. The steady breakthrough of computers, Smartphones and landline and/or wireless broadband has been greatly reflected in its large scale use by both individuals and businesses. Business–to–consumer (B2C) e–commerce reached a volume of 9,114 million Euros in Spain in 2010, representing a 17.4% increase with respect to the figure in 2009. This growth is due in part to two different facts: an increase in the percentage of web users to 65.1% en 2010, 43.1% of whom have acquired products or services through the Internet– which constitutes 1.6 percentage points higher than 2010. On the other hand, the average spending by individual buyers rose to 831€ en 2010, constituting a 10.9% increase with respect to the previous year. If we select buyers according to whether or not they have previously made some type of purchase, we can divide them into two categories: the novice buyer–who first made online purchases in 2010– and the experienced buyer: who also made purchases in 2010, but had done so previously as well. The socio–demographic profile of the novice buyer is that of a young person between 15–24 years of age, with secondary studies, middle to lower–middle class, and a non–university educated student who resides in smaller towns and continues to use payment methods such as cash on delivery (23.9%). In 2010, their average purchase grew to 449€. The more experienced buyer, or someone who has previously made purchases online, has a different demographic profile: highly educated, upper class, resident and worker in larger cities, who exercises a mature behavior when making online purchases due to their experience– this type of buyer frequently uses exclusive channels on the Internet that don’t have an actual store. His or her average purchase doubles that of the novice buyer (with an average purchase of 930€ annually.) That said, the experienced buyers constitute the majority of buyers with an average purchase that doubles that of novice buyers. It is therefore of interest to study the factors that help to predict whether or not a web user will buy another product or use another service on the Internet. The answer to this question has proven not to be so simple. In Spain, the majority of goods and services are still bought in person, with a low amount of purchases being made through means such as the Home Shopping Network, through catalogues or Internet sales. To answer the questions that have been posed here, an investigation has been conducted which takes into consideration various viewpoints: it will begin with a descriptive study from the perspective of the supply and demand that characterizes the B2C e–commerce situation in Spain, focusing on the differences between experienced buyers and novice buyers. Subsequently, there will be an investigation concerning the technology acceptance and continuity of use of models as well as the factors that have an effect on their continuity of use –with a special focus on B2C electronic commerce–, which allows for a theoretic approach to the problem from the perspective of the structural equations being able to reach practical conclusions. This investigation follows the classic structure for a scientific investigation: the subject of the investigation is introduced (Chapter 1), then the state of the B2C e–commerce in Spain is described citing official sources of information (Chapter 2), the theoretical framework and state of the art of technology acceptance and continuity models are developed further (Chapter 3) and the main factors that affect their acceptance and continuity (Chapter 4). Chapter 5 explains the hypothesis behind the investigation and poses the theoretical models that will be confirmed or rejected partially or completely. In Chapter 6, the technical statistics that will be used are described briefly as well as an analysis of the empirical results of the models put forth in Chapter 5. Chapter 7 explains the main conclusions of the investigation, its limitations and proposes new projects. First part of the project, chapter 1, introduces the investigation, justifying it from a theoretical and practical point of view. It is also a brief introduction to the theory of consumer behavior from a standard perspective. Technology acceptance models are presented and then continuity and repurchase models are introduced, which are studied more in depth in Chapter 3. In this chapter, both the main and the secondary objectives are developed through a mind map and a timetable which highlights the milestones of the project. The second part of the project corresponds to Chapters Two, Three and Four. Chapter 2 describes the B2C e–commerce in Spain from the perspective of its demand, citing secondary official sources. A diagnosis concerning the e–commerce sector and the status of its maturity in Spain is taken on, as well as the barriers and alternative methods of e–commerce. Subsequently, the differences between experienced buyers, which are of particular interest to this project, and novice buyers are analyzed, highlighting the differences between their profiles and their main transactions. In order to study both groups, aspects such as the place of purchase, frequency with which online purchases are made, payment methods used and the attitudes of the purchasers concerning making online purchases are taken into consideration. Chapter 3 begins by developing the main concepts concerning consumer behavior theory in order to continue the study of the main existing acceptance models (among others, TPB, TAM, IDT, UTAUT and other models derived from them) – paying special attention to their application in e–commerce–. Subsequently, the models of technology reuse are analyzed (CDT, ECT; Theory of Justice), focusing again specifically on their application in e–commerce. Once the main technology acceptance and reuse models have been studied, Chapter 4 analyzes the main factors that are used in these models: quality, value, factors based on the contradiction of expectations/failure to meet expectations– satisfaction, perceived usefulness– and specific factors pertaining to special situations– for example, after receiving a