[ES] Las enfermedades cardiovasculares son una de las principales causas de mortalidad y morbilidad en el mundo. Entre las arritmias más comunes en adultos destaca la Fibrilación Auricular (FA), presentando una tendencia de crecimiento muy significativa, sobre todo en población de edad avanzada o con trastornos de obesidad. En el otro extremo, nos encontramos con la Miocardiopatía Arritmogénica (MCA), considerada una enfermedad rara con una prevalencia de 1:2000-5000 pero con gran afectación entre familiares directos, causante de muerte súbita cardiaca (MSC), y con un diagnóstico clínico complicado. Más allá de la FA o la MCA, existe una amplia variedad de patologías derivadas de una disfunción en la activación y conducción eléctrica del corazón. Para todas ellas, el electrocardiograma (ECG) continúa figurando como la primera y principal técnica de diagnóstico clínico, siendo una herramienta fundamental de cribado y detección de patologías relativamente económica y ampliamente accesible. Sin embargo, el diagnóstico preciso a partir de la interpretación del ECG requiere de médicos experimentados, siendo ésta una tarea que consume recursos, tiempo y que además está sujeta a la variabilidad entre observadores. Respecto a las afecciones cardiacas más comunes, conseguir un diagnóstico de forma automática que sea fiable, utilizando tanto 12 como un número reducido o único de derivaciones, sigue presentándose como un desafío. Este aspecto cobra especial relevancia con el uso cada vez más extendido de dispositivos portátiles o wearables, los cuales están ganando un gran interés para la detección temprana y preventiva de enfermedades cardiacas, registrando normalmente un número reducido de derivaciones ECG. Dicho uso masivo les confiere un gran potencial para facilitar el cribado y seguimiento de distintas afecciones en una amplia variedad de escenarios, a pesar de registrar señales de peor calidad en comparación con equipos certificados para uso clínico. El principal reto con estos dispositivos es encontrar un equilibrio adecuado entre la sensibilidad y la especificidad en la detección de ritmos cardiacos susceptibles de ser patológicos. En consecuencia, es indispensable diseñar e implementar algoritmos precisos adecuados para dispositivos móviles o portátiles capaces de detectar distintas afecciones cardiacas en registros de ECG. Respecto las afecciones cardiacas menos comunes como el caso de la MCA, es necesario incrementar la sensibilidad en la detección durante los cribados intra-familiares realizados tras una MSC. Para ello, sería posible explorar biomarcadores propios a esta enfermedad obtenidos mediante técnicas de procesado de señales ECG, además de modelos de clasificación que hagan uso de ellos, contribuyendo así a reducir el número de casos de muerte súbita. En base a lo descrito anteriormente, la presente tesis estudia las posibilidades de diagnóstico basadas en técnicas de aprendizaje y clasificación automática en dos escenarios principales. El primero aborda la detección de la FA, así como un amplio abanico de otras patologías cardiacas comunes, donde proponemos y validamos distintos modelos de clasificación de bajo consumo computacional. Todo esto, utilizando extensas bases de datos de acceso abierto, y haciendo énfasis en enfoques de derivación única, ya que son los más utilizados en dispositivos móviles e inteligentes. El segundo escenario se centra en la detección de MCA mediante las 12 derivaciones estándar del ECG, donde proponemos y validamos nuevos biomarcadores y modelos de clasificación que tratan de incrementar la sensibilidad de los cribados intra-familiares realizados tras una MSC. Para ello, utilizamos una base de datos específica de la Unidad de Cardiopatías Familiares del Hospital Universitario y Politécnico La Fe de València. / [CA] Les malalties cardiovasculars són una de les principals causes de mortalitat i morbiditat en el món. Entre les arrítmies més comunes en adults destaca la Fibril·lació Auricular (FA), presentant una tendència de creixement molt significativa, sobretot en població d'edat avançada o amb trastorns d'obesitat. En l'altre extrem, ens trobem amb la Miocardiopatia Arritmogènica (MCA), considerada una malaltia rara amb una prevalença de 1:2000-5000 però amb gran afectació entre familiars directes, causant de mort sobtada cardíaca (MSC), i amb un diagnòstic clínic complicat. Més enllà de la FA o la MCA, existeix una àmplia varietat de patologies derivades d'una disfunció en l'activació i conducció elèctrica del cor. Per a totes elles, l'electrocardiograma (ECG) continua figurant com la primera i principal tècnica de diagnòstic clínic, sent una eina fonamental de cribratge i detecció de patologies relativament econòmica i àmpliament accessible. No obstant això, el diagnòstic precís a partir de la interpretació del ECG requereix de metges experimentats, sent aquesta una tasca que consumeix recursos, temps i que a més està subjecta a la variabilitat entre observadors. Respecte a les afeccions cardíaques més comunes, aconseguir un diagnòstic de manera automàtica que siga fiable, utilitzant tant 12 com un número reduït o únic de derivacions, continua presentant-se com un desafiament. Aquest aspecte cobra especial rellevància amb l'ús cada vegada més estés de dispositius portàtils o wearables, els quals estan guanyant un gran interés per a la detecció precoç i preventiva de malalties cardíaques, registrant normalment un nombre reduït de derivacions ECG. Aquest ús massiu els confereix un gran potencial per a facilitar el cribratge i seguiment de diferents afeccions en una àmplia varietat d'escenaris, malgrat registrar senyals de pitjor qualitat en comparació amb equips certificats per a ús clínic. El principal repte amb aquests dispositius és trobar un equilibri adequat entre la sensibilitat i l'especificitat en la detecció de ritmes cardíacs susceptibles de ser patològics. En conseqüència, és indispensable dissenyar i implementar algorismes precisos adequats per a dispositius mòbils o portàtils capaços de detectar diferents afeccions cardíaques en registres de ECG. Respecte les afeccions cardíaques menys comunes com el cas de la MCA, és necessari incrementar la sensibilitat en la detecció durant els cribratges intra-familiars realitzats després d'una MSC. Per a això, seria possible explorar biomarcadors propis a aquesta malaltia obtinguts mitjançant tècniques de processament de senyals ECG, a més de models de classificació que facen ús d'ells, contribuint així a reduir el nombre de casos de mort sobtada. Sobre la base del descrit anteriorment, la present tesi estudia les possibilitats de diagnòstic basades en tècniques d'aprenentatge i classificació automàtica en dos escenaris principals. El primer aborda la detecció de la FA, així com un ampli ventall d'altres patologies cardíaques comunes, on proposem i validem diferents models de classificació de baix consum computacional. Tot això, utilitzant extenses bases de dades d'accés obert, i fent èmfasi en enfocaments de derivació única, ja que són els més utilitzats en dispositius mòbils i intel·ligents. El segon escenari se centra en la detecció de MCA mitjançant les 12 derivacions estàndard de l'ECG, on proposem i validem nous biomarcadors i models de classificació que tracten d'incrementar la sensibilitat dels cribratges intra-familiars realitzats després d'una MSC. Per a això, utilitzem una base de dades específica de la Unitat de Cardiopaties Familiars de l'Hospital Universitari i Politècnic La Fe de València. / [EN] Cardiovascular diseases are one of the leading causes of mortality and morbidity worldwide. Atrial Fibrillation (AF) stands out among adults' most common arrhythmias, presenting a very significant growth trend, especially in the elderly population or those with obesity disorders. At the other extreme, we find Arrhythmogenic Cardiomyopathy (ACM), a rare disease with a prevalence of 1:2000-5000 but great affectation among direct relatives, causing sudden cardiac death (SCD), and with a complicated clinical diagnosis. Beyond AF or ACM, there is a wide variety of pathologies derived from dysfunctions in the activation or electrical conduction of the heart. For all of them, the electrocardiogram (ECG) continues to appear as the first and foremost clinical diagnostic technique, being a fundamental tool for screening and detecting pathologies that is relatively cheap and widely accessible. However, accurate diagnosis based on ECG interpretation requires experienced physicians, as this task consumes resources, time and is subject to variability between observers. For the most