Managing daily surgery schedules in a teaching hospital: a mixed-integer optimization approach

Background: This study examined the daily surgical scheduling problem in a teaching hospital. This problem relates to the use of multiple operating rooms and different types of surgeons in a typical surgical day with deterministic operation durations (preincision, incision, and postincision times). Teaching hospitals play a key role in the health-care system; however, existing models assume that the duration of surgery is independent of the surgeon's skills. This problem has not been properly addressed in other studies. We analyze the case of a Spanish public hospital, in which continuous pressures and budgeting reductions entail the more efficient use of resources. Methods: To obtain an optimal solution for this problem, we developed a mixed-integer programming model and user-friendly interface that facilitate the scheduling of planned operations for the following surgical day. We also implemented a simulation model to assist the evaluation of different dispatching policies for surgeries and surgeons. The typical aspects we took into account were the type of surgeon, potential overtime, idling time of surgeons, and the use of operating rooms. Results: It is necessary to consider the expertise of a given surgeon when formulating a schedule: such skill can decrease the probability of delays that could affect subsequent surgeries or cause cancellation of the final surgery. We obtained optimal solutions for a set of given instances, which we obtained through surgical information related to acceptable times collected from a Spanish public hospital. Conclusions: We developed a computer-aided framework with a user-friendly interface for use by a surgical manager that presents a 3-D simulation of the problem. Additionally, we obtained an efficient formulation for this complex problem. However, the spread of this kind of operation research in Spanish public health hospitals will take a long time since there is a lack of knowledge of the beneficial techniques and possibilities that operational research can offer for the health-care system.

Brain-Computer Interfaces: Desarrollo de un sistema de identificación de estados mentales alfa