complaint justice, emotions or confidence. The third part– which appears in Chapter 5– develops the plan for the investigation and the sample selection for the models that have been designed. In the first section of the Chapter, the hypothesis is presented– beginning with general ideas and then becoming more specific, using the detailed factors that were analyzed in Chapter 4– for its later study and validation in Chapter 6– as well as the corresponding statistical factors. Based on the hypothesis and the models and factors that were studied in Chapters 3 and 4, two original theoretical models are defined and organized in order to answer the questions posed in Chapter 1. In the second part of the Chapter, the empirical investigation is designed, defining the following aspects: geographic–temporal scope, type of investigation, nature and setting of the investigation, primary and secondary sources used, data gathering methods, instruments according to the extent of their use and characteristics of the sample used. The results of the project constitute the fourth part of the investigation and are developed in Chapter 6, which begins analyzing the statistical techniques that are based on the Models of Structural Equations. Two alternatives are put forth: confirmatory models which correspond to Methods Based on Covariance (MBC) and predictive models– Methods Based on Components–. In a well–reasoned manner, the predictive techniques are chosen given the explorative nature of the investigation. The second part of Chapter 6 explains the results of the analysis of the measurement models and structural models built by the formative and reflective indicators defined in Chapter 4. In order to do so, the measurement models and the structural models are validated one by one, while keeping in mind the threshold values of the necessary statistic parameters for their validation. The fifth part corresponds to Chapter 7 which explains the conclusions of the study, basing them on the results found in Chapter 6 and analyzing them from the perspective of the theoretical and practical contributions, and consequently obtaining conclusions for business management. The limitations of the investigation are then described and new research lines about various topics that came up during the project are proposed. Lastly, all of the references that were used during the project are listed in a final bibliography. Key Words: constant buyer, repurchase models, continuity of use of technology, e–commerce, B2C, technology acceptance, technology acceptance models, TAM, TPB, IDT, UTAUT, ECT, intention of repurchase, satisfaction, perceived trust/confidence, justice, feelings, the contradiction of expectations, quality, value, PLS.

Mejora del autocuidado de pacientes diabéticos en zonas rurales de Panamá a través de tecnologías tic

Durante años, los países de América Latina y en especial Panamá han sufrido grandes cambios sociales, demográficos y epidemiológicos que han provocado un crecimiento de la incidencia y prevalencia de varias enfermedades crónicas no transmisibles como: las cardiopatías, el cáncer y la diabetes. Actualmente, la suma de estas afecciones causa la mayoría de las muertes y discapacidades en la región. Las necesidades de salud varían de un país a otro, inclusive en el interior de un mismo país o de una misma región debido a factores demográficos, socioculturales, económicos y políticos propios de la región, lo cual favorece la desigualdad en el acceso a los servicios de salud. Este hecho pone de manifiesto un aspecto importante de esta tesis de doctorado, que es facilitar el autocuidado de los pacientes diabéticos en tres zonas rurales de Panamá, contribuyendo de esta manera a la planeación e implantación de nuevos servicios TIC en salud para los pacientes diabéticos de tres zonas rurales de Panamá. El objetivo principal de esta tesis doctoral es desarrollar una contextualización del paciente diabético en zonas rurales de Panamá y modelar su autocuidado mediante el uso de las TIC. A través del modelo se busca mejorar la calidad de vida de los pacientes y propiciar estados de equidad en salud. Se continúa con la implementación del modelo en tres zonas rurales diferentes de Panamá. Se concluye con una fase de validación en la que se demuestra que el enfermo de diabetes aumenta la conciencia de la importancia de su tratamiento mejorando su estado de salud y su calidad de vida. La demostración clínica de este resultado está fuera del ámbito de la tesis doctoral. Abstract Through the years, countries of Latin America, Panama in particular have endured great social, demographic and epidemiologic changes, which in turn caused an increase in the occurrence and prevalence of chronic non transmissible diseases, such as: cardiopathy, cancer and diabetes. The sum of these afflictions causes most of the deaths and disabilities in the region nowadays. The healthcare needs vary from one country to another, furthermore the healthcare needs are different from one rural area to another in a given country or region, due demographic, sociocultural, economic and political factors, this favors the inequality in access to health care services. This facts shows one important aspect of this Ph. D. thesis, which is to facilitate the self-care of diabetic patients in three rural areas of Panama, contributing to the planning and implementation of new ICT services in healthcare for diabetic patients in rural areas of Panama. The primary goal of this Ph.D thesis is to develop a contextualization of the diabetic patient in country side of Panama and to model its self-care by means of the use of the ICT. Through model one looks for to improve the quality of life of the patients and to cause states of fairness in health. It continues with the implementation of ICT through a conceptualized model in three different rural areas of Panama. It concludes with a validation phase which shows how the awareness of the diabetes patient increases, about the importance of his/her treatment for the improvement of health and quality of life. The clinic demonstration of this result is not part of this thesis.