common cardiac conditions, achieving a reliable diagnosis automatically, using either 12 or a smaller or single number of leads, remains a challenge. This aspect is especially relevant with the increasingly widespread use of portable or wearable devices, which are gaining significant interest for the early and preventive detection of heart disease, typically recording a reduced number of ECG leads. Such massive use gives them great potential to facilitate screening and monitoring different conditions in different scenarios, despite registering signals of lower quality compared to equipment certified for clinical use. The main challenge with these devices is finding the right balance between sensitivity and specificity in detecting pathologic heart rhythms. Consequently, designing and implementing accurate algorithms suitable for mobile or portable devices capable of detecting different cardiac conditions in ECG recordings is essential. Concerning less common cardiac conditions such as the case of ACM, it is necessary to increase the sensitivity in detection during intra-family screenings carried out after an SCD. Hence, it would be possible to explore specific biomarkers to this disease obtained through ECG signal processing techniques, as well as classification models that use them, thus contributing to reduce the number of cases of sudden death. Based on the previously described, this thesis studies the diagnostic possibilities based on machine learning and classification techniques in two main scenarios. The first deals with detecting AF and a wide range of other common cardiac pathologies, where we propose and validate different classification models with low computational consumption. All this, using extensive open access databases, and emphasizing single-lead approaches, since they are the most used in mobile and smart devices. The second scenario focuses on detecting ACM using the standard 12-lead ECG, where we propose and validate new biomarkers and classification models that try to increase the sensitivity of intra-family screenings carried out after an MSC. For this task, we used a specific database of the Familial Cardiopathies Unit of the Hospital Universitario y Politécnico La Fe de València. / Jiménez Serrano, S. (2023). Desarrollo de nuevos marcadores y clasificadores de bajo coste computacional para identificar afecciones cardiacas en registros ECG [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196826

Tesis por compendio / [ES] El parto prematuro, definido como el nacimiento antes de las 37 semanas de gestación, es una importante preocupación mundial con implicaciones para la salud de los recién nacidos y los costes económicos. Afecta aproximadamente al 11% de todos los nacimientos, lo que supone más de 15 millones de individuos en todo el mundo. Los métodos actuales para predecir el parto prematuro carecen de precisión, lo que conduce a un sobrediagnóstico y a una viabilidad limitada en entornos clínicos. La electrohisterografía (EHG) ha surgido como una alternativa prometedora al proporcionar información relevante sobre la electrofisiología uterina. Sin embargo, los sistemas de predicción anteriores basados en EHG no se han trasladado de forma efectiva a la práctica clínica, debido principalmente a los sesgos en el manejo de datos desbalanceados y a la necesidad de modelos de predicción robustos y generalizables. Esta tesis doctoral pretende desarrollar un sistema de predicción del parto prematuro basado en inteligencia artificial utilizando EHG y datos obstétricos de mujeres sometidas a controles prenatales regulares. Este sistema implica la extracción de características relevantes, la optimización del subespacio de características y la evaluación de estrategias para abordar el reto de los datos desbalanceados para una predicción robusta. El estudio valida la eficacia de las características temporales, espectrales y no lineales para distinguir entre casos de parto prematuro y a término. Las nuevas medidas de entropía, en concreto la dispersión y la entropía de burbuja, superan a las métricas de entropía tradicionales en la identificación del parto prematuro. Además, el estudio trata de maximizar la información complementaria al tiempo que minimiza la redundancia y las características de ruido para optimizar el subespacio de características para una predicción precisa del parto prematuro mediante un algoritmo genético. Además, se ha confirmado la fuga de información entre el conjunto de datos de entrenamiento y el de prueba al generar muestras sintéticas antes de la partición de datos, lo que da lugar a una capacidad de generalización sobreestimada del sistema predictor. Estos resultados subrayan la importancia de particionar y después remuestrear para garantizar la independencia de los datos entre las muestras de entrenamiento y de prueba. Se propone combinar el algoritmo genético y el remuestreo en la misma iteración para hacer frente al desequilibrio en el aprendizaje de los datos mediante el enfoque de particio'n-remuestreo, logrando un área bajo la curva ROC del 94% y una precisión media del 84%. Además, el modelo demuestra un F1-score y una sensibilidad de aproximadamente el 80%, superando a los estudios existentes que consideran el enfoque de remuestreo después de particionar. Esto revela el potencial de un sistema de predicción de parto prematuro basado en EHG, permitiendo estrategias orientadas al paciente para mejorar la prevención del parto prematuro, el bienestar materno-fetal y la gestión óptima de los recursos hospitalarios. En general, esta tesis doctoral proporciona a los clínicos herramientas valiosas para la toma de decisiones en escenarios de riesgo materno-fetal de parto prematuro. Permite a los clínicos diseñar estrategias orientadas al paciente para mejorar la prevención y el manejo del parto prematuro. La metodología propuesta es prometedora para el desarrollo de un sistema integrado de predicción del parto prematuro que pueda mejorar la planificación del embarazo, optimizar la asignación de recursos y reducir el riesgo de parto prematuro. / [CA] El part prematur, definit com el naixement abans de les 37 setmanes de gestacio', e's una important preocupacio' mundial amb implicacions per a la salut dels nounats i els costos econo¿mics. Afecta aproximadament a l'11% de tots els naixements, la qual cosa suposa me's de 15 milions d'individus a tot el mo'n. Els me¿todes actuals per a predir el part prematur manquen de precisio', la qual cosa condueix a un sobrediagno¿stic i a una viabilitat limitada en entorns cl¿'nics. La electrohisterografia (EHG) ha sorgit com una alternativa prometedora en proporcionar informacio' rellevant sobre l'electrofisiologia uterina. No obstant aixo¿, els sistemes de prediccio' anteriors basats en EHG no s'han traslladat de manera efectiva a la pra¿ctica cl¿'nica, degut principalment als biaixos en el maneig de dades desequilibrades i a la necessitat de models de prediccio' robustos i generalitzables. Aquesta tesi doctoral prete'n desenvolupar un sistema de prediccio' del part prematur basat en intel·lige¿ncia artificial utilitzant EHG i dades obste¿triques de dones sotmeses a controls prenatals regulars. Aquest sistema implica l'extraccio' de caracter¿'stiques rellevants, l'optimitzacio' del subespai de caracter¿'stiques i l'avaluacio' d'estrate¿gies per a abordar el repte de les dades desequilibrades per a una prediccio' robusta. L'estudi valguda l'efica¿cia de les caracter¿'stiques temporals, espectrals i no lineals per a distingir entre casos de part prematur i a terme. Les noves mesures d'entropia, en concret la dispersio' i l'entropia de bambolla, superen a les me¿triques d'entropia tradicionals en la identificacio' del part prematur. A me's, l'estudi tracta de maximitzar la informacio' complementa¿ria al mateix temps que minimitza la redunda¿ncia i les caracter¿'stiques de soroll per a optimitzar el subespai de caracter¿'stiques per a una prediccio' precisa del part prematur mitjan¿cant un algorisme gene¿tic. A me's, hem confirmat la fugida d'informacio' entre el conjunt de dades d'entrenament i el de prova en generar mostres sinte¿tiques abans de la particio' de dades, la qual cosa dona lloc a una capacitat de generalitzacio' sobreestimada del sistema predictor. Aquests resultats subratllen la importa¿ncia de particionar i despre's remostrejar per a garantir la independe¿ncia de les dades entre les mostres d'entrenament i de prova. Proposem combinar l'algorisme gene¿tic i el remostreig en la mateixa iteracio' per a fer front al desequilibri en l'aprenentatge de les dades mitjan¿cant l'enfocament