Generating Automated News to Explain the Meaning of Sensor Data

An important competence of human data analysts is to interpret and explain the meaning of the results of data analysis to end-users. However, existing automatic solutions for intelligent data analysis provide limited help to interpret and communicate information to non-expert users. In this paper we present a general approach to generating explanatory descriptions about the meaning of quantitative sensor data. We propose a type of web application: a virtual newspaper with automatically generated news stories that describe the meaning of sensor data. This solution integrates a variety of techniques from intelligent data analysis into a web-based multimedia presentation system. We validated our approach in a real world problem and demonstrate its generality using data sets from several domains. Our experience shows that this solution can facilitate the use of sensor data by general users and, therefore, can increase the utility of sensor network infrastructures.

Monte-Carlo dosimetry on a realistic cell monolayer geometry exposed to alpha particles

The energy and specific energy absorbed in the main cell compartments (nucleus and cytoplasm) in typical radiobiology experiments are usually estimated by calculations as they are not accessible for a direct measurement. In most of the work, the cell geometry is modelled using the combination of simple mathematical volumes. We propose a method based on high resolution confocal imaging and ion beam analysis (IBA) in order to import realistic cell nuclei geometries in Monte-Carlo simulations and thus take into account the variety of different geometries encountered in a typical cell population. Seventy-six cell nuclei have been imaged using confocal microscopy and their chemical composition has been measured using IBA. A cellular phantom was created from these data using the ImageJ image analysis software and imported in the Geant4 Monte-Carlo simulation toolkit. Total energy and specific energy distributions in the 76 cell nuclei have been calculated for two types of irradiation protocols: a 3 MeV alpha particle microbeam used for targeted irradiation and a 239Pu alpha source used for large angle random irradiation. Qualitative images of the energy deposited along the particle tracks have been produced and show good agreement with images of DNA double strand break signalling proteins obtained experimentally. The methodology presented in this paper provides microdosimetric quantities calculated from realistic cellular volumes. It is based on open-source oriented software that is publicly available.

Digital libraries for the preservation of research methods and associated artifacts

New digital artifacts are emerging in data-intensive science. For example, scientific workflows are executable descriptions of scientific procedures that define the sequence of computational steps in an automated data analysis, supporting reproducible research and the sharing and replication of best-practice and know-how through reuse. Workflows are specified at design time and interpreted through their execution in a variety of situations, environments, and domains. Hence it is essential to preserve both their static and dynamic aspects, along with the research context in which they are used. To achieve this, we propose the use of multidimensional digital objects (Research Objects) that aggregate the resources used and/or produced in scientific investigations, including workflow models, provenance of their executions, and links to the relevant associated resources, along with the provision of technological support for their preservation and efficient retrieval and reuse. In this direction, we specified a software architecture for the design and implementation of a Research Object preservation system, and realized this architecture with a set of services and clients, drawing together practices in digital libraries, preservation systems, workflow management, social networking and Semantic Web technologies. In this paper, we describe the backbone system of this realization, a digital library system built on top of dLibra.

An Empirical Analysis of the Spanish Gas Price Structure

We can say without hesitation that in energy markets a throughout data analysis is crucial when designing sophisticated models that are able to capture most of the critical market drivers. In this study we will attempt to investigate into Spanish natural gas prices structure to improve understanding of the role they play in the determination of electricity prices and decide in the future about price modelling aspects. To further understand the potential for modelling, this study will focus on the nature and characteristics of the different gas price data available. The fact that the existing gas market in Spain does not incorporate enough liquidity of trade makes it even more critical to analyze in detail available gas price data information that in the end will provide relevant information to understand how electricity prices are affected by natural gas markets. In this sense representative Spanish gas prices are typically difficult to explore given the fact that there is not a transparent gas market yet and all the gas imported in the country is negotiated and purchased by private companies at confidential terms.

