Multichannel analysis of normal and continuous adventitious respiratory sounds for the assessment of pulmonary function in respiratory diseases

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit d’Enginyeria IndustrialRespiratory sounds (RS) are produced by turbulent airflows through the airways and are inhomogeneously transmitted through different media to the chest surface, where they can be recorded in a non-invasive way. Due to their mechanical nature and airflow dependence, RS are affected by respiratory diseases that alter the mechanical properties of the respiratory system. Therefore, RS provide useful clinical information about the respiratory system structure and functioning. Recent advances in sensors and signal processing techniques have made RS analysis a more objective and sensitive tool for measuring pulmonary function. However, RS analysis is still rarely used in clinical practice. Lack of a standard methodology for recording and processing RS has led to several different approaches to RS analysis, with some methodological issues that could limit the potential of RS analysis in clinical practice (i.e., measurements with a low number of sensors, no controlled airflows, constant airflows, or forced expiratory manoeuvres, the lack of a co-analysis of different types of RS, or the use of inaccurate techniques for processing RS signals). In this thesis, we propose a novel integrated approach to RS analysis that includes a multichannel recording of RS using a maximum of five microphones placed over the trachea and the chest surface, which allows RS to be analysed at the most commonly reported lung regions, without requiring a large number of sensors. Our approach also includes a progressive respiratory manoeuvres with variable airflow, which allows RS to be analysed depending on airflow. Dual RS analyses of both normal RS and continuous adventitious sounds (CAS) are also proposed. Normal RS are analysed through the RS intensity–airflow curves, whereas CAS are analysed through a customised Hilbert spectrum (HS), adapted to RS signal characteristics. The proposed HS represents a step forward in the analysis of CAS. Using HS allows CAS to be fully characterised with regard to duration, mean frequency, and intensity. Further, the high temporal and frequency resolutions, and the high concentrations of energy of this improved version of HS, allow CAS to be more accurately characterised with our HS than by using spectrogram, which has been the most widely used technique for CAS analysis. Our approach to RS analysis was put into clinical practice by launching two studies in the Pulmonary Function Testing Laboratory of the Germans Trias i Pujol University Hospital for assessing pulmonary function in patients with unilateral phrenic paralysis (UPP), and bronchodilator response (BDR) in patients with asthma. RS and airflow signals were recorded in 10 patients with UPP, 50 patients with asthma, and 20 healthy participants. The analysis of RS intensity–airflow curves proved to be a successful method to detect UPP, since we found significant differences between these curves at the posterior base of the lungs in all patients whereas no differences were found in the healthy participants. To the best of our knowledge, this is the first study that uses a quantitative analysis of RS for assessing UPP. Regarding asthma, we found appreciable changes in the RS intensity–airflow curves and CAS features after bronchodilation in patients with negative BDR in spirometry. Therefore, we suggest that the combined analysis of RS intensity–airflow curves and CAS features—including number, duration, mean frequency, and intensity—seems to be a promising technique for assessing BDR and improving the stratification of BDR levels, particularly among patients with negative BDR in spirometry. The novel approach to RS analysis developed in this thesis provides a sensitive tool to obtain objective and complementary information about pulmonary function in a simple and non-invasive way. Together with spirometry, this approach to RS analysis could have a direct clinical application for improving the assessment of pulmonary function in patients with respiratory diseases.Los sonidos respiratorios (SR) se generan con el paso del flujo de aire a través de las vías respiratorias y se transmiten de forma no homogénea hasta la superficie torácica. Dada su naturaleza mecánica, los SR se ven afectados en gran medida por enfermedades que alteran las propiedades mecánicas del sistema respiratorio. Por lo tanto, los SR proporcionan información clínica relevante sobre la estructura y el funcionamiento del sistema respiratorio. La falta de una metodología estándar para el registro y procesado de los SR ha dado lugar a la aparición de diferentes estrategias de análisis de SR con ciertas limitaciones metodológicas que podrían haber restringido el potencial y el uso de esta técnica en la práctica clínica (medidas con pocos sensores, flujos no controlados o constantes y/o maniobras forzadas, análisis no combinado de distintos tipos de SR o uso de técnicas poco precisas para el procesado de los SR). En esta tesis proponemos un método innovador e integrado de análisis de SR que incluye el registro multicanal de SR mediante un máximo de cinco micrófonos colocados sobre la tráquea yla superficie torácica, los cuales permiten analizar los SR en las principales regiones pulmonares sin utilizar un número elevado de sensores . Nuestro método también incluye una maniobra respiratoria progresiva con flujo variable que permite analizar los SR en función del flujo respiratorio. También proponemos el análisis combinado de los SR normales y los sonidos adventicios continuos (SAC), mediante las curvas intensidad-flujo y un espectro de Hilbert (EH) adaptado a las características de los SR, respectivamente. El EH propuesto representa un avance importante en el análisis de los SAC, pues permite su completa caracterización en términos de duración, frecuencia media e intensidad. Además, la alta resolución temporal y frecuencial y la alta concentración de energía de esta versión mejorada del EH permiten caracterizar los SAC de forma más precisa que utilizando el espectrograma, el cual ha sido la técnica más utilizada para el análisis de SAC en estudios previos. Nuestro método de análisis de SR se trasladó a la práctica clínica a través de dos estudios que se iniciaron en el laboratorio de pruebas funcionales del hospital Germans Trias i Pujol, para la evaluación de la función pulmonar en pacientes con parálisis frénica unilateral (PFU) y la respuesta broncodilatadora (RBD) en pacientes con asma. Las señales de SR y flujo respiratorio se registraron en 10 pacientes con PFU, 50 pacientes con asma y 20 controles sanos. El análisis de las curvas intensidad-flujo resultó ser un método apropiado para detectar la PFU , pues encontramos diferencias significativas entre las curvas intensidad-flujo de las bases posteriores de los pulmones en todos los pacientes , mientras que en los controles sanos no encontramos diferencias significativas. Hasta donde sabemos, este es el primer estudio que utiliza el análisis cuantitativo de los SR para evaluar la PFU. En cuanto al asma, encontramos cambios relevantes en las curvas intensidad-flujo yen las características de los SAC tras la broncodilatación en pacientes con RBD negativa en la espirometría. Por lo tanto, sugerimos que el análisis combinado de las curvas intensidad-flujo y las características de los SAC, incluyendo número, duración, frecuencia media e intensidad, es una técnica prometedora para la evaluación de la RBD y la mejora en la estratificación de los distintos niveles de RBD, especialmente en pacientes con RBD negativa en la espirometría. El método innovador de análisis de SR que se propone en esta tesis proporciona una nueva herramienta con una alta sensibilidad para obtener información objetiva y complementaria sobre la función pulmonar de una forma sencilla y no invasiva. Junto con la espirometría, este método puede tener una aplicación clínica directa en la mejora de la evaluación de la función pulmonar en pacientes con enfermedades respiratoriasAward-winningPostprint (published version