de particio'-remostrege, aconseguint una a¿rea sota la corba ROC del 94% i una precisio' mitjana del 84%. A me's, el model demostra una puntuacio' F1 i una sensibilitat d'aproximadament el 80%, superant als estudis existents que consideren l'enfocament de remostreig despre's de particionar. Aixo¿ revela el potencial d'un sistema de prediccio' de part prematur basat en EHG, permetent estrate¿gies orientades al pacient per a millorar la prevencio' del part prematur, el benestar matern-fetal i la gestio' o¿ptima dels recursos hospitalaris. En general, aquesta tesi doctoral proporciona als cl¿'nics eines valuoses per a la presa de decisions en escenaris de risc matern-fetal de part prematur. Permet als cl¿'nics dissenyar estrate¿gies orientades al pacient per a millorar la prevencio' i el maneig del part prematur. La metodologia proposada e's prometedora per al desenvolupament d'un sistema integrat de prediccio' del part prematur que puga millorar la planificacio' de l'embara¿s, optimitzar l'assignacio' de recursos i millorar la qualitat de l'atencio'. / [EN] Preterm delivery, defined as birth before 37 weeks of gestation, is a significant global concern with implications for the health of newborns and economic costs. It affects approximately 11% of all births, amounting to more than 15 million individuals worldwide. Current methods for predicting preterm labor lack precision, leading to overdiagnosis and limited practicality in clinical settings. Electrohysterography (EHG) has emerged as a promising alternative by providing relevant information about uterine electrophysiology. However, previous prediction systems based on EHG have not effectively translated into clinical practice, primarily due to biases in handling imbalanced data and the need for robust and generalizable prediction models. This doctoral thesis aims to develop an artificial intelligence based preterm labor prediction system using EHG and obstetric data from women undergoing regular prenatal check-ups. This system entails extracting relevant features, optimizing the feature subspace, and evaluating strategies to address the imbalanced data challenge for robust prediction. The study validates the effectiveness of temporal, spectral, and non-linear features in distinguishing between preterm and term labor cases. Novel entropy measures, namely dispersion and bubble entropy, outperform traditional entropy metrics in identifying preterm labor. Additionally, the study seeks to maximize complementary information while minimizing redundancy and noise features to optimize the feature subspace for accurate preterm delivery prediction by a genetic algorithm. Furthermore, we have confirmed leakage information between train and test data set when generating synthetic samples before data partitioning giving rise to an overestimated generalization capability of the predictor system. These results emphasize the importance of using partitioning-resampling techniques for ensuring data independence between train and test samples. We propose to combine genetic algorithm and resampling method at the same iteration to deal with imbalanced data learning using partition-resampling pipeline, achieving an Area Under the ROC Curve of 94% and Average Precision of 84%. Moreover, the model demonstrates an F1-score and recall of approximately 80%, outperforming existing studies on partition-resampling pipeline. This finding reveals the potential of an EHG-based preterm birth prediction system, enabling patient-oriented strategies for enhanced preterm labor prevention, maternal-fetal well-being, and optimal hospital resource management. Overall, this doctoral thesis provides clinicians with valuable tools for decision-making in preterm labor maternal-fetal risk scenarios. It enables clinicians to design a patient-oriented strategies for enhanced preterm birth prevention and management. The proposed methodology holds promise for the development of an integrated preterm birth prediction system that can enhance pregnancy planning, optimize resource allocation, and ultimately improve the outcomes for both mother and baby. / Nieto Del Amor, F. (2023). Design and assessment of a computer-assisted artificial intelligence system for predicting preterm labor in women attending regular check-ups. Emphasis in imbalance data learning technique [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/200900 / Compendio

[ES] El dolor crónico constituye un problema social y económico de primer orden. Se estima que alrededor del 19% de la población sufre de esta patología y de ellos un 12% son pacientes afectados por dolor severo. El coste económico asociado a las consecuencias del dolor en España se calcula en torno al 2,5% del PIB. La neuroestimulación medular eléctrica tónica es una de las terapias de elección para pacientes aquejados de dolor crónico severo neuropático y vascular, refractario a tratamientos farmacológicos, desde hace más de cincuenta años. El éxito de la terapia, en términos de alivio del dolor, depende de muchos factores relativos al propio paciente (patología, características anatómicas y aspectos psicológicos), así como de aspectos técnicos asociados al dispositivo utilizado y a su programación. Una correcta programación del neuroestimulador, así como otros factores asociados a la elección de los electrodos y posición de éstos en el espacio epidural, constituye uno de los factores críticos para la eficacia de la terapia. Sin embargo, hay una enorme escasez de información respecto a estos aspectos, a pesar de la cantidad de información clínica que existe sobre la terapia. Esta tesis estudia, mediante un modelo de neuroestimulación medular basado en métodos matemáticos y simulación computacional, diversas configuraciones de electrodos, posición de éstos, y programación de polaridades, con la finalidad de extraer conclusiones de utilidad clínica en la terapia de neuroestimulación tónica. El modelo desarrollado está basado en dos submodelos: un modelo tridimensional que simula la distribución del campo eléctrico en la médula, en cualquier nivel metamérico, si bien el presente trabajo se centra en T8 y T10, denominado volumen conductor, y un modelo de fibra que permite estudiar si una fibra mielinizada de un determinado diámetro desarrolla un potencial de acción bajo la acción de un campo eléctrico externo. Utilizando este modelo, se ha estudiado el efecto de diferentes factores de enorme influencia en la práctica clínica: - Elección del material pre-implante: efecto de la distancia entre polos del electrodo en la estimulación (elección del electrodo). - Técnica de implante: efecto de la distancia lateral entre electrodos paralelos implantados a la misma altura metamérica (posicionamiento de los electrodos en el espacio epidural). - Herramientas de programación: estudio del efecto de la polaridad en la estimulación (resultados para las distintas polaridades utilizadas habitualmente). - Técnica para desplazar la parestesia lateralmente: estudio del efecto de la estimulación transversa. Se ha procedido además a un registro de distintos umbrales de estimulación para varias programaciones en una muestra de 26 pacientes, mediante un estudio clínico observacional registrado en el CEIC (Comité Ético de Investigación Clínica) del Consorcio Hospital General Universitario de Valencia, para validar el modelo. Como resultado de la tesis, se ha desarrollado un modelo que permite estudiar el efecto de la estimulación tónica en cualquier nivel metamérico y determinar su eficacia en la creación de potenciales de acción, y se han sugerido unas pautas para la elección de los parámetros asociados a la terapia que puedan ser de utilidad clínica. / [CA] El dolor crònic constitueix un problema social i econòmic de primer ordre. S'estima que al voltant del 19% de la població pateix d'aquesta patologia i d'ells un 12% són pacients afectats per dolor sever. El cost econòmic associat a les conseqüències del dolor a Espanya es calcula entorn del 2,5% del PIB. La neuroestimulació medul·lar elèctrica tònica és una de les teràpies d'elecció per a pacients afligits de dolor crònic sever neuropàtic i vascular, refractari a tractaments farmacològics, des de fa més de cinquanta anys. L'èxit de la teràpia, en termes d'alleujament del dolor, depén de molts factors relatius al propi pacient (patologia, característiques anatòmiques i aspectes psicològics), així com d'aspectes tècnics associats al dispositiu utilitzat i a la seua programació. Una correcta programació del *neuroestimulador, així com altres factors associats a l'elecció dels elèctrodes i posició d'aquests