Real-time simulation of surgery by Proper Generalized Decomposition techniques

La simulación quirúrgica por ordenador en tiempo real se ha convertido en una alternativa muy atractiva a los simuladores quirúrgicos tradicionales. Entre otras ventajas, los simuladores por ordenador consiguen ahorros importantes de tiempo y de costes de mantenimiento, y permiten que los estudiantes practiquen sus habilidades quirúrgicas en un entorno seguro tantas veces como sea necesario. Sin embargo, a pesar de las capacidades de los ordenadores actuales, la cirugía computacional sigue siendo un campo de investigación exigente. Uno de sus mayores retos es la alta velocidad a la que se tienen que resolver complejos problemas de mecánica de medios continuos para que los interfaces hápticos puedan proporcionar un sentido del tacto realista (en general, se necesitan velocidades de respuesta de 500-1000 Hz).Esta tesis presenta algunos métodos numéricos novedosos para la simulación interactiva de dos procedimientos quirúrgicos habituales: el corte y el rasgado (o desgarro) de tejidos blandos. El marco común de los métodos presentados es el uso de la Descomposición Propia Generalizada (PGD en inglés) para la generación de vademécums computacionales, esto es, metasoluciones generales de problemas paramétricos de altas dimensiones que se pueden evaluar a velocidades de respuesta compatibles con entornos hápticos.En el caso del corte, los vademécums computacionales se utilizan de forma conjunta con técnicas basadas en XFEM, mientras que la carga de cálculo se distribuye entre una etapa off-line (previa a la ejecución interactiva) y otra on-line (en tiempo de ejecución). Durante la fase off-line, para el órgano en cuestión se precalculan tanto un vademécum computacional para cualquier posición de una carga, como los desplazamientos producidos por un conjunto de cortes. Así, durante la etapa on-line, los resultados precalculados se combinan de la forma más adecuada para obtener en tiempo real la respuesta a las acciones dirigidas por el usuario. En cuanto al rasgado, a partir de una ecuación paramétrica basada en mecánica del daño continuo, se obtiene un vademécum computacional. La complejidad del modelo se reduce mediante técnicas de Descomposición Ortogonal Propia (POD en inglés), y el vademécum se incorpora a una formulación incremental explícita que se puede interpretar como una especie de integrador temporal.A modo de ejemplo, el método para el corte se aplica a la simulación de un procedimiento quirúrgico refractivo de la córnea conocido como queratotomía radial, mientras que el método para el rasgado se centra en la simulación de la colecistectomía laparoscópica (la extirpación de la vesícula biliar mediante laparoscopia). En ambos casos, los métodos implementados ofrecen excelentes resultados en términos de velocidades de respuesta y producen simulaciones muy realistas desde los puntos de vista visual y háptico.The real-time computer-based simulation of surgery has proven to be an appealing alternative to traditional surgical simulators. Amongst other advantages, computer-based simulators provide considerable savings on time and maintenance costs, and allow trainees to practice their surgical skills in a safe environment as often as necessary. However, in spite of the current computer capabilities, computational surgery continues to be a challenging field of research. One of its major issues is the high speed at which complex problems in continuum mechanics have to be solved so that haptic interfaces can render a realistic sense of touch (generally, feedback rates of 500–1 000 Hz are required). This thesis introduces some novel numerical methods for the interactive simulation of two usual surgical procedures: cutting and tearing of soft tissues. The common framework of the presented methods is the use of the Proper Generalised Decomposition (PGD) for the generation of computational vademecums, i. e. general meta-solutions of parametric high-dimensional problems that can be evaluated at feedback rates compatible with haptic environments. In the case of cutting, computational vademecums are used jointly with XFEM-based techniques, and the computing workload is distributed into an off-line and an on-line stage. During the off-line stage, both a computational vademecum for any position of a load and the displacements produced by a set of cuts are pre-computed for the organ under consideration. Thus, during the on-line stage, the pre-computed results are properly combined together to obtain in real-time the response to the actions driven by the user. Concerning tearing, a computational vademecum is obtained from a parametric equation based on continuum damage mechanics. The complexity of the model is reduced by Proper Orthogonal Decomposition (POD) techniques, and the vademecum is incorporated into an explicit incremental formulation that can be viewed as a sort of time integrator. By way of example, the cutting method is applied to the simulation of a corneal refractive surgical procedure known as radial keratotomy, whereas the tearing method focuses on the simulation of laparoscopic cholecystectomy (i. e. the removal of the gallbladder). In both cases, the implemented methods offer excellent performances in terms of feedback rates, and produce.<br /

Haptic simulation of tissue tearing during surgery

We present a method for the real-time, interactive simulation of tissue tearing during laparoscopic surgery. The method is designed to work at haptic feedback rates (i.e., around 1kHz). Tissue tearing is simulated under the general framework of continuum damage mechanics. The problem is stated as a general, multidimensional parametric problem, which is solved by means of Proper Generalized Decomposition (PGD) methods. One of the main novelties is the reduction of history-dependent problems, such as damage mechanics, by resorting to an approach in which a reduced-order field of initial damage values is considered as a parameter of the formulation. We focus on the laparoscopic cholecystectomy procedure as a general example of the performance of the method

Real-time simulation of surgical cutting in haptic environments using computational vademecums

A method for the real-time simulation of surgical cutting in haptic environments is presented. It relies on the use of computational vademecums, i.e. PGDbased, pre-computed meta-models, which allow the solution to be obtained at fast rates. An example for corneal surgery is provided