En el mundo actual las aplicaciones basadas en sistemas biométricos, es decir, aquellas que miden las señales eléctricas de nuestro organismo, están creciendo a un gran ritmo. Todos estos sistemas incorporan sensores biomédicos, que ayudan a los usuarios a controlar mejor diferentes aspectos de la rutina diaria, como podría ser llevar un seguimiento detallado de una rutina deportiva, o de la calidad de los alimentos que ingerimos. Entre estos sistemas biométricos, los que se basan en la interpretación de las señales cerebrales, mediante ensayos de electroencefalografía o EEG están cogiendo cada vez más fuerza para el futuro, aunque están todavía en una situación bastante incipiente, debido a la elevada complejidad del cerebro humano, muy desconocido para los científicos hasta el siglo XXI. Por estas razones, los dispositivos que utilizan la interfaz cerebro-máquina, también conocida como BCI (Brain Computer Interface), están cogiendo cada vez más popularidad. El funcionamiento de un sistema BCI consiste en la captación de las ondas cerebrales de un sujeto para después procesarlas e intentar obtener una representación de una acción o de un pensamiento del individuo. Estos pensamientos, correctamente interpretados, son posteriormente usados para llevar a cabo una acción. Ejemplos de aplicación de sistemas BCI podrían ser mover el motor de una silla de ruedas eléctrica cuando el sujeto realice, por ejemplo, la acción de cerrar un puño, o abrir la cerradura de tu propia casa usando un patrón cerebral propio. Los sistemas de procesamiento de datos están evolucionando muy rápido con el paso del tiempo. Los principales motivos son la alta velocidad de procesamiento y el bajo consumo energético de las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Además, las FPGAs cuentan con una arquitectura reconfigurable, lo que las hace más versátiles y potentes que otras unidades de procesamiento como las CPUs o las GPUs.En el CEI (Centro de Electrónica Industrial), donde se lleva a cabo este TFG, se dispone de experiencia en el diseño de sistemas reconfigurables en FPGAs. Este TFG es el segundo de una línea de proyectos en la cual se busca obtener un sistema capaz de procesar correctamente señales cerebrales, para llegar a un patrón común que nos permita actuar en consecuencia. Más concretamente, se busca detectar cuando una persona está quedándose dormida a través de la captación de unas ondas cerebrales, conocidas como ondas alfa, cuya frecuencia está acotada entre los 8 y los 13 Hz. Estas ondas, que aparecen cuando cerramos los ojos y dejamos la mente en blanco, representan un estado de relajación mental. Por tanto, este proyecto comienza como inicio de un sistema global de BCI, el cual servirá como primera toma de contacto con el procesamiento de las ondas cerebrales, para el posterior uso de hardware reconfigurable sobre el cual se implementarán los algoritmos evolutivos. Por ello se vuelve necesario desarrollar un sistema de procesamiento de datos en una FPGA. Estos datos se procesan siguiendo la metodología de procesamiento digital de señales, y en este caso se realiza un análisis de la frecuencia utilizando la transformada rápida de Fourier, o FFT. Una vez desarrollado el sistema de procesamiento de los datos, se integra con otro sistema que se encarga de captar los datos recogidos por un ADC (Analog to Digital Converter), conocido como ADS1299. Este ADC está especialmente diseñado para captar potenciales del cerebro humano. De esta forma, el sistema final capta los datos mediante el ADS1299, y los envía a la FPGA que se encarga de procesarlos. La interpretación es realizada por los usuarios que analizan posteriormente los datos procesados. Para el desarrollo del sistema de procesamiento de los datos, se dispone primariamente de dos plataformas de estudio, a partir de las cuales se captarán los datos para después realizar el procesamiento: 1. La primera consiste en una herramienta comercial desarrollada y distribuida por OpenBCI, proyecto que se dedica a la venta de hardware para la realización de EEG, así como otros ensayos. Esta herramienta está formada por un microprocesador, un módulo de memoria SD para el almacenamiento de datos, y un módulo de comunicación inalámbrica que transmite los datos por Bluetooth. Además cuenta con el mencionado ADC ADS1299. Esta plataforma ofrece una interfaz gráfica que sirve para realizar la investigación previa al diseño del sistema de procesamiento, al permitir tener una primera toma de contacto con el sistema. 2. La segunda plataforma consiste en un kit de evaluación para el ADS1299, desde la cual se pueden acceder a los diferentes puertos de control a través de los pines de comunicación del ADC. Esta plataforma se conectará con la FPGA en el sistema integrado. Para entender cómo funcionan las ondas más simples del cerebro, así como saber cuáles son los requisitos mínimos en el análisis de ondas EEG se realizaron diferentes consultas con el Dr Ceferino Maestu, neurofisiólogo del Centro de Tecnología Biomédica (CTB) de la UPM. Él se encargó de introducirnos en los distintos procedimientos en el análisis de ondas en electroencefalogramas, así como la forma en que se deben de colocar los electrodos en el cráneo. Para terminar con la investigación previa, se realiza en MATLAB un primer modelo de procesamiento de los datos. Una característica muy importante de las ondas cerebrales es la aleatoriedad de las mismas, de forma que el análisis en el dominio del tiempo se vuelve muy complejo. Por ello, el paso más importante en el procesamiento de los datos es el paso del dominio temporal al dominio de la frecuencia, mediante la aplicación de la transformada rápida de Fourier o FFT (Fast Fourier Transform), donde se pueden analizar con mayor precisión los datos recogidos. El modelo desarrollado en MATLAB se utiliza para obtener los primeros resultados del sistema de procesamiento, el cual sigue los siguientes pasos. 