en l'espai epidural, constitueix un dels factors crítics per a l'eficàcia de la teràpia. No obstant això, hi ha una enorme escassetat d'informació respecte a aquests aspectes, malgrat la quantitat d'informació clínica que existeix sobre la teràpia. Aquesta tesi estudia, mitjançant un model de neuroestimulació medul·lar basat en mètodes matemàtics i simulació computacional, diverses configuracions d'elèctrodes, posició d'aquests, i programació de polaritats, amb la finalitat d'extraure conclusions d'utilitat clínica en la teràpia de neuroestimulació tònica. El model desenvolupat està basat en dos submodels: un model tridimensional que simula la distribució del camp elèctric en la medul·la, en qualsevol nivell metamèric, si bé el present treball se centra en T8 i T10, denominat volum conductor, i un model de fibra que permet estudiar si una fibra mielinitzada d'un determinat diàmetre desenvolupa un potencial d'acció sota l'acció d'un camp elèctric extern. Utilitzant aquest model, s'ha estudiat l'efecte de diferents factors d'enorme influència en la pràctica clínica: - Elecció del material pre-implant: efecte de la distància entre pols de l'elèctrode en l'estimulació (elecció de l'elèctrode). - Tècnica d'implant: efecte de la distància lateral entre elèctrodes paral·lels implantats a la mateixa altura metamèrica (posicionament dels elèctrodes en l'espai epidural). - Eines de programació: estudi de l'efecte de la polaritat en l'estimulació (resultats per a les diferents polaritats utilitzades habitualment). - Tècnica per a desplaçar la parestèsia lateralment: estudi de l'efecte de l'estimulació transversa. S'ha procedit a més a un registre de diferents llindars d'estimulació per a diverses programacions en una mostra de 26 pacients, mitjançant un estudi clínic observacional registrat en el CEIC (Comité Ètic d'Investigació Clínica) del Consorci Hospital General Universitari de València, per a validar el model. Com a resultat de la tesi, s'ha desenvolupat un model que permet estudiar l'efecte de l'estimulació tònica en qualsevol nivell metamèric i determinar la seua eficàcia en la creació de potencials d'acció, i s'han suggerit unes pautes per a l'elecció dels paràmetres associats a la teràpia que puguen ser d'utilitat clínica. / [EN] Chronic pain is a major social and economic problem. It is estimated that about 19% of the population suffers from this pathology and of them 12% are patients affected by severe pain. The economic cost associated with the consequences of pain in Spain is estimated at around 2.5% of GDP. Tonic spinal cord stimulation is one of the therapies of choice for patients suffering from severe chronic neuropathic and vascular pain, refractory to pharmacological treatments, for more than fifty years. The success of the therapy, in terms of pain relief, depends on many factors related to the patient himself (pathology, anatomical characteristics and psychological aspects), as well as technical aspects associated with the device used and its programming. A correct programming of the neurostimulator, as well as other factors associated with the choice of electrodes and their position in the epidural space, is one of the critical factors for the effectiveness of the therapy. However, there is a huge lack of information regarding these aspects, despite of the amount of clinical information that exists about the therapy. This thesis studies, using a model of spinal cord stimulation based on mathematical methods and computational simulation, several configurations of electrodes, position of these, and programming of polarities, in order to draw conclusions of clinical utility in tonic neurestimulation therapy. The model developed is based on two submodels: a three-dimensional model that calculates the distribution of the electric field in the spinal cord, at any metameric level, although the present work focuses on T8 and T10, called volume conductor, and a fiber model that allows to study if a myelinated fiber with certain diameter creates an action potential under the action of an external electric field. Using this model, the effect of different factors of big influence on clinical practice has been studied: - Choice of pre-implant material: effect of the distance between lead contacts on stimulation (lead choice). - Implant technique: effect of the lateral distance between parallel leads implanted at the same metameric level (positioning of the leads in the epidural space). - Programming tools: study of the effect of polarity on stimulation (results for the different polarities commonly used). - Technique to move paresthesia laterally: study of the effect of transverse stimulation. We have also registered different stimulation thresholds for several programs in a sample of 26 patients, through an observational clinical study registered in the CEIC (Clinical Research Ethics Committee) of the Consorcio Hospital General Universitario de Valencia, to validate the model. As a result of the thesis, a model has been developed that allows to study the effect of tonic stimulation at any metameric level and determine its effectiveness in the creation of action potentials, and some guidelines have been suggested for the choice of parameters associated with the therapy that may be clinically useful. / Durá Cantero, JL. (2022). Modelización de los efectos de la neuroestimulación medular [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190245

[ES] En este trabajo se estudiarán y fabricarán electrodos y sensores depositados mediante diferentes técnicas de impresión sobre sustratos flexibles. En la primera parte se desarrollarán y se comprobará el funcionamiento de electrodos concéntricos tanto bipolares como tripolares para la captación de las señales de la actividad eléctrica del corazón humano. Se probarán tres tipos de deposición de tintas como son el huecograbado, la serigrafía y la inyección de tinta. Las tintas empleadas serán conductoras a base de plata (Ag) y grafito (C) como semiconductoras a base de polímeros orgánicos como el PEDOT-PSS. En otro capítulo se desarrollará y comprobará el funcionamiento de un "touch pad" realizado sobre sustratos textiles, también se desarrollará y comprobará el funcionamiento de un sensor gestual 3D implementado sobre sustrato textiles. Se analizarán la influencia los diferentes elementos constructivos sobre los sensores hápticos capacitivos implementados sobre sustratos textiles. Se analizarán distintas telas con diferentes tratamientos, midiendo las características eléctricas y su iteración con tintas conductoras (Ag) y tintas con polímeros orgánicos semiconductores y aislantes (dieléctricos). Finalmente se utilizará una tinta polimérica semiconductora a base de PEDOT-PSS para la realización de sensores resistivos de humedad y temperatura. Dicha tinta se probará en distintos sustratos, tanto flexibles (textiles y film plástico) como rígidos (alúmina). / [CA] En aquest treball s'estudiaran i fabricaran elèctrodes i sensors dipositats mitjançant tècniques d'impressió diferents sobre substrats flexibles. A la primera part es desenvoluparan i es comprovarà el funcionament d'elèctrodes concèntrics tant bipolars com tripolars per a la captació dels senyals de l'activitat elèctrica del cor humà. Es provaran tres tipus de deposició de tintes com són el gravat al buit, la serigrafia i la injecció de tinta. Les tintes emprades seran conductores a base de plata (Ag) i grafit (C) com a semiconductores a base de polímers orgànics com el PEDOT-PSS. A un altre capítol es desenvoluparà i comprovarà el funcionament d'un "touch pad" realitzat sobre substrats tèxtils, també es desenvoluparà i comprovarà el funcionament d'un sensor gestual 3D implementat sobre substrats tèxtils. S'analitzaran la influència dels diferents elements constructius sobre els sensors hàptics capacitius implementats sobre substrats tèxtils. S'analitzaran diferents teles amb diferents tractaments, mesurant les característiques elèctriques i la seva iteració amb tintes conductores (Ag) i tintes amb polímers orgànics semiconductors i aïllants (dielèctrics). Finalment, s'utilitzarà una tinta polimèrica semiconductor a base de PEDOT-PSS per a la realització de sensors resistius d'humitat i temperatura. Aquesta tinta es provarà en diferents substrats, tant flexibles (tèxtils i film plàstic) com a rígids (alúmina). / [EN] In this work, electrodes and sensors deposited by different printing techniques on flexible substrates will be studied and manufactured. In the first part, the operation of both bipolar and tripolar concentric electrodes for capturing the signals of the