Modelo de gestión de la responsabilidad social para las empresas del sector petrolero venezolano

El presente trabajo tiene como objetivo diseñar un modelo de gestión de responsabilidad social sustentado en estándares internacionales para las empresas del sector petrolero venezolano. Esta investigación no se suscribe a un modelo epistémico en particular, como forma parcializada de ver la realidad. Por el contrario, se realizó un abordaje holístico de la investigación, entendiendo el evento de estudio, la gestión de la responsabilidad social, como un evento integrado por distintas visiones de la relación empresa – sociedad. La holística se refiere a una tendencia que permite entender la realidad desde el punto de vista de las múltiples interacciones que la caracterizan. Corresponde a una actitud integradora como también a una teoría explicativa que se orienta hacia una comprensión contextual de los procesos, de los protagonistas y de los eventos. Desde la concepción holística se determinó que la investigación es de tipo proyectiva. Este tipo de investigación propone soluciones a una situación determinada a partir de un proceso de indagación. Implica describir, comparar, explicar y proponer alternativas de cambios, lo que da lugar a los estadios de investigación. En cuanto al diseño de la investigación, aplicando el ciclo holístico, se tiene un diseño que es univariable, transeccional contemporáneo y de fuente mixta. Univariable, porque se enfoca en la gestión de responsabilidad social. Transeccional contemporáneo, porque el evento se estudia en la actualidad y se realiza una sola medición de los datos. De fuente mixta, porque en los estadios descriptivo y explicativo se aplica un diseño de campo, al recolectar los datos directamente en las empresas objeto de estudio, mientras que para los estadios analítico y comparativo se aplica un diseño documental. Las técnicas de recolección de la información estuvieron constituidas por fuentes primarias provenientes de la observación directa, la revisión documental y la aplicación de un cuestionario estructurado tipo escala Likert. El análisis de los datos comprendió el análisis estadístico descriptivo, la estimación de la fiabilidad y el análisis de coeficientes de correlación y análisis de ruta, a través del software estadístico SPSS v.19.0 y AMOS v.20. En los estadios descriptivo y explicativo se estudió la gestión de la responsabilidad social en las empresas del sector petrolero. Los resultados indicaron que las empresas del sector petrolero actúan bajo los lineamientos trazados en el Plan de Desarrollo Nacional y de acuerdo con las políticas, directrices, planes y estrategias para el sector de los hidrocarburos, dictadas por el Ministerio de Energía y Petróleo. También incluyen el compromiso social y la política ambiental en su filosofía de gestión. Tienen en su estructura organizacional una gerencia de desarrollo social que gestiona la responsabilidad social. Las actividades de inversión social se presentan poco estructuradas y en ocasiones se improvisan ya que atienden a los lineamientos políticos del Estado y no a una política interna de sostenibilidad del negocio petrolero. En cuanto a la integralidad de la gestión las empresas no consideran la responsabilidad social en todas las áreas, por lo que deben ampliar su concepción de una gestión responsable, redefiniendo estructuras, estrategias y procesos, con una orientación hacia una gestión sustentable. En cuanto a los estadios analítico y comparativo aplicados al estudio de las guías y estándares internacionales de responsabilidad social, se determinó que en términos de la integralidad de la gestión las iniciativas que destacan son: en cuanto a los principios, las directrices para empresas multinacionales según la OCDE y el Libro Verde de la Unión Europea. En relación con las guías de implementación y control, el Global Reporting Initiative y la norma ISO 26000. Y en cuanto a los sistemas de gestión el Sistema de Gestión Ética y Responsable (SGE 21) y el Sistema de Gestión de Responsabilidad Social IQNET SR10. Finalmente se diseñó una estructura para la gestión integral de responsabilidad social basada en los estándares internacionales y en el concepto de desarrollo sostenible. Por tanto abarca el desarrollo social, el equilibrio ecológico y el crecimiento económico, lo que permite un desarrollo sinérgico. La originalidad del enfoque consistió en la comprensión de la investigación desde una concepción holística, que permitió la integración de las teorías que tratan el tema de la responsabilidad social a través de un abordaje estructurado. ABSTRACT The present research aims to design a model of social responsibility management underpinned by international standards for companies in the Venezuelan oil sector. This research is not framed in a particular epistemic model as a biased way of looking at reality. Instead, a holistic approach to the research was conducted, understanding the event under study, the management of social responsibility as an event composed of different views of the relationship between corporation and society. The term holistic refers to a trend in understanding the reality from the point of view of the multiple interactions that characterize it. It corresponds to an integrative as well as an explanatory theory that is oriented towards a contextual understanding of the processes, of the participants and of the events. From the holistic conception it was determined that this research is of a projective type. The research proposes solutions to a given situation from a process of inquiry. It implies describing, comparing, explaining and proposing alternative changes, which results in the different research stages. Regarding the research design, applying the holistic cycle, an univariate, contemporary cross-sectional and mixed source design is obtained. It is univariate, because it focuses on the management of social responsibility. It is contemporary cross-sectional, because the event is studied in the present time and a single measurement of data is performed. It relies on mixed source, because in the descriptive and explanatory stages a field design is applied when collecting data directly from the companies under study, while for the analytical and comparative stages applies a documentary design is applied. The data collection techniques were constituted by primary sources from direct observation, document review and the implementation of a structured Likert scale questionnaire. The data analysis comprised descriptive statistical analysis, reliability estimates and analysis of correlation and the path analysis through the SPSS v.19.0 and AMOS V.20 statistical software. In the descriptive and explanatory stages social responsibility management in the oil sector companies was studied. The results indicated that the oil companies operate under the guidelines outlined in the National Development Plan and in accordance with the policies, guidelines, plans and strategies for the hydrocarbons sector, issued by the Ministry of Energy and Petroleum. They also include the social commitment and the environmental policy in their management philosophy. They have in their organizational structure a social development management which deals with social responsibility. Corporate social investment is presented poorly structured and is sometimes improvised since they follow the policy guidelines of the state and not the internal sustainability policy of the oil business. As for the integrity of management companies they do not consider social responsibility in all areas, so they need to expand their conception of responsible management, redefining structures, strategies and processes, with a focus on sustainable management. As for the analytical and comparative stages applied to the study of international guidelines and standards of social responsibility, it was determined that, in terms of the comprehensiveness of management, the initiatives that stand out are the following: With respect to principles, the guidelines for multinational enterprises as indicated by OECD and the Green Paper of the European Union. Regarding the implementation and control guides, the Global Reporting Initiative and the ISO 26000 standard are relevant. And as for management systems the Ethics and Responsible Management System (SGE 21) and the IQNet SR10 Social responsibility management system have to be considered. Finally a framework for the comprehensive management of social responsibility based on international standards and the concept of sustainable development was designed. Hence, social development, ecological balance and economic growth are included allowing therefore a synergistic development. The originality of this approach is the understanding of research in a holistic way, which allows the integration of theories that address the issue of social responsibility through a structured approximation.