Algoritmos genéticos locales

Los Algoritmos Genéticos Locales son procedimientos que iterativamente re nan soluciones dadas. Su diferencia con procedimientos de mejora iterativa clásicos reside en el uso de operadores genéticos para realizar el re namiento. En este estudio presentamos un nuevo Algoritmo Genético Local Binario basado en un Algoritmo Genético Estacionario. Hemos comparado el Algoritmo Genético Local Binario con otros procedimientos de mejora iterativa de la literatura. Los resultados muestran que, para un amplio rango de problemas, el Algoritmo Genético Local Binario mejora consistentemente a los otros procedimientos de mejora iterativa

El discurso sobre el fracaso escolar: sentido y utilidad educativa

[Resumen] En el presente trabajo se reflexiona sobre el fracaso escolar a la luz de los datos recientes del informe PISA y su repercusión social. Se cuestiona el sentido de abordar la cuestión como si fuera independiente de otras variables, como por ejemplo, de la inversión educativa, y como si dependiera su solución en exclusiva de la voluntad de los agentes que intervienen en el proceso educativo. Los resultados escolares son siempre relativos a la capacidad que tiene un sistema para poner los recursos necesarios para afrontar los problemas o para conseguir optimizarlos. Se defiende por tanto la idea de que los resultados escolares recogidos en nuestro país no son otra cosa que el reflejo del esfuerzo que la sociedad española hace en educación.[Abstract] The aim of this work is to reflect on academic failure in the light of results derived from the OECD Programme for International Student Assessment (PISA). We think that academic failure cannot be considered independently of other variables (i.e., the investment in education) and that the answers to this problem do not depend exclusively on agents involved in the educational process. On the contrary, academic results are a reflection of the ability of the system to put, and optimize, the necessary resources to cope with problems. Therefore, results of PISA survey with regard to Spanish Educational System are interpreted in terms of the efforts dedicated by Spanish society in educatio