Diseño de un modelo de riesgo integral de incendios forestales mediante técnicas multicriterio y su automatización en sistemas de información geográfica : una aplicación en la Comunidad Valenciana

Los incendios forestales son la principal causa de mortalidad de árboles en la Europa mediterránea y constituyen la amenaza más seria para los ecosistemas forestales españoles. En la Comunidad Valenciana, diariamente se despliega cerca de un centenar de vehículos de vigilancia, cuya distribución se apoya, fundamentalmente, en un índice de riesgo de incendios calculado en función de las condiciones meteorológicas. La tesis se centra en el diseño y validación de un nuevo índice de riesgo integrado de incendios, especialmente adaptado a la región mediterránea y que facilite el proceso de toma de decisiones en la distribución diaria de los medios de vigilancia contra incendios forestales. El índice adopta el enfoque de riesgo integrado introducido en la última década y que incluye dos componentes de riesgo: el peligro de ignición y la vulnerabilidad. El primero representa la probabilidad de que se inicie un fuego y el peligro potencial para que se propague, mientras que la vulnerabilidad tiene en cuenta las características del territorio y los efectos potenciales del fuego sobre el mismo. Para el cálculo del peligro potencial se han identificado indicadores relativos a los agentes naturales y humanos causantes de incendios, la ocurrencia histórica y el estado de los combustibles, extremo muy relacionado con la meteorología y las especies. En cuanto a la vulnerabilidad se han empleado indicadores representativos de los efectos potenciales del incendio (comportamiento del fuego, infraestructuras de defensa), como de las características del terreno (valor, capacidad de regeneración…). Todos estos indicadores constituyen una estructura jerárquica en la que, siguiendo las recomendaciones de la Comisión europea para índices de riesgo de incendios, se han incluido indicadores representativos del riesgo a corto plazo y a largo plazo. El cálculo del valor final del índice se ha llevado a cabo mediante la progresiva agregación de los componentes que forman cada uno de los niveles de la estructura jerárquica del índice y su integración final. Puesto que las técnicas de decisión multicriterio están especialmente orientadas a tratar con problemas basados en estructuras jerárquicas, se ha aplicado el método TOPSIS para obtener la integración final del modelo. Se ha introducido en el modelo la opinión de los expertos, mediante la ponderación de cada uno de los componentes del índice. Se ha utilizado el método AHP, para obtener las ponderaciones de cada experto y su integración en un único peso por cada indicador. Para la validación del índice se han empleado los modelos de Ecuaciones de Estimación Generalizadas, que tienen en cuenta posibles respuestas correlacionadas. Para llevarla a cabo se emplearon los datos de oficiales de incendios ocurridos durante el período 1994 al 2003, referenciados a una cuadrícula de 10x10 km empleando la ocurrencia de incendios y su superficie, como variables dependientes. Los resultados de la validación muestran un buen funcionamiento del subíndice de peligro de ocurrencia con un alto grado de correlación entre el subíndice y la ocurrencia, un buen ajuste del modelo logístico y un buen poder discriminante. Por su parte, el subíndice de vulnerabilidad no ha presentado una correlación significativa entre sus valores y la superficie de los incendios, lo que no descarta su validez, ya que algunos de sus componentes tienen un carácter subjetivo, independiente de la superficie incendiada. En general el índice presenta un buen funcionamiento para la distribución de los medios de vigilancia en función del peligro de inicio. No obstante, se identifican y discuten nuevas líneas de investigación que podrían conducir a una mejora del ajuste global del índice. En concreto se plantea la necesidad de estudiar más profundamente la aparente correlación que existe en la provincia de Valencia entre la superficie forestal que ocupa cada cuadrícula de 10 km del territorio y su riesgo de incendios y que parece que a menor superficie forestal, mayor riesgo de incendio. Otros aspectos a investigar son la sensibilidad de los pesos de cada componente o la introducción de factores relativos a los medios potenciales de extinción en el subíndice de vulnerabilidad. Summary Forest fires are the main cause of tree mortality in Mediterranean Europe and the most serious threat to the Spanisf forest. In the Spanish autonomous region of Valencia, forest administration deploys a mobile fleet of 100 surveillance vehicles in forest land whose allocation is based on meteorological index of wildlandfire risk. This thesis is focused on the design and validation of a new Integrated Wildland Fire Risk Index proposed to efficient allocation of vehicles and specially adapted to the Mediterranean conditions. Following the approaches of integrated risk developed last decade, the index includes two risk components: Wildland Fire Danger and Vulnerability. The former represents the probability a fire ignites and the potential hazard of fire propagation or spread danger, while vulnerability accounts for characteristics of the land and potential effects of fire. To calculate the Wildland Fire Danger, indicators of ignition and spread danger have been identified, including human and natural occurrence agents, fuel conditions, historical occurrence and spread rate. Regarding vulnerability se han empleado indicadores representativos de los efectos potenciales del incendio (comportamiento del fuego, infraestructurasd de defensa), como de las características del terreno (valor, capacidad de regeneración…). These indicators make up the hierarchical structure for the index, which, following the criteria of the European Commission both short and long-term indicators have been included. Integration consists of the progressive aggregation of the components that make up every level in risk the index and, after that, the integration of these levels to obtain a unique value for the index. As Munticriteria methods are oriented to deal with hierarchically structured problems and with situations in which conflicting goals prevail, TOPSIS method is used in the integration of components. Multicriteria methods were also used to incorporate expert opinion in weighting of indicators and to carry out the aggregation process into the final index. The Analytic Hierarchy Process method was used to aggregate experts' opinions on each component into a single value. Generalized Estimation Equations, which account for possible correlated responses, were used to validate the index. Historical records of daily occurrence for the period from 1994 to 2003, referred to a 10x10-km-grid cell, as well as the extent of the fires were the dependant variables. The results of validation showed good Wildland Fire Danger component performance, with high correlation degree between Danger and occurrence, a good fit of the logistic model used and a good discrimination power. The vulnerability component has not showed a significant correlation between their values and surface fires, which does not mean the index is not valid, because of the subjective character of some of its components, independent of the surface of the fires. Overall, the index could be used to optimize the preventing resources allocation. Nevertheless, new researching lines are identified and discussed to improve the overall performance of the index. More specifically the need of study the inverse relationship between the value of the wildfire Fire Danger component and the forested surface of each 10 - km cell is set out. Other points to be researched are the sensitivity of the index component´s weight and the possibility of taking into account indicators related to fire fighting resources to make up the vulnerability component.