High-Power High-Efficiency Laser Power Transmission at 100m Using Optimized Multi-Cell GaAs Converter

A high-power high-efficiency laser power transmission system at 100m based on an optimized multi-cell GaAs converter capable of supplying 9.7W of electricity is demonstrated. An I-V testing system integrated with a data acquisition circuit and an analysis software is designed to measure the efficiency and the I-V characteristics of the laser power converter (LPC). The dependencies of the converter’s efficiency with respect to wavelength, laser intensity and temperature are analyzed. A diode laser with 793nm of wavelength and 24W of power is used to test the LPC and the software. The maximum efficiency of the LPC is 48.4% at an input laser power of 8W at room temperature. When the input laser power is 24W (laser intensity of 60000W/m2), the efficiency is 40.4% and the output voltage is 4 V. The overall efficiency from electricity to electricity is 11.6%.

Monitorización y optimización de terapias de tele-neurorrehabilitación cognitiva

El Daño Cerebral Adquirido (DCA) se define como una lesión cerebral que ocurre después del nacimiento y que no guarda relación con defectos congénitos o enfermedades degenerativas. En el cerebro, se llevan a cabo las funciones mentales superiores como la atención, la memoria, las funciones ejecutivas y el lenguaje, consideradas pre-requisitos básicos de la inteligencia. Sea cual sea su causa, todo daño cerebral puede afectar a una o varias de estas funciones, de ahí la gravedad del problema. A pesar de los avances en nuevas técnicas de intervención precoz y el desarrollo de los cuidados intensivos, las afectaciones cerebrales aún no tienen tratamiento ni quirúrgico ni farmacológico que permita una restitución de las funciones perdidas. Los tratamientos de neurorrehabilitación cognitiva y funcional pretenden, por tanto, la minimización o compensación de las alteraciones ocasionadas por una lesión en el sistema nervioso. En concreto, la rehabilitación cognitiva se define como el proceso en el que personas que han sufrido un daño cerebral trabajan de manera conjunta con profesionales de la salud para remediar o aliviar los déficits cognitivos surgidos como consecuencia de un episodio neurológico. Esto se consigue gracias a la naturaleza plástica del sistema nervioso, donde el cerebro es capaz de reconfigurar sus conexiones neuronales, tanto creando nuevas como modificando las ya existentes. Durante los últimos años hemos visto una transformación de la sociedad, en lo que se ha denominado "sociedad de la información", cuyo pilar básico son las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC). La aplicación de estas tecnologías en medicina ha revolucionado la manera en que se proveen los servicios sanitarios. Así, donde tecnología y medicina se mezclan, la telerrehabilitación se define como la rehabilitación a distancia, ayudando a extender los servicios de rehabilitación más allá de los centros hospitalarios, rompiendo las barreras geográficas, mejorando la eficiencia de los procesos y monitorizando en todo momento el estado y evolución del paciente. En este contexto, el objetivo general de la presente tesis es mejorar la rehabilitación neuropsicológica de pacientes que sufren alteraciones cognitivas, mediante el diseño, desarrollo y validación de un sistema de telemedicina que incorpora las TIC para avanzar hacia un nuevo paradigma personalizado, ubicuo y ecológico. Para conseguirlo, se han definido los siguientes objetivos específicos: • Analizar y modelar un sistema de telerrehabilitación, mediante la definición de objetivos y requisitos de usuario para diseñar las diferentes funcionalidades necesarias. • Definir una arquitectura de telerrehabilitación escalable para la prestación de diferentes servicios que agrupe las funcionalidades necesarias en módulos. • Diseñar y desarrollar la plataforma de telerrehabilitación, incluida la interfaz de usuario, creando diferentes roles de usuario con sus propias funcionalidades. • Desarrollar de un módulo de análisis de datos para extraer conocimiento basado en los resultados históricos de las sesiones de rehabilitación almacenadas en el sistema. • Evaluación de los resultados obtenidos por los pacientes después del programa de rehabilitación, obteniendo conclusiones sobre los beneficios del servicio implementado. • Evaluación técnica de la plataforma de telerrehabilitación, así como su usabilidad y la relación coste/beneficio. • Integración de un dispositivo de eye-tracking que permita la monitorización de la atención visual mientras los pacientes ejecutan tareas de neurorrehabilitación. •Diseño y desarrollo de un entorno de monitorización que permita obtener patrones de atención visual. Como resumen de los resultados obtenidos, se ha desarrollado y validado técnicamente la plataforma de telerrehabilitación cognitiva, demostrando la mejora en la eficiencia de los procesos, sin que esto resulte en una reducción de la eficacia del tratamiento. Además, se ha llevado a cabo una evaluación de la usabilidad del sistema, con muy buenos resultados. Respecto al módulo de análisis de datos, se ha diseñado y desarrollado un algoritmo que configura y planifica sesiones de rehabilitación para los pacientes, de manera automática, teniendo en cuenta las características específicas de cada paciente. Este algoritmo