Digital twins that learn and correct themselves

Digital twins can be defined as digital representations of physical entities that employ real‐time data to enable understanding of the operating conditions of these entities. Here we present a particular type of digital twin that involves a combination of computer vision, scientific machine learning, and augmented reality. This novel digital twin is able, therefore, to see, to interpret what it sees—and, if necessary, to correct the model it is equipped with—and presents the resulting information in the form of augmented reality. The computer vision capabilities allow the twin to receive data continuously. As any other digital twin, it is equipped with one or more models so as to assimilate data. However, if persistent deviations from the predicted values are found, the proposed methodology is able to correct on the fly the existing models, so as to accommodate them to the measured reality. Finally, the suggested methodology is completed with augmented reality capabilities so as to render a completely new type of digital twin. These concepts are tested against a proof‐of‐concept model consisting on a nonlinear, hyperelastic beam subjected to moving loads whose exact position is to be determined

Cálculo resistente del fuste y de la estructura portante de una antorcha en una refinería

Este TFG se centra en el dimensionado del fuste y la estructura portante de una antorcha en una refinería, junto con la comprobación de los elementos que la componen, todo ello siguiendo el Código Técnico de la Edificación y el Eurocódigo. Para su realización, se ha contado con el programa de cálculo Dlubal-RFEM, software tridimensional de análisis estructural de elementos finitos.<br /

Diseño y cálculo de una cubierta de barras y membranas tensadas para un estadio.

El objetivo del proyecto va a consistir en el diseño y el cálculo de una cubierta formada por barras y membranas tensadas localizada en un nuevo estadio que se va a construir en Madrid. Para ello se va a utilizar un software de análisis estructural mediante elementos finitos llamado RFEM de Dlubal. Mediante este programa se va realizar un modelado en 3D para posteriormente obtener la forma óptima de la membrana pretensada, y se va a llevar a cabo un estudio de la estructura con las diferentes hipótesis de carga que van a afectar a la cubierta. Finalmente se extraerán las conclusiones y se realizará una optimización de la estructura a partir de los resultados obtenidos en la simulación. Todo el análisis se hará de acuerdo al Código Técnico de la edificación (CTE) y al Eurocódigo 3 (EC3).<br /

Influencia de la naturaleza del fíller de aportación en la adhesividad árido-ligante para mezclas bituminosas discontínuas

Los requerimientos de seguridad al tránsito exigidos hoy en día a las superficies de rodamiento, han llevado a desarrollar materiales con características diferentes a los convencionales. La Mezcla Asfáltica Drenante (MAD) o Mezcla Asfáltica Porosa (MAP), es un material que ha sido desarrollado en esta línea de pensamiento. Este tipo de mezclas se caracterizan por tener un elevado porcentaje de huecos interconectados entre sí (16 a 25% o más, dependiendo del uso, habitualmente en capas de rodadura). Estos huecos permiten el paso del agua a través de la misma, favoreciendo su eliminación en la superficie del camino, y presentando una alta macrotextura y microtextura, ésta última como consecuencia de la calidad de los áridos usados. El diseño de estas mezclas presenta un compromiso entre su porosidad y su resistencia al desgaste. El equilibrio de estas propiedades trae como consecuencia una mezcla óptima, ya que al ser éstas contrapuestas, el aumento de la porosidad suele inducir una disminución de la resistencia al desgaste. Esta última es necesaria para que la capa no se desintegre y pueda responder satisfactoriamente a las solicitaciones del tránsito. En el presente proyecto se intenta participar de forma activa en la investigación de este tipo de mezclas para su posterior utilización en elementos de obras públicas ,como son las carreteras, mediante una serie de ensayos en el Laboratorio I+D del grupo constructor Mariano López Navarro, situado en la localidad de Bárboles (Zaragoza)

An augmented reality platform for interactive aerodynamic design and analysis

While modern CFD tools are able to provide the user with reliable and accurate simulations, there is a strong need for interactive design and analysis tools. State-of-the-art CFD software employs massive resources in terms of CPU time, user interaction, and also GPU time for rendering and analysis. In this work, we develop an innovative tool able to provide a seamless bridge between artistic design and engineering analysis. This platform has three main ingredients: computer vision to avoid long user interaction at the pre-processing stage, machine learning to avoid costly CFD simulations, and augmented reality for an agile and interactive post-processing of the results

Towards a pancreatic surgery simulator based on model order reduction

In this work a pancreatic surgery simulator is developed that provides the user with haptic feedback. The simulator is based on the use of model order reduction techniques, particularly Proper Generalized Decomposition methods. The just developed simulator presents some notable advancements with respect to existing works in the literature, such as the consideration of non-linear hyperelasticity for the constitutive modeling of soft tissues, an accurate description of contact between organs and momentum and energy conserving time integration schemes. Pancreas, liver, gall bladder, and duodenum are modeled in the simulator, thus providing with a very realistic and immersive perception to the user

Caracterización y automatización del proceso de evaluación de soldaduras en chapas metálicas

El objetivo principal del proyecto es facilitar la labor actual del técnico de evaluación de soldaduras, mediante la automatización del proceso. Ésta se llevará a cabo gracias a Matlab, creando un código y posterior "app" que permita, con la carga de una imagen realizada al film impreso de la radiografía de la soldadura, la detección automática de qué densidad posee ese cordón soldado, viendo por tanto si es apto o no. Esta detección se realizará gracias a comparaciones con otras imágenes de densidad conocida, siempre tras la evaluación de las características de la fotografía subida.<br /