Analysis of integrated mobility in college campus in urban areas

Los estudios de transporte urbano se han caracterizado por centrarse en el análisis de los problemas de movilidad entre dife-rentes zonas, buscando principalmente la minimización del tiempo de viaje. En los últimos años han cobrado gran importancia los efectos negativos (externalidades) que la movilidad urbana gene-ra, entre ellos los aspectos ambientales. La movilidad con motivo de viaje a campus o centros universitarios supone un gran núme-ro de los desplazamientos realizados dentro de la ciudad. En este estudio se describen los patrones de movilidad de los estudiantes, trabajadores y residentes en un campus universitario integrado en un entorno urbano. Se realiza una evaluación del consumo ener-gético y las emisiones de contaminantes emitidas a la atmosfera provocados por estos desplazamientos, y así tener un mayor nivel de concienciación sobre el daño producido al medio ambiente. De las conclusiones obtenidas en este trabajo se debe destacar que aunque existan modos de transportes más sostenibles, menos contaminaste y más económicos, las personas se resisten a utili-zarlos mientras existan infraestructuras que permitan el uso de otros modos más contaminantes y menos sostenibles, ya sea por el tiempo, comodidad o porque les cuesta cambiar de hábitos. Para poder incentivar estos usos más sostenibles, primero hay que concienciar a las personas de la contaminación que están pro-duciendo e igualmente facilitar, incentivar y potenciar los modos más sostenibles; y por otro lado, penalizar los más contaminantes y menos sostenibles• Urban transport studies have been characterized by focusing on the analysis of mobility problems between different areas, mainly looking to minimize travel time. In recent years, negative effects (externalities) of urban mobility have become very important because of environmental aspects. Mobility to campus or universities represents a large number of journeys within city. In this study, mobility patterns of students, workers and residents in an integrated urban campus environment are described. An assessment of energy consumption and emissions of pollutants into the atmosphere, caused by these displacements, to have a higher level of awareness of damage caused to environment was proposed. The paper conclusions are that although there are ways more sustainable, less polluted and more economical transport, people are reluctant to use them. Thereason is that while there are infrastructures that allow use of other more polluted and less sustainable modes due to the cost time, convenience or because people costs to change their habits. To encourage more sustainable transport, firstly we make awareness people of the pollution and to facilitate, encourage and promote most sustainable modes and secondly to penalize most polluting and less sustainable transport

Localización óptima de estaciones de medición de humedad del suelo mediante clasificaciones del relieve a partir de modelos digitales del terreno

Las formas del relieve están directamente relacionadas con los procesos ambientales que sobre ellas se desarrollan, como los hidrológicos. Para estudiar estos procesos se utilizan numerosas técnicas, como la instalación de estaciones de medición de la humedad del suelo, las cuales tienen un alto coste, tanto instrumental como asociado a su montaje. A partir de Modelos Digitales del Terreno (MDT) se han realizado una serie de análisis espaciales para obtener clasificaciones geomorfométricas de las formas del relieve. Estas clasificaciones han permitido la delimitación de áreas que pueden diferenciarse por tener una humedad edáfica distinta y por desarrollar procesos hidrológicos diferentes, según el tipo de unidad geomorfométrica que representen. De esta forma se ha facilitado la selección de zonas para la instalación de las estaciones. Los resultados se han corroborado con trabajo de campo. Esta técnica se presenta como una herramienta eficaz para la obtención de la localización potencial de zonas con distinta humedad edáfica según su posición en las áreas de estudio, lo que permite reducir el tiempo y costes asociados al trabajo de campo, y permite delimitar de antemano las áreas óptimas para la instalación de las estaciones.Landforms are directly related to environmental processes that are developed on them, such as hydrology. To study these processes many techniques are used, as installation of monitoring stations for soil moisture, which have a high cost associated with both instrumental and assembly. From Digital Terrain Models (DTM) spatial analyses have been conducted in order to obtain geomorphometric landform classifications. These classifications have allowed the delimitation of areas of different soil moisture content and hydrological processes, according to the type of geomormophetric units. This has facilitated the selection of sites for the installation of soil moisture monitoring stations. Results have been verified by fieldwork. This technique appears as an effective tool for obtaining the potential location of different soil moisture content areas reducing time and economical costs associated with fieldwork and allow defining in advance the optimal areas for soil moisture monitoring installation