electrical activity of the human heart will be developed and tested. Three types of ink deposition will be tested, such as gravure, screen printing and inkjet. The inks used will be conductive based on silver (Ag) and graphite (C) as semiconductor based on organic polymers such as PEDOT-PSS. In another chapter, the operation of a touch pad made on textile substrates will be developed and verified, and the operation of a 3D gesture sensor implemented on textile substrates will also be developed and verified. The influence of the different constructive elements on the capacitive haptic sensors implemented on textile substrates will be analyzed. Different fabrics with different treatments will be analyzed, measuring the electrical characteristics and their iteration with conductive inks (Ag) and inks with semiconductor and insulating organic polymers (dielectric). Finally, a semiconductor polymeric ink based on PEDOT-PSS will be used for the realization of resistive humidity and temperature sensors. This ink will be tested on different substrates, both flexible (textiles and plastic film) and rigid (alumina). / Lidón Roger, JV. (2022). Estudio, desarrollo e implementación de sensores y actuadores realizados con tintes poliméricos sobre substratos flexibles mediante diferentes técnicas de deposición [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/187446 / TESIS

L'Electrogravimetria AC empra una microbalança de quars electroquímica (EQCM) en règim dinàmic. En l'EQCM un dels elèctrodes d'or depositats sobre el cristall és recobert amb una fina pelolícula d'un polímer electroactiv i és emprat com a elèctrode de treball (WE) dins d'una celola electroquímica. Les variacions de la freqüència de ressonància de la microbalança de quars (QCM) permeten obtindre la resposta massa associada amb la transferència de càrrega que es dóna en la interfície polímer-electròlit. L'Electrogravimetria AC va ser proposta a fi de caracteritzar i separadament identificar el moviment dels ions i el solvent en la interfície polímer-electròlit. En esta tècnica s'analitza en el domine de la freqüència la resposta de massa davant de xicotetes pertorbacions de voltatge gràcies a l'ocupació de la microbalança de quars en règim dinàmic. Per a este propòsit s'aplica una xicoteta pertorbació sinusoidal superposada a una tensió contínua, entre l'elèctrode de referència i l'elèctrode de treball de la celola. Posteriorment, es pot dibuixar la funció de transferència electrogravimètrica (EGTF), definida esta com la raó (?m/?E) entre l'amplitud dels canvis de massa induïts (?m) i l'amplitud de la pertorbació sinusoïdal aplicada (?E). Esta funció de transferència se dibuixa en un pla complex per a cada una de les freqüències de la senyal de pertorbació. Les distintes espècies iònicas involucrades són identificades en el pla complex per mitjà de bucles característics sempre que els bucles no se superposen. Per mitjà d'esta tesi doctoral es proposa un nou sistema de conversió de freqüència-tensió basat en un doble ajust de freqüència implementat amb un PLL mesclant elements analògics i digitals (AD PLL). Els resultats trobats tant en la caracterització electrònica del dispositiu com en la fase experimental proven la fiabilitat del sistema per als mesuraments realitzats en la tècnica d'Electrogravimetria AC. / Torres Villa, RA. (2007). Instrumental techniques for improving the measurements based on Quartz Crystal Microbalances (Técnicas instrumentales para mejorar las mediciones con microbalanzas de cuarzo) [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17323 / Palancia

En la realización de este trabajo se obtendrán las expresiones analíticas que permiten describir las propiedades acústicas de una red de elementos dispersivos en el interior de una guía de ondas, permitiendo así, obtener en el límite de homogenización los parámetros efectivos que caracterizan al metamaterial y la verificación experimental de las propiedades acústicas del metamaterial. Matemáticamente este problema se tratará con la teoría de la dispersión múltiple, ya que las geometrías a tratar en este trabajo van a ser cilíndricas y dicha teoría se ha demostrado ser la mas efectiva para esos casos y usando la técnica de ¿mode matching ¿para la resolución general del problema de la dispersión de campo acústico en el interior de una guía de ondas. / Graciá Salgado, R. (2014). Diseño y caracterización de metamateriales acústicos basados en guías de onda [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/38759 / TESIS

Esta tesis doctoral trata acerca de los sistemas de compensación activos de conexión en paralelo utilizados para la mejora de la calidad del suministro eléctrico, y de la eficiencia energética en las redes eléctricas de distribución y en las instalaciones, a cuatro hilos. En la presente tesis se desarrolla un nuevo filtro o compensador activo de potencia con la capacidad de seleccionar los fenómenos a compensar, incluyéndose además algunas propuestas que, aplicadas a estos sistemas de compensación, permiten mejorar las prestaciones finales obtenidas. Se presentan las estrategias de compensación global más utilizadas en compensadores activos y se propone un método de compensación global basado en la norma IEEE Std. 1459-2000. Se realiza un estudio comparativo de las diferentes estrategias de compensación global. Para la obtención de un compensador selectivo, se proponen dos métodos diferentes para la descomposición de las corrientes de carga y la obtención de las corrientes de compensación. El primer método está basado en la utilización de las conductancias por fase y la conductancia equivalente del sistema trifásico. El segundo se basa en la descomposición de potencias propuesta en la IEEE Std. 1459-2000. Se presenta un análisis de cada uno de los métodos propuestos. Se presenta el análisis del sistema completo para la implementación del compensador selectivo propuesto. El sistema de control incluye, la utilización de la técnica de la ventana deslizante para la obtención de las corrientes de referencia, el desarrollo de un regulador de corriente de bajo coste computacional, el diseño del regulador para el control del bus dc y el desarrollo de un nuevo modulador vectorial tridimensional 3D-3B SVPWM. Finalmente, se presentan los resultados de simulación y experimentales del sistema de compensación diseñado, para diferentes tipos de cargas y condiciones de alimentación. Parte de estos resultados han sido presentados, entre otras, en las siguientes publicaciones: " S. O / Orts Grau, S. (2008). Sistema de compensación mediante filtro activo de potencia con sistema de obtención de las corrientes de referencia selectivo utilizando control 3D-3B SVPWM de la etapa de potencia. Aplicación a sistemas industriales a 4 hilos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3797 / Palancia

[ES] Una mejor comprensión de los mecanismos subyacentes a las arritmias ventriculares, así como una mejora de las terapias eléctricas y farmacológicas asociadas, son un factor clave para prevenir la muerte súbita cardíaca en pacientes con cardiopatías estructurales y eléctricas. Una miocardiopatía importante que puede provocar arritmias ventriculares potencialmente mortales es la insuficiencia cardíaca (HF). Los pacientes con HF a menudo sufren también de bloqueo de rama izquierda (LBBB) que deteriora su condición. Actualmente, el tratamiento más eficaz para estos pacientes es la terapia de resincronización cardíaca (CRT). Sin embargo, no se alcanza una respuesta positiva en todos los casos, por lo que es necesario un mayor estudio para mejorar este tratamiento. Una segunda patología cardíaca que también produce arritmias letales es la isquemia miocárdica. Evidencia experimental ha demostrado que las alteraciones electrofisiológicas en el miocardio ventricular constituyen un sustrato para la generación de arritmias durante la fase aguda de isquemia. Estas alteraciones son inducidas por los tres componentes isquémicos principales: hipercalemia, hipoxia y acidosis. Sin embargo, la influencia de cada componente en los mecanismos de inicio y mantenimiento de las arritmias no se comprende aún con claridad. Una primera parte de esta tesis doctoral, se centra en la optimización de la CRT durante su aplicación en un corazón que padece HF y LBBB. Para esto, se modificó el modelo de potencial de acción (AP) de O'Hara para simular una velocidad de conducción realista tanto en condiciones sanas como patológicas. Además, se estimó e incorporó un sistema de His-Purkinje (HPS) dentro de un modelo biventricular/torso humano 3D para simular un LBBB realista. A