Numerical Error Prediction and its applications in CFD using tau-estimation

Nowadays, Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers are widely used within the industry to model fluid flow phenomenons. Several fluid flow model equations have been employed in the last decades to simulate and predict forces acting, for example, on different aircraft configurations. Computational time and accuracy are strongly dependent on the fluid flow model equation and the spatial dimension of the problem considered. While simple models based on perfect flows, like panel methods or potential flow models can be very fast to solve, they usually suffer from a poor accuracy in order to simulate real flows (transonic, viscous). On the other hand, more complex models such as the full Navier- Stokes equations provide high fidelity predictions but at a much higher computational cost. Thus, a good compromise between accuracy and computational time has to be fixed for engineering applications. A discretisation technique widely used within the industry is the so-called Finite Volume approach on unstructured meshes. This technique spatially discretises the flow motion equations onto a set of elements which form a mesh, a discrete representation of the continuous domain. Using this approach, for a given flow model equation, the accuracy and computational time mainly depend on the distribution of nodes forming the mesh. Therefore, a good compromise between accuracy and computational time might be obtained by carefully defining the mesh. However, defining an optimal mesh for complex flows and geometries requires a very high level expertize in fluid mechanics and numerical analysis, and in most cases a simple guess of regions of the computational domain which might affect the most the accuracy is impossible. Thus, it is desirable to have an automatized remeshing tool, which is more flexible with unstructured meshes than its structured counterpart. However, adaptive methods currently in use still have an opened question: how to efficiently drive the adaptation ? Pioneering sensors based on flow features generally suffer from a lack of reliability, so in the last decade more effort has been made in developing numerical error-based sensors, like for instance the adjoint-based adaptation sensors. While very efficient at adapting meshes for a given functional output, the latter method is very expensive as it requires to solve a dual set of equations and computes the sensor on an embedded mesh. Therefore, it would be desirable to develop a more affordable numerical error estimation method. The current work aims at estimating the truncation error, which arises when discretising a partial differential equation. These are the higher order terms neglected in the construction of the numerical scheme. The truncation error provides very useful information as it is strongly related to the flow model equation and its discretisation. On one hand, it is a very reliable measure of the quality of the mesh, therefore very useful in order to drive a mesh adaptation procedure. On the other hand, it is strongly linked to the flow model equation, so that a careful estimation actually gives information on how well a given equation is solved, which may be useful in the context of _ -extrapolation or zonal modelling. The following work is organized as follows: Chap. 1 contains a short review of mesh adaptation techniques as well as numerical error prediction. In the first section, Sec. 1.1, the basic refinement strategies are reviewed and the main contribution to structured and unstructured mesh adaptation are presented. Sec. 1.2 introduces the definitions of errors encountered when solving Computational Fluid Dynamics problems and reviews the most common approaches to predict them. Chap. 2 is devoted to the mathematical formulation of truncation error estimation in the context of finite volume methodology, as well as a complete verification procedure. Several features are studied, such as the influence of grid non-uniformities, non-linearity, boundary conditions and non-converged numerical solutions. This verification part has been submitted and accepted for publication in the Journal of Computational Physics. Chap. 3 presents a mesh adaptation algorithm based on truncation error estimates and compares the results to a feature-based and an adjoint-based sensor (in collaboration with Jorge Ponsín, INTA). Two- and three-dimensional cases relevant for validation in the aeronautical industry are considered. This part has been submitted and accepted in the AIAA Journal. An extension to Reynolds Averaged Navier- Stokes equations is also included, where _ -estimation-based mesh adaptation and _ -extrapolation are applied to viscous wing profiles. The latter has been submitted in the Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. Keywords: mesh adaptation, numerical error prediction, finite volume Hoy en día, la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es ampliamente utilizada dentro de la industria para obtener información sobre fenómenos fluidos. La Dinámica de Fluidos Computacional considera distintas modelizaciones de las ecuaciones fluidas (Potencial, Euler, Navier-Stokes, etc) para simular y predecir las fuerzas que actúan, por ejemplo, sobre una configuración de aeronave. El tiempo de cálculo y la precisión en la solución depende en gran medida de los modelos utilizados, así como de la dimensión espacial del problema considerado. Mientras que modelos simples basados en flujos perfectos, como modelos de flujos potenciales, se pueden