Full-Wave Computation of Monostatic RCS Using Ray-Tracing and Adaptive Macro-Basis Functions

This article presents a technique for the computation of the monostatic radar cross section of complex objects based on a combination of macro-basis functions (MBFs) and the multilevel fast multipole algorithm. An initial pool of excitation-independent MBFs is first obtained, generating the corresponding reduced coupling matrix as well as the multipole data. For each excitation, ray-tracing processing is performed, extracting a number of critical points that are used to obtain a mask that allows to dynamically select the basis functions to be considered in the analysis. This strategy allows a noticeable reduction in the size of the problems with minimal CPU-time preprocessing overhead.Ministry of Economy and Competitiveness and European Unio

Efficient Technique for the Analysis of Electromagnetic Problems Involving Antenna Trajectories in Complex Scenarios

This letter presents an efficient approach for the electromagnetic analysis of complex scenarios involving transmitting antennas moving along predetermined trajectories. In order to efficiently reduce the size of the problem for each position of the antenna, we propose a technique based on macro basis functions that are dynamically generated using a ray-tracing analysis. The multilevel fast multipole algorithm is also included in order to reduce the memory consumption and speed up the solution process. Some representative test cases serve to validate the efficiency and performance of the proposed approach.Ministry of Economy and Competitiveness, Junta de Comunidades de Castilla La Manch, University of Alcal

Efficient computation of the reduced matrix of MLFMA-CBFM for electrically large blocks

In recent years, the characteristic basis function method has been developed as an efficient approach for the solution of large electromagnetic radiation or scattering problems. According to this technique, the currents over the scenario under analysis are defined using a set of pre-computed characteristic basis functions, associated with a number of blocks into which the geometry is partitioned. This involves some computational advantages due to the reduction of the number of unknowns compared to conventional approaches. However, additional pre-processing time is introduced due to the computation of the CBFs and the reduced coupling matrix. A novel strategy is presented in this study in order to accelerate the generation of the reduced matrix, based on the application of the multilevel fast multipole algorithm.Spanish Ministry of Economy and Competitiveness Project, Junta de Comunidades de Castilla La Mancha and Universidad de Alcal

Ronald K. Hambleton: A Legacy Beyond Quantitative Scientific Indicators

Professor Ronald K. Hambleton (1943-2022) shaped the development of psychometrics in the United States and had a far-reaching impact on professionals interested in psychological and educational measurement worldwide. All three authors were at different times visiting researchers in the Research, Educational Measurement & Psychometrics (REMP) Program at the School of Education at the University of Massachusetts at Amherst (USA). We would like to develop these brief notes according to three main arguments of how Ron impacted our lives: Hambleton as a "professional model," Hambleton as an "educator," and the indelible imprint that Ron has left on our professional practice

Las herramientas del conocimiento I: la lectura y la observación como medios de adquisición del conocimiento

[Resumen] En el presente trabajo se aborda el problema de las relaciones entre el lenguaje oral/escrito y el audiovisual. El interés de esta problemática no es sólo básico, en tanto que se trata de sistemas de comunicación que se rigen por códigos y reglas diferentes y que, por tanto, pueden conducir a representaciones distintas del conocimiento, sino también aplicado. Los recursos orales/escritos y audiovisuales son utilizados con frecuencia en el medio escolar, sin que esté suficientemente aclarado el tipo de aprendizaje, o de representación del conocimiento, a que conducen. Como tampoco lo está la forma en que pueden combinarse para obtener los mejores resultados, ni en qué medida es necesario tener en cuenta las diferencias individuales en conocimiento previo o en competencia lectora para adaptar estos recursos al receptor y obtener con ello los mejores resultados. Aportar algunos datos al respecto es la finalidad de los dos artículos que siguen. En el primero, repasaremos algunas de las características de estos sistemas de comunicación y presentaremos algunas de las investigaciones realizadas al respecto. En el segundo, nos centraremos en las restricciones que imponen las dificultades de aprendizaje y aportaremos algunos de los primeros datos que estamos obteniendo en nuestra investigación