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Brain lesion segmentation using Convolutional Neuronal Networks

  • Bonnín Rosselló, Clara
Deep learning models are driving major advances in many computer vision tasks (image classification, object detection, semantic image segmentation). In particular, deep learning is providing exciting solutions for medical image analysis problems and is seen as a key method for future applications. The goal of the project is to continue the work started at the Image Processing Group at the TSC on magnetic resonance image (MRI) segmentation using 3D convolutional neural networks, Convolutional neural networks (CNN) are powerful tools for learning representations from im-ages. They are being used in a large range of applications, being the state-of-the art in manycomputer vision tasks. In this work, we study the brain tumor segmentation problem using CNNs and the publicly available BraTS dataset. One of the key factors for this task is which training scheme is used since it should deal with memory constraints and should alleviate the high-imbalance nature between healthy and lesion tissue in the brain. Thus, the purpose of this project is to propose a comparison between several training schemes and extensively analyze and evaluate them in terms of the dice score. We evaluate dense-training against patch-sampling, and particularly, fixed-rule against adaptive sampling scheme. Furthermore, variants and modifications of the existing training schemes have been proposed in order to enhance their performance. Finally, several loss functions for each training scheme have been analyzed., Las redes neuronales convolucionales (CNN) son un instrumento potente para aprender representaciones de imágenes. Se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, siendo el estado del arte en muchas tareas de visión por computador. En este trabajo, estudiamos el problema de segmentación de tumores cerebrales utilizando CNNs y la base de datos BraTS disponible públicamente. Uno de los factores clave para esta tarea es qué esquema de entrenamiento utilizar, ya que este debe abordar limitaciones de memoria y debe solventar el desequilibrio entre el tejido sano y el tejido con tumor cerebral. Por lo tanto, el propósito de este proyecto es proponer una comparación entre varios esquemas de entrenamiento y evaluarlos extensivamente en términos de la métrica Dice. Evaluamos el esquema de entrenamiento denso contra el muestreo por parche, y particularmente, el muestreo con una regla fija contra el esquema de muestreo adaptativo. Además, se proponen variantes y modificaciones de las estrategias de entrenamiento existentes para mejorar su funcionamiento. Finalmente, se analizan varias funciones de pérdida para cada esquema de entrenamiento., Les xarxes neuronals convolucionals (CNN) són un instrument potent per aprendre representacions d'imatges. S'utilitzen en una àmplia gamma d'aplicacions, sent l'estat de l'art en moltes tasques de visió per computador. En aquest treball, estudiem el problema de segmentació de tumors cerebrals utilitzant CNNs i la base de dades BraTS disponible públicament. Un dels factors clau per a aquesta tasca és quin esquema d'entrenament utilitzar, ja que aquest ha d'abordar limitacions de memòria i ha de solucionar el desequilibri entre el teixit sa i el teixit amb tumor cerebral. Per tant, el propòsit d'aquest projecte és proposar una comparació entre diversos esquemes d'entrenament i avaluar-los extensivament en termes de la mètrica Dice. Avaluem l'esquema d'entrenament dens contra el mostreig per segment, i particularment, el mostreig amb una regla fixa contra l'esquema de mostreig adaptatiu. A més, es proposen variants i modificacions de les estratègies d'entrenament existents per millorar el seu funcionament. Finalment, s'analitzen diverses funcions de pèrdua per a cada esquema de mostreig.
Project:


Economic evaluation in health research: cohort simultation and applications

  • Pérez Álvarez, Nuria
Currently, resources that may be spent in health care are limited so it is necessary to rationalize their consumption and prioritise their allocation to the options with higher health outcome and economic sustainability. It is for that reason that economic analyses are increasingly included in medicine research as an instrument for evaluating different therapeutic strategies. In this thesis, both cost and health outcome are separately and jointly evaluated to compare different therapeutic strategies to treat diseases in different and specific health areas. The challenge was adapting and implementing the methods to reflect the assessed health issue. The analyses require data, and the main sources to obtain them are clinical studies (prospective or retrospective), or simulation models. The use of simulations avoids to experiment directly to the system of interest, these methods imply a smaller time consumption and cost, and any danger can be caused by the experimentation performance. However, the simulated data always is going to be an approximation of real data. Real data of a clinical trial was used in the assessment of the adherence to antiretroviral treatment promotion program in HIV infected patients. A decision tree was used to study the cost per health gain, measured by means of clinical and health related quality of life outcomes. The simulation of a Spanish cohort of postmenopausal women and their possible osteoporotic fractures was done to assess the performance of two treatments for the prevention of vertebral and non-vertebral fractures in terms of cost-effectiveness. Simulation by means of a Markov model required that the disease evolution and the related events were simplified using a finite number of health states and the probabilities of moving from one state to another as the time go on. Markov models were adapted to reflect that the risk of suffering an event can change over time. This analytical model was applied to elucidate whether co-receptors testing is cost-effective to determine patient¿s suitability to benefit from the use of an antiretroviral treatment that includes maraviroc. All HIV strains require binding to CD4 plus at least one of the 2 co-receptors CCR5 or CXCR4 to enter human cells. Some HIV can use both co-receptors, and some individuals have a mixture of strains. Only patients with exclusively CCR5-tropic HIV are considered eligible to use the CCR5 antagonist maraviroc. A budget impact analyses to assess the economic effects of introducing eculizumab for treating the paroxysmal nocturnal hemoglobinuria was performed. Direct and indirect costs of this disease treatment were estimated and reported from the perspective of the health care system and from the societal perspective. Most of the published clinical studies are focused on measuring health in terms of efficacy and/or safety. But, sometimes the health and well-being quantification is not a direct measurement. Here, the calculation of the burden of disease for osteoporotic women who may suffer from fractures done at an individual level was presented in terms of disability adjusted life years (DALYs). Few studies of burden of diseases are available, and even less for Spanish population and performed using individual characteristics. The pharmacoeconomic studies can be useful in the health resources rationalization, and both budget impact analyses and new health measures are complementary tools. The work performed in this thesis constitutes a good example of methods application and adaptation to answer real clinical questions., Actualment, els recursos destinats a la salut són limitats i es fa necessari racionalitzar-ne el seu consum; cal prioritzar la despesa en opcions que reportin un major benestar i que siguin sostenibles econòmicament. És per aquest motiu, que cada cop hi ha més estudis clínics que inclouen paràmetres econòmics com a instrument per triar entre diferents estratègies terapèutiques. En aquesta tesi, tant el cost com la resposta de salut s'estudien per separat i conjuntament per a comparar diferents estratègies per al tractament de malalties de diferent àrees de salut. El repte es troba en adaptar i implementar la metodologia necessària per a dur a terme el seguiment d'aquests problemas de salut. Les anàlisis requereixen dades i la majoria d'elles provenen d'estudis clínics, ja siguin prospectius o retrospectius, o bé de models de simulació. L'ús de dades simulades evita experimentar directament amb el sistema d'interès, implicant un temps menor, un cost més econòmic i un decreixement del risc d'experimentació necessaris per a l'obtenció de resultats. Per contrapartida, la simulació és una aproximació de les dades reals. D'una banda, l'avaluació d'un programa de promoció de l'adherència al tractament antiretroviral per pacients VIH+ es du a terme amb dades reals recollides en el marc d'un assaig clínic. El cost per unitat de guany en salut, mesurat amb paràmetres clínics i en qualitat de vida, es representa mitjançant un arbre de decisió. A continuació, la simulació d'una cohort de dones espanyoles post menopàusiques i les seves possibles fractures òssies permet comparar, en termes de cost-efectivitat, dos tractaments usats en la prevenció de fractures vertebrals i no vertebrals. Els models de Markov permeten simular el curs de la malaltia fent servir un nombre finit d'esdeveniments que representen els possibles estats de salut i la probabilitat de que un pacient canviï d'estat amb l'adaptació dels models de Markov per permetre que el risc de patir un esdeveniment variï en el temps permet determinar si els tests de co-receptors del VIH són cost-efectius per decidir si un pacient es pot beneficiar del tractament antiretroviral amb maraviroc. Les cadenes de VIH s'han d'unir als CD4, com a mínim, en un dels dos co-receptors possibles, CCR5 o CXCR4, per entrar a la cèl.lula. Alguns virus VIH fan servir els dos co-receptors i alguns individus tenen una mixtura de cadenes de VIH. Els pacients que es poden beneficiar de l'ús de maraviroc son aquells que estan infectats únicament per virus amb el co-receptor CCR5. Per últim, una anàlisis d'impacte pressupostari permet quantificar la despesa econòmica d'introduir eculizumab per a tractar la hemoglobinúria paroxística nocturna. En aquest cas, s'ha fet una estimació de costos directes i indirectes i es reporten des de la perspectiva del sistema sanitari i des de la perspectiva de la societat. La major part d'estudis clínics publicats es centren en la mesura de la salut en termes d'eficàcia i/o de seguretat; però moltes vegades, la salut i el benestar no es poden quantificar de manera directa. En aquest cas, la càrrega de la malaltia de l'osteoporosi en dones post menopàusiques ha estat quantificada mitjançant anys de vida viscuts amb discapacitat (DALYs) calculats a partir de dades obtingudes a nivell d'individu. Actualment es disposa de pocs estudis de càrrega de malaltia, i menys encara per a població espanyola i amb dades individuals. Els estudis farmacoeconòmics són d'utilitat en l'assignació de recursos, i els estudis d'impacte pressupostari i la generació de noves mesures per a quantificar la salut i el benestar son eines complementàries. El treball realitzat en aquesta tesis és un bon exemple d'aplicació i adaptació de l'estadística per a respondre diferents qüestions de rellevància clínica actualment.
Project:


Erweiterung des thermischen Modells zur Bestimmung der optimalen Zellgröße auf Modulebene und Anwendung auf das Fahrzeugkonzept des aCar mobility Projekts

  • Sanchez Zarate, Borja
Das Batteriesystem ist technisch und wirtschaftlich eines der wichtigsten Komponenten eines Elektrofahrzeugs. Sie sind ausschlaggebend für die Leistung, Reichweite und Sicherheit eines Fahrzeugs. Momentan existiert eine Vielzahl an Ausführungen von Batteriesystemen mit unterschiedlichen Zellbauformen und Zellgrößen. Diese Lösungen resultieren mehr aus Kompromissen zwischen Kosten und Fertigbarkeit, als aus wissenschaftlichen Betrachtungen. Um eine aus wissenschaftlicher Sicht optimale Zellgröße zu ermitteln wurde in vorherigen Arbeiten Modelle zum thermischen Verhalten, elektrischer Effizienz und Kosten in Abhängigkeit der Zellgröße erstellt. Im Rahmen dieser Arbeit soll einerseits das Modell zur Bestimmung der thermisch optimalen Zellgröße auf Modulebene erweitert werden. Andererseits sollen die Modelle auf ein Fahrzeugkonzept angewendet werden, um die Frage nach der optimalen Zellgröße für dieses Fahrzeugkonzept zu beantworten. Es handelt sich dabei um ein vollelektrisches Fahrzeug für Sub-Sahara-Afrika. Mithilfe der Anwendung der bestehenden Modelle sollen zudem Probleme identifiziert und behoben werden. Die folgenden Aufgabenpakete sollen bearbeitet werden: • Einarbeitung in den Stand der Modelle zur Bestimmung der optimalen Zellgröße • Erweiterung des thermischen Modells auf Modulebene • Einarbeitung in die Erprobungsdaten vom aCar • Bestimmung der optimalen Zellgröße für das aCar, Outgoing
Project:


Zahnstangensysteme für teilautonome gerüstbaulifte, Racksystems for semi-autonomous scaffolding elevators