resolver rápidamente, por lo general aducen de una baja precisión a la hora de simular flujos reales (viscosos, transónicos, etc). Por otro lado, modelos más complejos tales como el conjunto de ecuaciones de Navier-Stokes proporcionan predicciones de alta fidelidad, a expensas de un coste computacional mucho más elevado. Por lo tanto, en términos de aplicaciones de ingeniería se debe fijar un buen compromiso entre precisión y tiempo de cálculo. Una técnica de discretización ampliamente utilizada en la industria es el método de los Volúmenes Finitos en mallas no estructuradas. Esta técnica discretiza espacialmente las ecuaciones del movimiento del flujo sobre un conjunto de elementos que forman una malla, una representación discreta del dominio continuo. Utilizando este enfoque, para una ecuación de flujo dado, la precisión y el tiempo computacional dependen principalmente de la distribución de los nodos que forman la malla. Por consiguiente, un buen compromiso entre precisión y tiempo de cálculo se podría obtener definiendo cuidadosamente la malla, concentrando sus elementos en aquellas zonas donde sea estrictamente necesario. Sin embargo, la definición de una malla óptima para corrientes y geometrías complejas requiere un nivel muy alto de experiencia en la mecánica de fluidos y el análisis numérico, así como un conocimiento previo de la solución. Aspecto que en la mayoría de los casos no está disponible. Por tanto, es deseable tener una herramienta que permita adaptar los elementos de malla de forma automática, acorde a la solución fluida (remallado). Esta herramienta es generalmente más flexible en mallas no estructuradas que con su homóloga estructurada. No obstante, los métodos de adaptación actualmente en uso todavía dejan una pregunta abierta: cómo conducir de manera eficiente la adaptación. Sensores pioneros basados en las características del flujo en general, adolecen de una falta de fiabilidad, por lo que en la última década se han realizado grandes esfuerzos en el desarrollo numérico de sensores basados en el error, como por ejemplo los sensores basados en el adjunto. A pesar de ser muy eficientes en la adaptación de mallas para un determinado funcional, este último método resulta muy costoso, pues requiere resolver un doble conjunto de ecuaciones: la solución y su adjunta. Por tanto, es deseable desarrollar un método numérico de estimación de error más asequible. El presente trabajo tiene como objetivo estimar el error local de truncación, que aparece cuando se discretiza una ecuación en derivadas parciales. Estos son los términos de orden superior olvidados en la construcción del esquema numérico. El error de truncación proporciona una información muy útil sobre la solución: es una medida muy fiable de la calidad de la malla, obteniendo información que permite llevar a cabo un procedimiento de adaptación de malla. Está fuertemente relacionado al modelo matemático fluido, de modo que una estimación precisa garantiza la idoneidad de dicho modelo en un campo fluido, lo que puede ser útil en el contexto de modelado zonal. Por último, permite mejorar la precisión de la solución resolviendo un nuevo sistema donde el error local actúa como término fuente (_ -extrapolación). El presenta trabajo se organiza de la siguiente manera: Cap. 1 contiene una breve reseña de las técnicas de adaptación de malla, así como de los métodos de predicción de los errores numéricos. En la primera sección, Sec. 1.1, se examinan las estrategias básicas de refinamiento y se presenta la principal contribución a la adaptación de malla estructurada y no estructurada. Sec 1.2 introduce las definiciones de los errores encontrados en la resolución de problemas de Dinámica Computacional de Fluidos y se examinan los enfoques más comunes para predecirlos. Cap. 2 está dedicado a la formulación matemática de la estimación del error de truncación en el contexto de la metodología de Volúmenes Finitos, así como a un procedimiento de verificación completo. Se estudian varias características que influyen en su estimación: la influencia de la falta de uniformidad de la malla, el efecto de las no linealidades del modelo matemático, diferentes condiciones de contorno y soluciones numéricas no convergidas. Esta parte de verificación ha sido presentada y aceptada para su publicación en el Journal of Computational Physics. Cap. 3 presenta un algoritmo de adaptación de malla basado en la estimación del error de truncación y compara los resultados con sensores de featured-based y adjointbased (en colaboración con Jorge Ponsín del INTA). Se consideran casos en dos y tres dimensiones, relevantes para la validación en la industria aeronáutica. Este trabajo ha sido presentado y aceptado en el AIAA Journal. También se incluye una extensión de estos métodos a las ecuaciones RANS (Reynolds Average Navier- Stokes), en donde adaptación de malla basada en _ y _ -extrapolación son aplicados a perfiles con viscosidad de alas. Este último trabajo se ha presentado en los Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte G: Journal of Aerospace Engineering. Palabras clave: adaptación de malla, predicción del error numérico, volúmenes finitos

Experimental studies on transitional separated boundary layers