se ha denominado Intelligent Therapy Assistant (ITA). Los resultados obtenidos por el asistente muestran una mejora tanto en la eficiencia como en la eficacia de los procesos, comparado los resultados obtenidos con los de la planificación manual llevada a cabo por los terapeutas. Por último, se ha integrado con éxito el dispositivo de eye-tracking en la plataforma de telerrehabilitación, llevando a cabo una prueba con pacientes y sujetos control que ha demostrado la viabilidad técnica de la solución, así como la existencia de diferencias en los patrones de atención visual en pacientes con daño cerebral. ABSTRACT Acquired Brain Injury (ABI) is defined as brain damage that suddenly and unexpectedly appears in people’s life, being the main cause of disability in developed countries. The brain is responsible of the higher cognitive functions such as attention, memory, executive functions or language, which are considered basic requirements of the intelligence. Whatever its cause is, every ABI may affects one or several functions, highlighting the severity of the problem. New techniques of early intervention and the development of intensive ABI care have noticeably improved the survival rate. However, despite these advances, brain injuries still have no surgical or pharmacological treatment to re-establish lost functions. Cognitive rehabilitation is defined as a process whereby people with brain injury work together with health service professionals and others to remediate or alleviate cognitive deficits arising from a neurological insult. This is achieved by taking advantage of the plastic nature of the nervous system, where the brain can reconfigure its connections, both creating new ones, and modifying the previously existing. Neuro-rehabilitation aims to optimize the plastic nature by inducing a reorganization of the neural network, based on specific experiences. Personalized interventions from individual impairment profile will be necessary to optimize the remaining resources by potentiating adaptive responses and inhibiting maladaptive changes. In the last years, some applications and software programs have been developed to train or stimulate cognitive functions of different neuropsychological disorders, such as ABI, Alzheimer, psychiatric disorders, attention deficit or hyperactivity disorder (ADHD). The application of technologies into medicine has changed the paradigm. Telemedicine allows improving the quality of clinical services, providing better access to them and helping to break geographical barriers. Moreover, one of the main advantages of telemedicine is the possibility to extend the therapeutic processes beyond the hospital (e.g. patient's home). As a consequence, a reduction of unnecessary costs and a better costs/benefits ratio are achieved, making possible a more efficient use of the available resources In this context, the main objective of this work is to improve neuro-rehabilitation of patients suffering cognitive deficits, by designing, developing and validating a telemedicine system that incorporates ICTs to change this paradigm, making it more personalized, ubiquitous and ecologic. The following specific objectives have been defined: • To analyse and model a tele-rehabilitation system, defining objectives and user requirements to design the different needed functionalities. • To define a scalable tele-rehabilitation architecture to offer different services grouping functionalities into modules. • To design and develop the tele-rehabilitation platform, including the graphic user interface, creating different user roles and permissions. • To develop a data analysis module to extract knowledge based on the historic results from the rehabilitation sessions stored in the system. • To evaluate the obtained results by patients after the rehabilitation program, arising conclusions about the benefits of the implemented service. • To technically evaluate the tele-rehabilitation platform, and its usability and the costs/benefit ratio. • To integrate an eye-tracking device allowing the monitoring of the visual attention while patients execute rehabilitation tasks. •To design and develop a monitoring environment that allows to obtain visual attention patterns. Summarizing the obtained results, the cognitive tele-rehabilitation platform has been developed and evaluated technically, demonstrating the improvements on the efficiency without worsening the efficacy of the process. Besides, a usability evaluation has been carried out, with very good results. Regarding the data analysis module, an algorithm has been designed and developed to automatically select and configure rehabilitation sessions, taking into account the specific characteristics of each patient. This algorithm is called Intelligent Therapy Assistant (ITA). The obtained results show an improvement both in the efficiency and the efficacy of the process, comparing the results obtained by patients when they receive treatments scheduled manually by therapists. Finally, an eye-tracking device has been integrated in the tele-rehabilitation platform, carrying out a study with patients and control subjects demonstrating the technical viability of the developed monitoring environment. First results also show that there are differences between the visual attention patterns between ABI patients and control subjects.