1. Se captan los datos desde los electrodos y se escriben en una tabla de datos. 2. Se leen los datos de la tabla. 3. Se elige el tamaño temporal de la muestra a procesar. 4. Se aplica una ventana para evitar las discontinuidades al principio y al final del bloque analizado. 5. Se completa la muestra a convertir con con zero-padding en el dominio del tiempo. 6. Se aplica la FFT al bloque analizado con ventana y zero-padding. 7. Los resultados se llevan a una gráfica para ser analizados. Llegados a este punto, se observa que la captación de ondas alfas resulta muy viable. Aunque es cierto que se presentan ciertos problemas a la hora de interpretar los datos debido a la baja resolución temporal de la plataforma de OpenBCI, este es un problema que se soluciona en el modelo desarrollado, al permitir el kit de evaluación (sistema de captación de datos) actuar sobre la velocidad de captación de los datos, es decir la frecuencia de muestreo, lo que afectará directamente a esta precisión. Una vez llevado a cabo el primer procesamiento y su posterior análisis de los resultados obtenidos, se procede a realizar un modelo en Hardware que siga los mismos pasos que el desarrollado en MATLAB, en la medida que esto sea útil y viable. Para ello se utiliza el programa XPS (Xilinx Platform Studio) contenido en la herramienta EDK (Embedded Development Kit), que nos permite diseñar un sistema embebido. Este sistema cuenta con: Un microprocesador de tipo soft-core llamado MicroBlaze, que se encarga de gestionar y controlar todo el sistema; Un bloque FFT que se encarga de realizar la transformada rápida Fourier; Cuatro bloques de memoria BRAM, donde se almacenan los datos de entrada y salida del bloque FFT y un multiplicador para aplicar la ventana a los datos de entrada al bloque FFT; Un bus PLB, que consiste en un bus de control que se encarga de comunicar el MicroBlaze con los diferentes elementos del sistema. Tras el diseño Hardware se procede al diseño Software utilizando la herramienta SDK(Software Development Kit).También en esta etapa se integra el sistema de captación de datos, el cual se controla mayoritariamente desde el MicroBlaze. Por tanto, desde este entorno se programa el MicroBlaze para gestionar el Hardware que se ha generado. A través del Software se gestiona la comunicación entre ambos sistemas, el de captación y el de procesamiento de los datos. También se realiza la carga de los datos de la ventana a aplicar en la memoria correspondiente. En las primeras etapas de desarrollo del sistema, se comienza con el testeo del bloque FFT, para poder comprobar el funcionamiento del mismo en Hardware. Para este primer ensayo, se carga en la BRAM los datos de entrada al bloque FFT y en otra BRAM los datos de la ventana aplicada. Los datos procesados saldrán a dos BRAM, una para almacenar los valores reales de la transformada y otra para los imaginarios. Tras comprobar el correcto funcionamiento del bloque FFT, se integra junto al sistema de adquisición de datos. Posteriormente se procede a realizar un ensayo de EEG real, para captar ondas alfa. Por otro lado, y para validar el uso de las FPGAs como unidades ideales de procesamiento, se realiza una medición del tiempo que tarda el bloque FFT en realizar la transformada. Este tiempo se compara con el tiempo que tarda MATLAB en realizar la misma transformada a los mismos datos. Esto significa que el sistema desarrollado en Hardware realiza la transformada rápida de Fourier 27 veces más rápido que lo que tarda MATLAB, por lo que se puede ver aquí la gran ventaja competitiva del Hardware en lo que a tiempos de ejecución se refiere. En lo que al aspecto didáctico se refiere, este TFG engloba diferentes campos. En el campo de la electrónica:  Se han mejorado los conocimientos en MATLAB, así como diferentes herramientas que ofrece como FDATool (Filter Design Analysis Tool).  Se han adquirido conocimientos de técnicas de procesado de señal, y en particular, de análisis espectral.  Se han mejorado los conocimientos en VHDL, así como su uso en el entorno ISE de Xilinx.  Se han reforzado los conocimientos en C mediante la programación del MicroBlaze para el control del sistema.  Se ha aprendido a crear sistemas embebidos usando el entorno de desarrollo de Xilinx usando la herramienta EDK (Embedded Development Kit). En el campo de la neurología, se ha aprendido a realizar ensayos EEG, así como a analizar e interpretar los resultados mostrados en el mismo. En cuanto al impacto social, los sistemas BCI afectan a muchos sectores, donde destaca el volumen de personas con discapacidades físicas, para los cuales, este sistema implica una oportunidad de aumentar su autonomía en el día a día. También otro sector importante es el sector de la investigación médica, donde los sistemas BCIs son aplicables en muchas aplicaciones como, por ejemplo, la detección y estudio de enfermedades cognitivas.