Separated transitional boundary layers appear on key aeronautical processes such as the flow around wings or turbomachinery blades. The aim of this thesis is the study of these flows in representative scenarios of technological applications, gaining knowledge about phenomenology and physical processes that occur there and, developing a simple model for scaling them. To achieve this goal, experimental measurements have been carried out in a low speed facility, ensuring the flow homogeneity and a low disturbances level such that unwanted transitional mechanisms are avoided. The studied boundary layers have been developed on a flat plate, by imposing a pressure gradient by means of contoured walls. They generate an initial acceleration region followed by a deceleration zone. The initial region is designed to obtain at the beginning of the deceleration the Blasius profile, characterized by its momentum thickness, and an edge boundary layer velocity, defining the problem characteristic velocity. The deceleration region is designed to obtain a linear evolution of the edge velocity, thereby defining the characteristic length of the problem. Several experimental techniques, both intrusive (hot wire anemometry, total pressure probes) as nonintrusive (PIV and LDV anemometry, high-speed filming), have been used in order to take advantage of each of them and allow cross-validation of the results. Once the boundary layer at the deceleration beginning has been characterized, ensuring the desired integral parameters and level of disturbance, the evolution of the laminar boundary layer up to the point of separation is studied. It has been compared with integral methods, and numerical simulations. In view of the results a new model for this evolution is proposed. Downstream from the separation, the flow near to the wall is configured as a shear layer that encloses low momentum recirculating fluid. The region where the shear layer remains laminar tends to be positioned to compensate the adverse pressure gradient associated with the imposed deceleration. Under these conditions, the momentum thickness remains almost constant. This laminar shear layer region extends up to where transitional phenomena appear, extension that scales with the momentum thickness at separation. These transitional phenomena are of inviscid type, similar to those found in free shear layers. The transitional region analysis begins with a study of the disturbances evolution in the linear growth region and the comparison of experimental results with a numerical model based on Linear Stability Theory for parallel flows and with data from other authors. The results’ coalescence for both the disturbances growth and the excited frequencies is stated. For the transition final stages the vorticity concentration into vortex blobs is found, analogously to what happens in free shear layers. Unlike these, the presence of the wall and the pressure gradient make the large scale structures to move towards the wall and quickly disappear under certain circumstances. In these cases, the recirculating flow is confined into a closed region saying the bubble is closed or the boundary layer reattaches. From the reattachment point, the fluid shows a configuration in the vicinity of the wall traditionally considered as turbulent. It has been observed that existing integral methods for turbulent boundary layers do not fit well to the experimental results, due to these methods being valid only for fully developed turbulent flow. Nevertheless, it has been found that downstream from the reattachment point the velocity profiles are self-similar, and a model has been proposed for the evolution of the integral parameters of the boundary layer in this region. Finally, the phenomenon known as bubble burst is analyzed. It has been checked the validity of existing models in literature and a new one is proposed. This phenomenon is blamed to the inability of the large scale structures formed after the transition to overcome with the adverse pressure gradient, move towards the wall and close the bubble. El estudio de capas límites transicionales con separación es de gran relevancia en distintas aplicaciones tecnológicas. Particularmente, en tecnología aeronáutica, aparecen en procesos claves, tales como el flujo alrededor de alas o álabes de turbomaquinaria. El objetivo de esta tesis es el estudio de estos flujos en situaciones representativas de las aplicaciones tecnológicas, ganando por un lado conocimiento sobre la fenomenología y los procesos físicos que aparecen y, por otra parte, desarrollando un modelo sencillo para el escalado de los mismos. Para conseguir este objetivo se han realizado ensayos en una instalación experimental de baja velocidad específicamente diseñada para asegurar un flujo homogéneo y con bajo nivel de perturbaciones, de modo que se evita el disparo de mecanismos transicionales no deseados. La capa límite bajo estudio se ha desarrollado sobre una placa plana, imponiendo un gradiente de presión a la misma por medio de paredes de geometría especificada. éstas generan una región inicial de aceleración seguida de una zona de deceleración. La región inicial se diseña para tener en al inicio de la deceleración un perfil de capa límite de Blasius, caracterizado por su espesor de cantidad de movimiento, y una cierta velocidad externa a la capa límite que se considera la velocidad característica del problema. La región de deceleración está concebida para que la variación de la velocidad externa a la capa límite sea lineal, definiendo de esta forma una longitud característica del problema. Los ensayos se han realizado explotando varias técnicas experimentales, tanto intrusivas (anemometría de hilo caliente, sondas de presión total) como no intrusivas (anemometrías láser y PIV, filmación de alta velocidad), de cara a aprovechar las ventajas de cada una de ellas y permitir validación cruzada de resultados entre las