Estudio acústico y electroacústico de la sala 5 de los cines Kinépolis de Madrid

En el proyecto se realiza el estudio del comportamiento acústico y electroacústico de la sala 5 de los cines Kinépolis de Madrid. El objetivo es determinar las características acústicas de la sala mediante la realización de las medidas in-situ para después analizar y simular la misma con EASE4.4, realizar una sonorización apropiada para reproducción de cine, valorar la sala actual y proponer algunas mejoras. El desarrollo del proyecto se ha dividido en tres partes. En primer lugar, se realizan las medidas espaciales y acústicas in-situ con el programa de toma de medidas Dirac 5.5. En este paso, se obtienen las medidas reales (usadas en la simulación 3D posterior) y los dos parámetros acústicos importantes inherentes a la sala, el tiempo de reverberación y el ruido de fondo. Además, se estudia el conexionado de altavoces y de los equipos instalados en sala. En segundo lugar, se hace la simulación de la sala, para ello se realiza su diseño con el programa de simulación acústica EASE 4.4, con el que se ajustan las condiciones de campo a las existentes en Kinépolis, asegurando que el comportamiento acústico de la sala simulada sea similar al real. También se distribuirá el sistema electroacústico con la descripción del conexionado y la configuración de los altavoces. En la simulación, durante el estudio acústico, además de desarrollar el dimensionado del recinto, se ajustan los materiales de tal manera que el tiempo de reverberación sea el de la sala de estudio considerando también el ruido de fondo. En cuanto al estudio electroacústico, se distribuyen los altavoces en las posiciones medidas in-situ de la instalación y se detalla su conexionado. De esta manera, se realizan los cálculos para ajustar sus respuestas para proporcionar un recubrimiento sonoro uniforme y el efecto precedencia desde la zona frontal al oyente deseado. Finalmente, y a partir de los datos obtenidos en la simulación, se hace una valoración a través de diversos criterios de inteligibilidad, se extraen las conclusiones del estudio y se proponen una serie de mejoras en la sala real para obtener unas prestaciones sonoras óptimas. Se consigue con el proyecto, tras el aprendizaje de las herramientas específicas utilizadas, la recopilación de documentación y el análisis de datos de la sala, aplicar los conceptos teóricos de manera práctica a un caso real. ABSTRACT. During the project is carried out the acoustic and electroacoustic study of the room cinema 5 of the Kinépolis group in Madrid. The objective is to determine the acoustic characteristics of the room by performing the in-situ measurements in order to analyze and simulate it with the software EASE 4.4 making an appropriate sound for movie playback, assess the current room, and propose some improvements. Development of the project is composed of three parts. First, the performing of the spatial and acoustic in-situ measurements with the program Dirac 5.5. On this step, the real measures are obtained (that will be used on the next 3D simulation) and the two important parameters inherent to the room, the reverberation time and the noise level. In addition, the speaker connections and the installations of the cinema’s equipment are studied. Secondly, the simulation of the room cinema is performed. This simulation is done with the acoustic simulation program EASE 4.4 in which its field conditions conform to the conditions of Kinépolis, ensuring that the acoustic behavior of the simulated room is similar to the real room. Also, the electroacustic system is distributed with the wiring and the speaker setup. During the acoustic study of the simulation, in addition to do the dimensions of the cinema room, the materials are adjusted in order to synchronize reverberation time to that of the real room. The noise level is taking in account too. For the electroacustic studio, the speakers will be distributed in the positions measured in-situ to do the installation and its detailed connection. By this way, the calculations are done to adjust to the responses in a way to give a sound uniform coating with the precedence effect desired on the front area of the listeners. Lastly, and from the data obtained in the simulation, an assessment is done through the various criteria of intelligibility, conclusions are drawn from the study and a number of improvements are proposed in the actual room for obtain optimal sound benefits. With this project is achieved, after gain learning of the specific tolls used, the documentation collected and the data analysis of the room, to apply theoretical concepts in a practical way for a real case.