continuación, se desarrolló un conjunto de simulaciones computacionales para diferentes configuraciones de la CRT a fin de determinar la posición y el instante de estimulación óptimo que conducen a la duración más corta del QRS. Posteriormente, los resultados se compararon con otros criterios de optimización. Los principales hallazgos de este estudio mostraron la necesidad de definir criterios de optimización mejores o complementarios, como un índice basado en el tiempo hasta alcanzar el 90% del área del QRS sugerido en este trabajo, para alcanzar la mejor sincronía eléctrica ventricular durante la aplicación de la CRT. Además, nuestros resultados también muestran que el septo superior cercano al tracto de salida es un sitio alternativo para la estimulación del ventrículo derecho, lo cual evita los problemas de perforación de la pared apical durante el procedimiento típico de la CRT. Por último, para obtener mejores resultados de la CRT se deben considerar protocolos de estimulación endocárdica en el ventrículo izquierdo. En la segunda parte de esta tesis se investigó los efectos de los tres componentes principales de la isquemia sobre la vulnerabilidad a una reentrada, así como el papel del HPS y sus mecanismos de acción en la generación y mantenimiento de arritmias ventriculares. Para lograr este objetivo, en primer lugar, se modificó el modelo AP ventricular para simular de forma realista las principales alteraciones provocadas por la isquemia miocárdica aguda. Las simulaciones se realizaron en un modelo biventricular humano 3D, acoplado en un torso virtual, que incluye una geometría realista de las zonas isquémicas central y de borde, así como un HPS detallado. Se simularon cuatro escenarios de severidad isquémica correspondientes a diferentes minutos de oclusión de la arteria coronaria para evaluar los efectos de la evolución de la isquemia en el tiempo. Luego, se evaluó la influencia individual de la hipercalemia, hipoxia y acidosis en el ancho de la ventana vulnerable (VW) a reentradas durante siete escenarios de isquemia aguda. Finalmente, se repitió este último conjunto de simulaciones isquémicas utilizando el modelo anatómico sin el HPS para evaluar el efecto de este último en la VW. Los resultados muestran que una condición isquémica moderada es el peor escenario para la generación de una reentrada. La hipoxia es el componente isquémico con el efecto más significativo en el ancho de la VW. Además, el flujo de corriente retrógrado desde el miocardio hacia el HPS en la región isquémica, los bloqueos de conducción en secciones discretas del HPS y el grado de hiperkalemia que afecta a las células de Purkinje, son sugeridos como mecanismos que podrían favorecer la aparición de arritmias ventriculares. / [EN] A better understanding of the mechanisms underlying ventricular arrhythmias, as well as an improvement of the associated electrical and pharmacological therapies, are a key factor to prevent sudden cardiac death in patients with structural and electrical heart diseases. An important cardiomyopathy that can lead to life-threatening ventricular arrhythmias is heart failure (HF). Patients with HF also often suffer from left bundle branch block (LBBB), which worsens their condition. Currently, the most effective treatment to these patients is cardiac resynchronization therapy (CRT). However, many patients are non-responders, so further studies are needed to improve this treatment. A second cardiac pathology that also produces lethal arrhythmias is myocardial ischemia. Substantial experimental evidence has shown that electrophysiological alterations in the ventricular myocardium constitute a substrate for the generation of arrhythmias during the acute phase of ischemia. These alterations are induced by the three main ischemic components: hyperkalemia, hypoxia and acidosis. However, the influence of each component in the mechanisms of arrhythmia initiation and maintenance is still not completely understood. In the first section of this doctoral thesis, we focus on the optimization of CRT during its application in a heart suffering from HF and LBBB. For this purpose, we modified the O'Hara action potential (AP) model to simulate a realistic conduction velocity both in healthy and pathological conditions. In addition, a His-Purkinje system (HPS) was generated and incorporated into a 3D human biventricular/torso model to simulate realistic LBBB. A set of computational simulations were performed for different CRT configurations to determine the optimal pacing leads location and delay values leading to the shortest QRS duration. Subsequently, results were compared with other optimization criteria. The main findings of this study showed the need of better or complementary optimization criteria, such as an index based on the time to reach the 90% of the QRS area suggested in this work, to reach the best ventricular electrical synchrony during the CRT application. In addition, our results also show that the upper septum close to the outflow tract is an alternative site for the right ventricle (RV) stimulation, which avoids the perforation problems of the RV apical wall during the typical CRT procedure. Finally, protocols of left ventricle endocardial pacing should be considered to obtain better CRT results. In the second section of this thesis, we investigated the effects of the three main components of ischemia on the vulnerability to reentry, as well as the role of the HPS and its mechanisms of action in the generation and maintenance of ventricular arrhythmias. In order to achieve our goal, we first modified the ventricular AP model to realistically simulate the major alterations caused by acute myocardial ischemia. Simulations were performed in a 3D human biventricular model, embedded in a virtual torso, which includes a realistic geometry of the central and border ischemic zones, as well as a detailed HPS. Four scenarios of ischemic severity corresponding to different minutes after coronary artery occlusion were simulated to evaluate the effects of the evolution of ischemia over time. Then, the individual influence of hyperkalemia, hypoxia and acidosis in the width of the vulnerable window (VW) for reentry was assessed during seven scenarios of acute ischemia. Finally, this last set of ischemic simulations was repeated using the anatomical model without the HPS to evaluate the effect of the latter in the VW. Results show that a moderate ischemic condition is the worst scenario for reentry generation. Hypoxia is the ischemic component with the most significant effect on the width of the VW. Furthermore, the retrograde current flow from the myocardium to the HPS in the ischemic region, conduction blocks in discrete sections of the HPS, and the degree of hyperkalemia affecting the Purkinje cells, are suggested as HPS mechanisms that could favor the triggering of ventricular arrhythmias. / [CA] Una millor comprensió dels mecanismes subjacents a les arrítmies ventriculars, així com una millora de les teràpies elèctriques i farmacològiques associades, són un factor clau per a previndre la mort sobtada cardíaca en pacients amb cardiopaties estructurals i elèctriques. Una miocardiopatia important que pot provocar arrítmies ventriculars potencialment mortals és la insuficiència cardíaca (HF). Els pacients amb HF sovint pateixen també de bloqueig de branca esquerra (LBBB) que deteriora la seua condició. Actualment, el tractament més eficaç per a aquests pacients és la teràpia de resincronització cardíaca (CRT). No obstant això, no s'aconsegueix una resposta positiva en tots els casos, per la qual cosa és necessari un major estudi per a millorar aquest tractament. Una segona patologia cardíaca que també produeix arrítmies letals és la isquèmia miocàrdica. Evidència experimental ha demostrat que les alteracions electrofisiològiques en el miocardi ventricular constitueixen un substrat per a la generació d'arrítmies durant la fase aguda d'isquèmia. Aquestes alteracions són induïdes pels tres components isquèmics principals: hipercalèmia, hipòxia i acidosi. No obstant això, la influència de cada component en els mecanismes d'inici i manteniment de les arrítmies no es comprén encara amb claredat. Una primera part d'aquesta tesi doctoral, se centra en l'optimització de la CRT durant la seua aplicació en un cor que pateix HF i LBBB. Per a això, es va modificar el model de potencial d'acció (AP) de O'Hara per a simular una velocitat de conducció realista tant en condicions sanes com patològiques. A més, es va estimar i es va incorporar un sistema de His-Purkinje (HPS) dins d'un model