mismas. Caracterizada la capa límite al comienzo de la deceleración, y garantizados los parámetros integrales y niveles de perturbación deseados se procede al estudio de la zona de deceleración. Se presenta en la tesis un análisis de la evolución de la capa límite laminar desde el inicio de la misma hasta el punto de separación, comparando con métodos integrales, simulaciones numéricas, y proponiendo un nuevo modelo para esta evolución. Aguas abajo de la separación, el flujo en las proximidades de la pared se configura como una capa de cortadura que encierra una región de fluido recirculatorio de baja cantidad de movimiento. Se ha caracterizado la región en que dicha capa de cortadura permanece laminar, encontrando que se posiciona de modo que compensa el gradiente adverso de presión asociado a la deceleración de la corriente. En estas condiciones, el espesor de cantidad de movimiento permanece prácticamente constante y esta capa de cortadura laminar se extiende hasta que los fenómenos transicionales aparecen. Estos fenómenos son de tipo no viscoso, similares a los que aparecen en una capa de cortadura libre. El análisis de la región transicional comienza con un estudio de la evolución de las vii viii RESUMEN perturbaciones en la zona de crecimiento lineal de las mismas y la comparación de los resultados experimentales con un modelo numérico y con datos de otros autores. La coalescencia de los resultados tanto para el crecimiento de las perturbaciones como para las frecuencias excitadas queda demostrada. Para los estadios finales de la transición se observa la concentración de la vorticidad en torbellinos, de modo análogo a lo que ocurre en capas de cortadura libres. A diferencia de estas, la presencia de la pared y del gradiente de presión hace que, bajo ciertas condiciones, la gran escala se desplace hacia la pared y desaparezca rápidamente. En este caso el flujo recirculatorio queda confinado en una región cerrada y se habla de cierre de la burbuja o readherencia de la capa límite. A partir del punto de readherencia se tiene una configuración fluida en las proximidades de la pared que tradicionalmente se ha considerado turbulenta. Se ha observado que los métodos integrales existentes para capas límites turbulentas no ajustan bien a las medidas experimentales realizadas, hecho imputable a que no se obtiene en dicha región un flujo turbulento plenamente desarrollado. Se ha encontrado, sin embargo, que pasado el punto de readherencia los perfiles de velocidad próximos a la pared son autosemejantes entre sí y se ha propuesto un modelo para la evolución de los parámetros integrales de la capa límite en esta región. Finalmente, el fenómeno conocido como “estallido” de la burbuja se ha analizado. Se ha comprobado la validez de los modelos existentes en la literatura y se propone uno nuevo. Este fenómeno se achaca a la incapacidad de la gran estructura formada tras la transición para vencer el gradiente adverso de presión, desplazarse hacia la pared y cerrar la burbuja.

Estudio energético comparativo de diferentes configuraciones de ciclo combinado

El objetivo del presente proyecto consiste en la modelización y optimización de una planta de gasificación integrada en ciclo combinado de 400 MW de potencia neta, mediante el uso del programa Cycle-Tempo, desarrollado por la Universidad de Delft. Para la modelización de la planta, se ha dividido en sus dos unidades principales: la isla de gasificación y el ciclo combinado. Para la validación del modelo de la isla de gasificación, se ha utilizado una composición de referencia de un combustible gasificable y se ha obtenido la composición del gas de síntesis esperada. Se han modelado y optimizado varias configuraciones de ciclo combinado, variando los parámetros característicos de la caldera de recuperación de calor. Se ha realizado la integración de las dos unidades para maximizar la potencia entregada por la planta. Finalmente, se ha estimado el balance anual de energía del ciclo combinado alimentado con gas natural y con el gas de síntesis, con el fin de comparar las rentabilidades económicas obtenidas. Mediante el estudio realizado, se deduce que la forma más eficiente de producir energía, a partir del uso del carbón, es la tecnología de gasificación integrada en ciclo combinado, pese a que su rendimiento sea inferior al ciclo combinado alimentado con gas natural. ABSTRACT The aim of this project is the modeling and optimization of an integrated gasification combined cycle plant of 400 MW net power, using the Cycle-Tempo program, developed by the University of Delft. For the modeling of the plant, it has been divided into its two main units: the island of gasification and the combined cycle. For the model validation of the gasification island, a reference composition of a gasifiable fuel has been used and the expected synthesis gas composition was obtained. Several configurations of combined cycle have been modeled and optimized by varying the characteristic parameters of the heat recovery steam generator. It has made the integration of the two units to reach maximum optimization of power, which has been delivered by the plant. Finally, it has been estimated the annual energy balance for the combined cycle plant fueled with natural gas and with syngas, in order to compare the profitability obtained with each one. Through the study, it is deduced that the most efficient way to produce energy from the use of coal, is the integrated gasification combined cycle technology, although their performance is lower than that obtained from the combined cycle fueled with natural gas.