Volume Haptics and Dendritic Spine Editing

Esta tesis se ha desarrollado en el contexto del proyecto Cajal Blue Brain, una iniciativa europea dedicada al estudio del cerebro. Uno de los objetivos de esta iniciativa es desarrollar nuevos métodos y nuevas tecnologías que simplifiquen el análisis de datos en el campo neurocientífico. El presente trabajo se ha centrado en diseñar herramientas que combinen información proveniente de distintos canales sensoriales con el fin de acelerar la interacción y análisis de imágenes neurocientíficas. En concreto se estudiará la posibilidad de combinar información visual con información háptica. Las espinas dendríticas son pequeñas protuberancias que recubren la superficie dendrítica de muchas neuronas del cerebro. A día de hoy, se cree que tienen un papel clave en la transmisión de señales neuronales. Motivo por el cual, el interés por parte de la comunidad científica por estas estructuras ha ido en aumento a medida que las técnicas de adquisición de imágenes mejoraban hasta alcanzar una calidad suficiente para analizar dichas estructuras. A menudo, los neurocientíficos utilizan técnicas de microscopía con luz para obtener los datos que les permitan analizar estructuras neuronales tales como neuronas, dendritas y espinas dendríticas. A pesar de que estas técnicas ofrezcan ciertas ventajas frente a su equivalente electrónico, las técnicas basadas en luz permiten una menor resolución. En particular, estructuras pequeñas como las espinas dendríticas pueden capturarse de forma incorrecta en las imágenes obtenidas, impidiendo su análisis. En este trabajo, se presenta una nueva técnica, que permite editar imágenes volumétricas, mediante un dispositivo háptico, con el fin de reconstruir de los cuellos de las espinas dendríticas. Con este objetivo, en un primer momento se desarrolló un algoritmo que proporciona retroalimentación háptica en datos volumétricos, completando la información que provine del canal visual. Dicho algoritmo de renderizado háptico permite a los usuarios tocar y percibir una isosuperficie en el volumen de datos. El algoritmo asegura un renderizado robusto y eficiente. Se utiliza un método basado en las técnicas de “marching tetrahedra” para la extracción local de una isosuperficie continua, lineal y definida por intervalos. La robustez deriva tanto de una etapa de detección de colisiones continua de la isosuperficie extraída, como del uso de técnicas eficientes de renderizado basadas en un proxy puntual. El método de “marching tetrahedra” propuesto garantiza que la topología de la isosuperficie extraída coincida con la topología de una isosuperficie equivalente determinada utilizando una interpolación trilineal. Además, con el objetivo de mejorar la coherencia entre la información háptica y la información visual, el algoritmo de renderizado háptico calcula un segundo proxy en la isosuperficie pintada en la pantalla. En este trabajo se demuestra experimentalmente las mejoras en, primero, la etapa de extracción de isosuperficie, segundo, la robustez a la hora de mantener el proxy en la isosuperficie deseada y finalmente la eficiencia del algoritmo. En segundo lugar, a partir del algoritmo de renderizado háptico propuesto, se desarrolló un procedimiento, en cuatro etapas, para la reconstrucción de espinas dendríticas. Este procedimiento, se puede integrar en los cauces de segmentación automática y semiautomática existentes como una etapa de pre-proceso previa. El procedimiento está diseñando para que tanto la navegación como el proceso de edición en sí mismo estén controlados utilizando un dispositivo háptico. Se han diseñado dos experimentos para evaluar esta técnica. El primero evalúa la aportación de la retroalimentación háptica y el segundo se centra en evaluar la idoneidad del uso de un háptico como dispositivo de entrada. En ambos casos, los resultados demuestran que nuestro procedimiento mejora la precisión de la reconstrucción. En este trabajo se describen también dos casos de uso de nuestro procedimiento en el ámbito de la neurociencia: el primero aplicado a neuronas situadas en la corteza cerebral humana