Non-invasive Detection of Cortical Control Signals for Brain-Computer Interfaces

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-05

Towards a web-based progressive handwriting recognition environment for mathematical problem solving

The emergence of pen-based mobile devices such as PDAs and tablet PCs provides a new way to input mathematical expressions to computer by using handwriting which is much more natural and efficient for entering mathematics. This paper proposes a web-based handwriting mathematics system, called WebMath, for supporting mathematical problem solving. The proposed WebMath system is based on client-server architecture. It comprises four major components: a standard web server, handwriting mathematical expression editor, computation engine and web browser with Ajax-based communicator. The handwriting mathematical expression editor adopts a progressive recognition approach for dynamic recognition of handwritten mathematical expressions. The computation engine supports mathematical functions such as algebraic simplification and factorization, and integration and differentiation. The web browser provides a user-friendly interface for accessing the system using advanced Ajax-based communication. In this paper, we describe the different components of the WebMath system and its performance analysis.

Capacity-based cost modeling for light rail and bus rapid transit systems

Choosing between Light Rail Transit (LRT) and Bus Rapid Transit (BRT) systems is often controversial and not an easy task for transportation planners who are contemplating the upgrade of their public transportation services. These two transit systems provide comparable services for medium-sized cities from the suburban neighborhood to the Central Business District (CBD) and utilize similar right-of-way (ROW) categories. The research is aimed at developing a method to assist transportation planners and decision makers in determining the most feasible system between LRT and BRT. ^ Cost estimation is a major factor when evaluating a transit system. Typically, LRT is more expensive to build and implement than BRT, but has significantly lower Operating and Maintenance (OM) costs than BRT. This dissertation examines the factors impacting capacity and costs, and develops cost models, which are a capacity-based cost estimate for the LRT and BRT systems. Various ROW categories and alignment configurations of the systems are also considered in the developed cost models. Kikuchi's fleet size model (1985) and cost allocation method are used to develop the cost models to estimate the capacity and costs. ^ The comparison between LRT and BRT are complicated due to many possible transportation planning and operation scenarios. In the end, a user-friendly computer interface integrated with the established capacity-based cost models, the LRT and BRT Cost Estimator (LBCostor), was developed by using Microsoft Visual Basic language to facilitate the process and will guide the users throughout the comparison operations. The cost models and the LBCostor can be used to analyze transit volumes, alignments, ROW configurations, number of stops and stations, headway, size of vehicle, and traffic signal timing at the intersections. The planners can make the necessary changes and adjustments depending on their operating practices. ^

A research platform for artificial neural networks with applications in pediatric epilepsy

This dissertation established a state-of-the-art programming tool for designing and training artificial neural networks (ANNs) and showed its applicability to brain research. The developed tool, called NeuralStudio, allows users without programming skills to conduct studies based on ANNs in a powerful and very user friendly interface. A series of unique features has been implemented in NeuralStudio, such as ROC analysis, cross-validation, network averaging, topology optimization, and optimization of the activation function’s slopes. It also included a Support Vector Machines module for comparison purposes. Once the tool was fully developed, it was applied to two studies in brain research. In the first study, the goal was to create and train an ANN to detect epileptic seizures from subdural EEG. This analysis involved extracting features from the spectral power in the gamma frequencies. In the second application, a unique method was devised to link EEG recordings to epileptic and nonepileptic subjects. The contribution of this method consisted of developing a descriptor matrix that can be used to represent any EEG file regarding its duration and the number of electrodes. The first study showed that the inter-electrode mean of the spectral power in the gamma frequencies and its duration above a specific threshold performs better than the other frequencies in seizure detection, exhibiting an accuracy of 95.90%, a sensitivity of 92.59%, and a specificity of 96.84%. The second study yielded that Hjorth’s parameter activity is sufficient to accurately relate EEG to epileptic and non-epileptic subjects. After testing, accuracy, sensitivity and specificity of the classifier were all above 0.9667. Statistical tests measured the superiority of activity at over 99.99 % certainty. It was demonstrated that (1) the spectral power in the gamma frequencies is highly effective in locating seizures from EEG and (2) activity can be used to link EEG recordings to epileptic and non-epileptic subjects. These two studies required high computational load and could be addressed thanks to NeuralStudio. From a medical perspective, both methods proved the merits of NeuralStudio in brain research applications. For its outstanding features, NeuralStudio has been recently awarded a patent (US patent No. 7502763).

A practical system for hands-off computer interaction based on electromyogram (EMG)/eye gaze tracking (EGT)

Effective interaction with personal computers is a basic requirement for many of the functions that are performed in our daily lives. With the rapid emergence of the Internet and the World Wide Web, computers have become one of the premier means of communication in our society. Unfortunately, these advances have not become equally accessible to physically handicapped individuals. In reality, a significant number of individuals with severe motor disabilities, due to a variety of causes such as Spinal Cord Injury (SCI), Amyothrophic Lateral Sclerosis (ALS), etc., may not be able to utilize the computer mouse as a vital input device for computer interaction. The purpose of this research was to further develop and improve an existing alternative input device for computer cursor control to be used by individuals with severe motor disabilities. This thesis describes the development and the underlying principle for a practical hands-off human-computer interface based on Electromyogram (EMG) signals and Eye Gaze Tracking (EGT) technology compatible with the Microsoft Windows operating system (OS). Results of the software developed in this thesis show a significant improvement in the performance and usability of the EMG/EGT cursor control HCI.

Planning and operation of large-scale water distribution systems with preemptive priorities

This paper describes the development of an optimization model for the management and operation of a large-scale, multireservoir water supply distribution system with preemptive priorities. The model considers multiobjectives and hedging rules. During periods of drought, when water supply is insufficient to meet the planned demand, appropriate rationing factors are applied to reduce water supply. In this paper, a water distribution system is formulated as a network and solved by the GAMS modeling system for mathematical programming and optimization. A user-friendly interface is developed to facilitate the manipulation of data and to generate graphs and tables for decision makers. The optimization model and its interface form a decision support system (DSS), which can be used to configure a water distribution system to facilitate capacity expansion and reliability studies. Several examples are presented to demonstrate the utility and versatility of the developed DSS under different supply and demand scenarios, including applications to one of the largest water supply systems in the world, the Sao Paulo Metropolitan Area Water Supply Distribution System in Brazil.