  • Grygus Viñas, Josep
Im Rahmen eines Entwicklungsprojektes mit Kewazo, einem in UnternehmerTUM geborenen Startup, wird basierend auf den Mängeln des ersten Prototyps ein Antriebssystem für den nächsten Prototyp entwickelt. Es wird eingehend nach bestehenden Lösungen für den vertikalen Materialtransport gesucht. Nicht nur die Antriebsarten, sondern auch Lösungen, die die Montage, das Höhenwachstum der Struktur, die notwendigen Toleranzen und andere Aspekte betreffen, werden untersucht. Eine Bewertung aller Optionen wird vorgenommen und es wird entschieden, welche für diese Anwendung am besten geeignet ist, basierend auf Leistungs-, Wirtschafts- und anderen vom Kunden festgelegten Kriterien. Innerhalb der Aufzugskategorie, die für dieses Projekt am besten geeignet ist, wird die Suche nach spezifischeren Informationen erweitert. Entsprechende Berechnungen der Tragfähigkeit, Geometrie und der damit verbundenen Kosten werden nach Möglichkeit durchgeführt. Ziel ist es, eine Lösung zu finden, die allen Anforderungen entspricht und Vorteile hinsichtlich Kosten und Gewicht aufweist. Die Arbeit gliedert sich in folgende Arbeitspakete: • Durchführung einer Literaturrecherche zu bestehenden Lösungen für den allgemeinen Transport und spezifisch für den vertikalen Transport • Analyse von verschiedenen Aufzügen, ihren Bauarten, Ausführungen und Anwendungsbereichen • Untersuchung von verschiedenen Verzahnungsarten für Zahnstange-Ritzel Systeme, ihren relevanten Eigenschaften, Kenngrößen sowie ihren Einsatzbereichen • Analyse der Hauptschäden der Verzahnungen für diese Anwendung, der Herstellung und Montageanforderungen und der Lösungen für die Schmierung • Konzeptauswahl auf Basis der relevanten gesammelten Informationen und Anforderungen des Lastenheftes • Analyse der aktuellen Lösung des vorhandenen Prototyps zur Optimierung der folgenden Lösung • Suche und Vorschlag nach neuen Alternativen • Normgerechte Auslegung von zwei nutzbaren Evolventenverzahnungen • Vollständige Dokumentation der durchgeführten Arbeiten, Outgoing
Project:


An innovative solution based on human-computer interaction to support cognitive rehabilitation

  • Cogollor, José M.
  • Pastorino, Matteo
  • Rojo, Javier
  • Fioravanti, Alessio
  • Wing, Alan
  • Arredondo, Maria Teresa
  • Ferre, Manuel
  • Breñosa, Jose
  • Hermsdörfer, Joachim
  • de Teresa, Javier
  • Walton, Clare
  • Worthington, Andrew
  • Giachritsis, Christos
This contribution focuses its objective in describing the design and implementation of an innovative system to provide cognitive rehabilitation. People who will take advantage of this platform suffer from a post-stroke disease called Apraxia and Action Disorganisation Syndrome (AADS). The platform has been integrated at Universidad Politécnica de Madrid and tries to reduce the stay in hospital or rehabilitation center by supporting self-rehabilitation at home. So, the system acts as an intelligent machine that guides patients while executing Activities of Daily Living (ADL), Journal of Accessibility and Design for All (CC) JACCES, 2014 - 4(3): 238-254. ISSN: 2013-7087 J. M. Cogollor, M. Pastorino, J. Rojo, A. Fioravanti, A. Wing, M. T. Arredondo, M. Ferre, J. Breñosa, J. Hermsdörfer, J. De Teresa, C. Walton, A. Worthington, C. Giachritsis  239 such as preparing a simple tea, by informing them about the errors committed and possible actions to correct them. A short introduction to other works related to stroke, patients to work with, how the system works and how it is implemented are provided in the document. Finally, some relevant information from experiment made with healthy people for technical validation is also shown., Peer Reviewed
Project:


Stabilitätsbetrachtungen zu VSC-HGÜ-Systemen

  • Sanz López, Víctor
Der Eintritt in das 21. Jahrhundert hat viele neue Erfindungen gebracht, aber es gibt noch viele Probleme für die Zukunft. Die nicht erneuerbaren Energiequellen können bald der Vergangenheit angehören und jetzt kommt der Moment für neue Energien, um die ökologische Nachhaltigkeit in der Zukunft zu erreichen. Noch brauchen diese neuen Energien viele neue Entwicklungen in der Technik., Outgoing
Project:


CFD Simulation von Spurensto kondensation beim Absaugen von Koks in einem Flugstromvergaser

  • Girón Jara, Daniel
CFD Simulation von Spurenstoffkondensation beim Absaugen von Koks in einem Flugstromvergaser Im Rahmen von Flugstromvergasungsversuchen kommt eine gekühlte Absauglanze zum Einsatz, welche Gas- und Koksproben aus dem Prozess entnimmt. Die Koksproben werden anschlieÿend auf Ihre Spurenstoffanteile hin untersucht, um festzustellen, inwiefern sich über die Feststoff- analyse der Probe das Freisetzungsverhalten im Prozess darstellen lässt. Beim Absaugen der Probe durch das schnelle Abkühlen der Gas/Koks Mischung Kondensation von bereits freigesetzten Spurenstoffen findet statt. Ein besseres Verständnis des Kondensationsverfahrens wird verlangt, nämlich, wie und wo Spurenstoffe kondensieren. Von alle möglichen Kondensationsfälle wird Kondensation an Lanzenwand und Partikeln berücksichtigt und homogene Kondensation vernachlässigt. Im Rahmen dieser Arbeit ist eine vereinfachte Geometrie des Systems in einem CFD Modell nachgebildet. Die verfügbaren Werkzeuge von Fluent sind analysiert und nach seiner Angemessenheit bewertet. Mithilfe von FactSage und Strömungsdaten wird eine erste Gleichgewichtsannäherung berechnet. Die Ergebnisse sind mit von Fluent berechnete Ergebnisse zu vergleichen. In Fluent Kondensationsmodelle sind mit UDFs implementiert und mittels Parameterstudien die Theorie der Kondensation ist veranschaulicht. Die Simulation wird für die wichtigsten Spurenstoffe Verbindungen NaCl und KCl angewendet. Eine sehr kleine Menge von Kondensation an der Partikel wird beobachtet, die Kondensation findet für beide Chloride im Bereich von 99% an der Lanzenwand statt., Outgoing
Project:


Performance-Indikatoren für die Bewertung von Strukturen aus Konstruktionsbeton auf europäischer Ebene nach COST TU1406

  • Strauss, Alfred
  • Mandic Ivankovic, Ana
  • Mold, Lisa
  • Matos, Jose C.
  • Bergmeister, Konrad
  • Casas Rius, Joan Ramon
This is the peer reviewed version of the following article: [Strauss, A., Ivankovic', A. M., Mold, L., Bergmeister, K., Matos, J. C. and Casas, J. R. (2018), Performance-Indikatoren für die Bewertung von Strukturen aus Konstruktionsbeton auf europäischer Ebene nach COST TU1406. Bautechnik, 95: 123–138. doi:10.1002/bate.201700104], which has been published in final form at http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bate.201700104/full. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Self-Archiving., Quality control management of structural concrete, as well as of concrete road bridges shows a lot of differences within European countries. This article provides not only an overview of the state of the art, but presents also a holistic approach for the performance evaluation of structural concrete. To standardize the method of quality controls in Europe and consequently the decision making of maintenance measures, the purpose of the project COST Action TU1406 was the development of a guideline for the establishment of quality control plans for roadway bridges. It deals with the survey of the relevant performance indicators for the condition assessment of road bridges. To identify data concerning performance indicators, the member countries of the COST Action were asked to extract all information from documents already used by operators, as well as from research documents. The procedure for the collection and documentation of the data and their evaluation is discussed in detail. A major part of the process deals with the homogenization and categorization of the results from the survey, in order to subsequently identify performance indicators and to reduce them to the relevant terms. Furthermore, on the basis of the reduced performance indicators, an evaluation system was developed for the assessment of the condition of road bridges. In order to be able to assess the current state of structures and to estimate the necessary investment costs for its preservation, the grades of the individual performance indicators are used to calculate the overall grades for the so-called key performance indicators. These contents represent a basis and an important step for the further work stages for the development of a standardized guideline for the establishment of quality control plans for roadway bridges in Europe., Peer Reviewed
Project:


Power Blockchains - transparent und dezentral

  • Reifenhäuser, Bernd
  • Sumper, Andreas
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