y el segundo aplicado a espinas dendríticas situadas a lo largo de neuronas piramidales de la corteza del cerebro de una rata. Por último, presentamos el programa, Neuro Haptic Editor, desarrollado a lo largo de esta tesis junto con los diferentes algoritmos ya mencionados. ABSTRACT This thesis took place within the Cajal Blue Brain project, a European initiative dedicated to the study of the brain. One of the main goals of this project is the development of new methods and technologies simplifying data analysis in neuroscience. This thesis focused on the development of tools combining information originating from distinct sensory channels with the aim of accelerating both the interaction with neuroscience images and their analysis. In concrete terms, the objective is to study the possibility of combining visual information with haptic information. Dendritic spines are thin protrusions that cover the dendritic surface of numerous neurons in the brain and whose function seems to play a key role in neural circuits. The interest of the neuroscience community toward those structures kept increasing as and when acquisition methods improved, eventually to the point that the produced datasets enabled their analysis. Quite often, neuroscientists use light microscopy techniques to produce the dataset that will allow them to analyse neuronal structures such as neurons, dendrites and dendritic spines. While offering some advantages compared to their electronic counterpart, light microscopy techniques achieve lower resolutions. Particularly, small structures such as dendritic spines might suffer from a very low level of fluorescence in the final dataset, preventing further analysis. This thesis introduces a new technique enabling the edition of volumetric datasets in order to recreate dendritic spine necks using a haptic device. In order to fulfil this objective, we first presented an algorithm to provide haptic feedback directly from volumetric datasets, as an aid to regular visualization. The haptic rendering algorithm lets users perceive isosurfaces in volumetric datasets, and it relies on several design features that ensure a robust and efficient rendering. A marching tetrahedra approach enables the dynamic extraction of a piecewise linear continuous isosurface. Robustness is derived using a Continuous Collision Detection step coupled with acknowledged proxy-based rendering methods over the extracted isosurface. The introduced marching tetrahedra approach guarantees that the extracted isosurface will match the topology of an equivalent isosurface computed using trilinear interpolation. The proposed haptic rendering algorithm improves the coherence between haptic and visual cues computing a second proxy on the isosurface displayed on screen. Three experiments demonstrate the improvements on the isosurface extraction stage as well as the robustness and the efficiency of the complete algorithm. We then introduce our four-steps procedure for the complete reconstruction of dendritic spines. Based on our haptic rendering algorithm, this procedure is intended to work as an image processing stage before the automatic segmentation step giving the final representation of the dendritic spines. The procedure is designed to allow both the navigation and the volume image editing to be carried out using a haptic device. We evaluated our procedure through two experiments. The first experiment concerns the benefits of the force feedback and the second checks the suitability of the use of a haptic device as input. In both cases, the results shows that the procedure improves the editing accuracy. We also report two concrete cases where our procedure was employed in the neuroscience field, the first one concerning dendritic spines in the human cortex, the second one referring to an ongoing experiment studying dendritic spines along dendrites of mouse cortical pyramidal neurons. Finally, we present the software program, Neuro Haptic Editor, that was built along the development of the different algorithms implemented during this thesis, and used by neuroscientists to use our procedure.