biventricular/tors humà 3D per a simular un LBBB realista. A continuació, es va desenvolupar un conjunt de simulacions computacionals per a diferents configuracions de la CRT a fi de determinar la posició i l'instant d'estimulació òptim que condueixen a la duració més curta del QRS. Posteriorment, els resultats es van comparar amb altres criteris d'optimització. Les principals troballes d'aquest estudi van mostrar la necessitat de definir millors o complementaris criteris d'optimització, com un índex basat en el temps fins a aconseguir el 90% de l'àrea del QRS suggerida en aquest treball, per a aconseguir la millor sincronia elèctrica ventricular durant l'aplicació de la CRT. A més, els nostres resultats també mostren que el septe superior pròxim al tracte d'eixida és un lloc alternatiu per a l'estimulació del ventricle dret, la cual cosa evita els problemes de perforació de la paret apical durant el procediment típic de la CRT. Finalment, per a obtindre millors resultats de la CRT s'han de considerar protocols d'estimulació endocárdica en el ventricle esquerre. En la segona part d'aquesta tesi es va investigar els efectes dels tres components principals de la isquèmia sobre la vulnerabilitat a una reentrada, així com el paper del HPS i els seus mecanismes d'acció en la generació i manteniment d'arrítmies ventriculars. Per a aconseguir aquest objectiu, en primer lloc es va modificar el model AP ventricular per a simular de manera realista les principals alteracions provocades per la isquèmia miocàrdica aguda. Les simulacions es van realitzar en un model biventricular humà 3D, acoblat en un tors virtual, que inclou una geometria realista de les zones isquèmiques central i de vora, així com un HPS detallat. Es van simular quatre escenaris de severitat isquèmica corresponents a diferents minuts d'oclusió de l'artèria coronària per a avaluar els efectes de l'evolució de la isquèmia en el temps. Després, es va avaluar la influència individual de la hipercalèmia, hipòxia i acidosi en l'ample de la finestra vulnerable (VW) a reentradas durant set escenaris d'isquèmia aguda. Finalment, es va repetir aquest últim conjunt de simulacions isquèmiques utilitzant el model anatòmic sense el HPS per a avaluar l'efecte d'aquest últim en la VW. Els resultats mostren que una condició isquèmica moderada és el pitjor escenari per a la generació d'una reentrada. La hipòxia és el component isquèmic amb l'efecte més significatiu en l'ample de la VW. A més, el flux de corrent retrògrad des del miocardi cap al HPS a la regió isquèmica, els bloquejos de conducció en seccions discretes del HPS i el grau d'hiperkalèmia que afecta les cèl·lules de Purkinje, són suggerits com a mecanismes que podrien afavorir l'aparició d'arrítmies ventriculars. / Carpio Garay, EF. (2021). Contribution to the improvement of electrical therapies and to the comprehension of electrophysiological mechanisms in heart failure and acute ischemia using computational simulation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/163041 / TESIS

[ES] Las arritmias cardíacas son un problema importante para los sistemas de salud en el mundo desarrollado debido a su alta incidencia y prevalencia a medida que la población envejece. La fibrilación auricular (FA) y la fibrilación ventricular (FV) se encuentran entre las arritmias más complejas observadas en la práctica clínica. Las consecuencias clínicas de tales alteraciones arrítmicas incluyen el desarrollo de eventos cardioembólicos complejos en la FA, y repercusiones dramáticas debido a procesos fibrilatorios sostenidos que amenazan la vida infringiendo daño neurológico tras paro cardíaco por FV, y que pueden provocar la muerte súbita cardíaca (MSC). Sin embargo, a pesar de los avances tecnológicos de las últimas décadas, sus mecanismos intrínsecos se comprenden de forma incompleta y, hasta la fecha, las estrategias terapéuticas carecen de una base mecanicista suficiente y poseen bajas tasas de éxito. Entre los mecanismos implicados en la inducción y perpetuación de arritmias cardíacas, como la FA, se cree que las dinámicas de las fuentes focales y reentrantes de alta frecuencia, en sus diferentes modalidades, son las fuentes primarias que mantienen la arritmia. Sin embargo, se sabe poco sobre los atractores, así como, de la dinámica espacio-temporal de tales fuentes fibrilatorias primarias, específicamente, las fuentes focales o rotacionales dominantes que mantienen la arritmia. Por ello, se ha desarrollado una plataforma computacional, para comprender los factores (activos, pasivos y estructurales) determinantes, y moduladores de dicha dinámica. Esto ha permitido establecer un marco para comprender la compleja dinámica de los rotores con énfasis en sus propiedades deterministas para desarrollar herramientas basadas en los mecanismos para ayuda diagnóstica y terapéutica. Comprender los procesos fibrilatorios es clave para desarrollar marcadores y herramientas fisiológica- y clínicamente relevantes para la ayuda de diagnóstico temprano. Específicamente, las propiedades espectrales y de tiempo-frecuencia de los procesos fibrilatorios han demostrado resaltar el comportamiento determinista principal de los mecanismos intrínsecos subyacentes a las arritmias y el impacto de tales eventos arrítmicos. Esto es especialmente relevante para determinar el pronóstico temprano de los supervivientes comatosos después de un paro cardíaco debido a fibrilación ventricular (FV). Las técnicas de mapeo electrofisiológico, el mapeo eléctrico y óptico cardíaco, han demostrado ser recursos muy valiosos para dar forma a nuevas hipótesis y desarrollar nuevos enfoques mecanicistas y estrategias terapéuticas mejoradas. Esta tecnología permite además el trabajo multidisciplinar entre clínicos y bioingenieros, para el desarrollo y validación de dispositivos y metodologías para identificar biomarcadores multi-dominio que permitan rastrear con precisión la dinámica de las arritmias identificando fuentes dominantes y atractores con alta precisión para ser dianas de estrategias terapeúticas innovadoras. Es por ello que uno de los objetivos fundamentales ha sido la implantación y validación de nuevos sistemas de mapeo en distintas configuraciones que sirvan de plataforma de desarrollo de nuevas estrategias terapeúticas. Aunque el mapeo panorámico es el método principal y más completo para rastrear simultáneamente biomarcadores electrofisiológicos, su adopción por la comunidad científica es limitada principalmente debido al coste elevado de la tecnología. Aprovechando los avances tecnológicos recientes, nos hemos enfocado en desarrollar, y validar, sistemas de mapeo óptico de alta resolución para registro panorámico cardíaco, utilizando modelos clínicamente relevantes para la investigación básica y la bioingeniería. / [CAT] Les arítmies cardíaques són un problema important per als sistemes de salut del món desenvolupat a causa de la seva alta incidència i prevalença a mesura que la població envelleix. La fibril·lació auricular (FA) i la fibril·lació ventricular (FV), es troben entre les arítmies més complexes observades a la pràctica clínica. Les conseqüències clíniques d'aquests trastorns arítmics inclouen el desenvolupament d'esdeveniments cardioembòlics complexos en FA i repercussions dramàtiques a causa de processos fibril·latoris sostinguts que posen en perill la vida amb danys neurològics posteriors a la FV, que condueixen a una aturada cardíaca i a la mort cardíaca sobtada (SCD). Tanmateix, malgrat els avanços tecnològics de les darreres dècades, els seus mecanismes intrínsecs s'entenen de forma incompleta i, fins a la data, les estratègies terapèutiques no tenen una base mecanicista suficient i tenen baixes taxes d'èxit. La majoria dels avenços en el desenvolupament de biomarcadors òptims i noves estratègies terapèutiques en aquest camp provenen de tècniques valuoses en la investigació de mecanismes d'arítmia. Entre els mecanismes implicats en la inducció i perpetuació de les arítmies cardíaques, es creu que les fonts primàries subjacents a l'arítmia són les fonts focals reingressants d'alta freqüència dinàmica i AF, en les seves diferents modalitats. Tot i això, se sap poc sobre els atractors i la dinàmica espaciotemporal d'aquestes fonts primàries fibril·ladores, específicament les fonts rotacionals o focals dominants que mantenen l'arítmia. Per tant, s'ha desenvolupat una plataforma computacional per entendre determinants actius, passius, estructurals i moduladors d'aquestes dinàmiques. Això va permetre establir un marc per entendre la complexa dinàmica multidomini dels rotors amb ènfasi en les seves