Análisis experimental y computacional de modelos termofluidomecánicos para el diseño de ingeniería con metales líquidos

Es importante disponer de una herramienta con la cual diseñar dispositivos de uso industrial y comercial que trabajen con metales líquidos (fuentes de neutrones de alta intensidad, núcleos de sistemas de transmutación nuclear, reactores de fisión de nueva generación, instalaciones de irradiación de materiales o reactores de fusión nuclear). Los códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) son una de esas herramientas, y la manera de llevar a cabo su validación es la simulación de experimentos existentes. La turbulencia y la presencia de dos o más fases, son los dos principales problemas a los que tiene que hacer frente un código CFD. La mayoría de los modelos de turbulencia presentes en los códigos CFD se basan en considerar la proporcionalidad directa entre el transporte de cantidad de movimiento turbulento y el transporte turbulento de calor. Precisamente, el coeficiente de difusión del calor turbulento, se asume que sea proporcional a la viscosidad turbulenta a través de una constante empírica, llamada número de Prandtl turbulento. El valor de este número, en los códigos comerciales está entre 0,9 y 0,85 dependiendo del modelo de turbulencia, lo cual significa que en los códigos se asume que el transporte turbulento tanto de cantidad de movimiento como de calor, son prácticamente equivalentes. Esta asunción no es cierta en los flujos de metales líquidos, donde se demuestra que la transmisión de calor por turbulencia es pequeña frente a la transmisión de calor molecular. La solución pasa por aumentar el número de Prandtl turbulento, o abandonar la analogía de Reynolds, en el tratamiento de la turbulencia. Por otro lado, en los metales líquidos la capa límite térmica es más ancha que la de velocidad, y las funciones de pared incluidas en los códigos no satisfacen adecuadamente los flujos turbulentos de los fluidos con bajo número de Prantdl (los metales líquidos). Sí serían adecuados, si el mallado es tal, que la celda más cercana a la pared, está dentro de la subcapa laminar, en la cual la propiedad dominante es la conductividad molecular. En la simulación de flujo multifase los códigos se encuentran con una serie de dificultades, que en el caso de que las densidades de los fluidos que intervienen sean muy diferentes entre sí (como ocurre con los metales líquidos y los gases), serán aún mayores. La modelización de la interfase gas metal líquido, así como el encontrar una correlación válida para los coeficientes de resistencia y sustentación para el movimiento de las burbujas en el seno del metal líquido, son dos de los principales retos en la simulación de este tipo de flujos. Las dificultades no se limitan sólo a la simulación mediante CFD, las medidas experimentales de velocidad de las burbujas y del metal líquido también son complicadas. Hay parámetros que no se pueden definir bien: la trayectoria y la forma de las burbujas entre ellos. En el campo de aplicación industrial de los metales líquidos, los altos valores de los coeficientes de expansión volumétrica y de conductividad térmica hacen que estos fluidos sean muy atractivos en la refrigeración por convección libre en dispositivos de alta densidad de potencia. Tomando como base uno de los diseños de ADS (Accelerator Driven System), y teniendo en cuenta la dificultad que conlleva el uso de múltiples modelos físicos, los cálculos realizados muestran cómo, en caso de fallo eléctrico, la operación de la instalación puede continuar de forma segura. Para la validación de los códigos CFD en su uso como herramienta de diseño, uno de los fenómenos donde cuantitativamente más dificultades encuentran los códigos es en los que aparecen en la modelización de las superficies libres. Un buen ajuste de los modelos multifase y de turbulencia es imprescindible en este tipo de simulaciones. Efectivamente, en la instalación de irradiación de materiales IFMIF, la formación de ondas en la superficie libre del flujo de Litio, es un fenómeno que hay que tratar de evitar, y además se requiere predecir las temperaturas, para ver si hay peligro de ebullición del metal líquido. La simulación llevada a cabo se enfoca al análisis termohidráulico. Variando la velocidad de inyección de Litio desde 10 hasta 20 m/s, se comprueba que las temperaturas máximas quedan alejadas del punto de ebullición del Litio, debido al aumento de presión producido por la fuerza centrífuga. Una de las cuestiones más críticas que se presentan en las fuentes de neutrones sería la refrigeración de la ventana metálica sobre la que incide el haz de protones. La simulación de experimentos como MEGAPIE y TS-1, permite la “visualización” de recirculación en el flujo, de los puntos de estancamiento, de los puntos calientes, etc, y da una fotografía de las zonas críticas del diseño.