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.

Análisis Post-Hoc de un experimento acerca de TDD

Objetivo: Este Trabajo Fin de Máster (TFM) analiza la importancia de la información poblacional en el análisis de datos de experimentos en IS. Por otro lado se intenta abordar un estudio sobre las posibles metodologías que se pueden usar para realizar dicho análisis. Contexto: El análisis se realiza sobre los resultados de un experimento llevado a cabo por el Grupo de Investigación de IS empírica de la UPM, cuyo objetivo es analizar el impacto que tiene el uso de TDD (Test Driven Development) sobre la calidad y la productividad del desarrollo software en comparación con el desarrollo tradicional TLD. Método de Investigación: Se analizan ocho variables demográficas frente a tres variables respuesta. Las metodologías o técnicas de análisis que se revisan son la Dicotomización, la Correlación de Pearson, la regresión lineal múltiple y la stepwise regression. Resultados: No se encuentran evidencias claras para afirmar que las variables demográficas influyen en los resultados de los experimentos. No obstante los resultados no son del todo concluyentes y queda abierta la investigación a realizarse con una muestra más amplia y representativa. En relación a la metodología de análisis aplicada, la dicotomización y la correlación de Pearson presentan deficiencias que se solventan con la regresión lineal múltiple y la stepwise regression. Conclusión: Resulta de vital importancia encontrar evidencias de la influencia de las características demográficas de los sujetos experimentales en el análisis de los datos experimentos en IS. Se ha encontrado un buen método para analizar esta influencia, pero falta replicar este análisis a más experimentos de IS para obtener resultados mejor fundados.---ABSTRACT---Objective: This Master's Thesis (TFM) discusses the importance of demographic data in the analysis of data from experiments in SE. On the other hand, it attempts to address a study of the possible methodologies that can be used to perform the analysis. Context: The analysis is performed on the results of an experiment conducted by the ESE Research Group of the UPM, aimed at analyzing the impact of the use of TDD (Test Driven Development) on quality and productivity, compared to traditional development TLD (Test Last Development). Research Method: Eight demographic variables were analyzed against three response variables. The methodologies and analysis techniques that are reviewed include dichotomization, Pearson correlation, multiple linear regression and stepwise regression. Results: There is not clear evidence to say that demographic variables influence the results of SE experiments. However the results are not conclusive, and are open to research with a broader and more representative sample. Regarding the applied analysis methodology, dichotomization and Pearson correlation have deficiencies that are solved with multiple linear regression and stepwise regression. Conclusion: It is very important to find evidence on the influence of demographic characteristics of subjects in the data analysis of SE experiments. We found a good way to analyze this influence, but is necessary replicate this analysis on more SE experiments to obtain sound results.