Cognitive intervention protocol for age-related memory impairments

With the number of elderly people increasing tremendously worldwide, comes the need for effective methods to maintain or improve older adults' cognitive performance. Using continuous neurofeedback, through the use of EEG techniques, people can learn how to train and alter their brain electrical activity. A software platform that puts together the proposed rehabilitation methodology has been developed: a digital game protocol that supports neurofeedback training of alpha and theta rhythms, by reading the EEG activity and presenting it back to the subject, interleaved with neurocognitive tasks such as n-Back and Corsi Block-Tapping. This tool will be used as a potential rehabilitative platform for age-related memory impairments.

Projecto dum laboratório remoto para automação de processos industriais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Projecto de uma câmara em rede em FPGA

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Modelos e interfaces gráficos para objectos de aprendizagem na área da saúde

A educação é uma área bastante importante no desenvolvimento humano e tem vindo a adaptar-se às novas tecnologias. Tentam-se encontrar novas maneiras de ensinar de modo a obter um rendimento cada vez maior na aprendizagem das pessoas. Com o aparecimento de novas tecnologias como os computadores e a Internet, a concepção de aplicações digitais educativas cresceu e a necessidade de instruir cada vez melhor os alunos leva a que estas aplicações precisem de um interface que consiga leccionar de uma maneira rápida e eficiente. A combinação entre o ensino com o auxílio dessas novas tecnologias e a educação à distância deu origem ao e-Learning (ensino à distância). Através do ensino à distância, as possibilidades de aumento de conhecimento dos alunos aumentaram e a informação necessária tornou-se disponível a qualquer hora em qualquer lugar com acesso à Internet. Mas os cursos criados online tinham custos altos e levavam muito tempo a preparar o que gerou um problema para quem os criava. Para recuperar o investimento realizado decidiu-se dividir os conteúdos em módulos capazes de serem reaproveitados em diferentes contextos e diferentes tipos de utilizadores. Estes conteúdos modulares foram denominados Objectos de Aprendizagem. Nesta tese, é abordado o estudo dos Objectos de Aprendizagem e a sua evolução ao longo dos tempos em termos de interface com o utilizador. A concepção de um interface que seja natural e simples de utilizar nem sempre é fácil e independentemente do contexto em que se insere, requer algum conhecimento de regras que façam com que o utilizador que use determinada aplicação consiga trabalhar com um mínimo de desempenho. Na concepção de Objectos de Aprendizagem, áreas de complexidade elevada como a Medicina levam a que professores ou doutores sintam alguma dificuldade em criar um interface com conteúdos educativos capaz de ensinar com eficiência os alunos, devido ao facto de grande parte deles desconhecerem as técnicas e regras que levam ao desenvolvimento de um interface de uma aplicação. Através do estudo dessas regras e estilos de interacção torna-se mais fácil a criação de um bom interface e ao longo desta tese será estudado e proposto uma ferramenta que ajude tanto na criação de Objectos de Aprendizagem como na concepção do respectivo interface.

AIRMON: análise automática de mensagens LTE

Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores - Área de Especialização de Telecomunicações

gvSIG An Open Source GIS solution for the Android Platform

Dissertation submitted in partial fulfilment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies

Flexible gastrointestinal motility pressure sensors based on aluminum thin-film strain-gauge arrays

This paper reports on an innovative approach to measuring intraluminal pressure in the upper gastrointestinal (GI) tract, especially monitoring GI motility and peristaltic movements. The proposed approach relies on thin-film aluminum strain gauges deposited on top of a Kapton membrane, which in turn lies on top of an SU-8 diaphragm-like structure. This structure enables the Kapton membrane to bend when pressure is applied, thereby affecting the strain gauges and effectively changing their electrical resistance. The sensor, with an area of 3.4 mm2, is fabricated using photolithography and standard microfabrication techniques (wet etching). It features a linear response (R2 = 0.9987) and an overall sensitivity of 2.6 mV mmHg−1. Additionally, its topology allows a high integration capability. The strain gauges’ responses to pressure were studied and the fabrication process optimized to achieve high sensitivity, linearity, and reproducibility. The sequential acquisition of the different signals is carried out by a microcontroller, with a 10-bit ADC and a sample rate of 250 Hz. The pressure signals are then presented in a user-friendly interface, developed using the Integrated Development Environment software, QtCreator IDE, for better visualization by physicians.