propietats deterministes per desenvolupar enfocaments mecanicistes per a l'ajuda i la teràpia diagnòstiques. La comprensió dels processos fibril·latoris és clau per desenvolupar puntuacions i eines rellevants fisiològicament i clínicament per ajudar al diagnòstic precoç. Concretament, les propietats espectrals i de temps-freqüència dels processos fibril·latoris han demostrat destacar un comportament determinista important dels mecanismes intrínsecs subjacents a les arítmies i l'impacte d'aquests esdeveniments arítmics. Mitjançant coneixements previs, processament de senyals, tècniques d'aprenentatge automàtic i anàlisi de dades, es va desenvolupar una puntuació de risc mecanicista a la aturada cardíaca per FV. Les tècniques de cartografia òptica cardíaca i electrofisiològica han demostrat ser recursos inestimables per donar forma a noves hipòtesis i desenvolupar nous enfocaments mecanicistes i estratègies terapèutiques. Aquesta tecnologia ha permès durant molts anys provar noves estratègies terapèutiques farmacològiques o ablatives i desenvolupar mètodes multidominis per fer un seguiment precís de la dinàmica d'arrímies que identifica fonts i atractors dominants. Tot i que el mapatge panoràmic és el mètode principal per al seguiment simultani de paràmetres electrofisiològics, la seva adopció per part de la comunitat multidisciplinària d'investigació cardiovascular està limitada principalment pel cost de la tecnologia. Aprofitant els avenços tecnològics recents, ens centrem en el desenvolupament i la validació de sistemes de mapes òptics de baix cost per a imatges panoràmiques mitjançant models clínicament rellevants per a la investigació bàsica i la bioenginyeria. / [EN] Cardiac arrhythmias are a major problem for health systems in the developed world due to their high incidence and prevalence as the population ages. Atrial fibrillation (AF) and ventricular fibrillation (VF), are amongst the most complex arrhythmias seen in the clinical practice. Clinical consequences of such arrhythmic disturbances include developing complex cardio-embolic events in AF, and dramatic repercussions due to sustained life-threatening fibrillatory processes with subsequent neurological damage under VF, leading to cardiac arrest and sudden cardiac death (SCD). However, despite the technological advances in the last decades, their intrinsic mechanisms are incompletely understood, and, to date, therapeutic strategies lack of sufficient mechanistic basis and have low success rates. Most of the progress for developing optimal biomarkers and novel therapeutic strategies in this field has come from valuable techniques in the research of arrhythmia mechanisms. Amongst the mechanisms involved in the induction and perpetuation of cardiac arrhythmias such AF, dynamic high-frequency re-entrant and focal sources, in its different modalities, are thought to be the primary sources underlying the arrhythmia. However, little is known about the attractors and spatiotemporal dynamics of such fibrillatory primary sources, specifically dominant rotational or focal sources maintaining the arrhythmia. Therefore, a computational platform for understanding active, passive and structural determinants, and modulators of such dynamics was developed. This allowed stablishing a framework for understanding the complex multidomain dynamics of rotors with enphasis in their deterministic properties to develop mechanistic approaches for diagnostic aid and therapy. Understanding fibrillatory processes is key to develop physiologically and clinically relevant scores and tools for early diagnostic aid. Specifically, spectral and time-frequency properties of fibrillatory processes have shown to highlight major deterministic behaviour of intrinsic mechanisms underlying the arrhythmias and the impact of such arrhythmic events. Using prior knowledge, signal processing, machine learning techniques and data analytics, we aimed at developing a reliable mechanistic risk-score for comatose survivors of cardiac arrest due to VF. Cardiac optical mapping and electrophysiological mapping techniques have shown to be unvaluable resources to shape new hypotheses and develop novel mechanistic approaches and therapeutic strategies. This technology has allowed for many years testing new pharmacological or ablative therapeutic strategies, and developing multidomain methods to accurately track arrhymia dynamics identigying dominant sources and attractors. Even though, panoramic mapping is the primary method for simultaneously tracking electrophysiological parameters, its adoption by the multidisciplinary cardiovascular research community is limited mainly due to the cost of the technology. Taking advantage of recent technological advances, we focus on developing and validating low-cost optical mapping systems for panoramic imaging using clinically relevant models for basic research and bioengineering. / Calvo Saiz, CJ. (2022). Novel Cardiac Mapping Approaches and Multimodal Techniques to Unravel Multidomain Dynamics of Complex Arrhythmias Towards a Framework for Translational Mechanistic-Based Therapeutic Strategies [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182329 / TESIS

Tesis por compendio / [ES] La sociedad actual demanda un mayor control en la seguridad y calidad de los alimentos que se consumen. Esta preocupación se ve reflejada en los diferentes planes estatales y europeos de investigación científica, los cuales, plantean la necesidad de innovar y desarrollar nuevas técnicas analíticas que cubran los requerimientos actuales. En el presente documento se aborda el problema de la presencia de residuos químicos en la miel. El origen de los mismos se debe, fundamentalmente, a los tramientos veterinarios con los que se tratan enfermedades y parásitos en las abejas, y a los tratamientos agrícolas con los que las abejas se ponen en contacto cuando recolectan el néctar en cultivos próximos a las colmenas. La Agencia Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) confirma esta realidad al notificar numerosas alertas sanitarias en la miel. En los últimos años, los métodos de análisis basados en inmunosensores piezoeléctricos se han posicionado como la base de una técnica de cribado muy prometedora, la cual puede ser empleada como técnica complementaria a las clásicas de cromatografía, gracias a su sencillez, rapidez y bajo coste. La tecnología de resonadores High-Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (HFF-QCMD) combina la detección directa en tiempo real, alta sensibilidad y selectividad con un fácil manejo y coste reducido en comparación con otras técnicas. Además, está tecnología permite aumentar el rendimiento del análisis mediante el diseño de arrays de resonadores en un mismo sustrato (Monolithic HFF-QCMD). En este documento se presenta el diseño de un array de 24 sensores HFF-QCMD, junto con un cartucho de micro-fluídica que traza diversos microcanales sobre los diferentes elementos sensores, a los que hace llegar la muestra de miel diluida a analizar. El cartucho actúa también como interfaz para realizar la conexión entre el array de resonadores y el instrumento de caracterización de los mismos. Para obtener el máximo partido del array diseñado, se desarrolla un método de medida robusto y fiable que permite elevar la tasa de adquisición de datos para facilitar la toma de registros eléctricos de un elevado número de resonadores de forma simultánea, e incluso en varios armónicos del modo fundamental de resonancia. La gran sensibilidad de la tecnología HFF-QCMD a los eventos bioquímicos a caracterizar se extiende también a otro tipo eventos externos, como son los cambios de temperatura o presión, lo que es necesario minimizar con el fin de reducir el impacto que estas perturbaciones no deseadas provocan en la estabilidad y fiabilidad de la medida. Con este fin, se desarrolla un algoritmo de procesado de señal basado en la Discrete Transform Wavelet (DTW). Finalmente, todos los desarrollos tecnológicos realizados se validan mediante la implementación de un inmunoensayo para la detección simultánea, en muestras de mieles reales, de residuos químicos de naturaleza química muy diferente, a saber, el fungicida tiabendazol y el antibiótico sulfatiazol. / [CA] La societat actual demanda un major control en la seguretat i qualitat dels aliments que es consumeixen. Aquesta preocupació es veu reflectida en els diferents plans estatals i europeus d'investigació científica, els quals, plantegen la necessitat d'innovar i desenvolupar noves tècniques analítiques que cobrisquen els requeriments actuals. En el present document s'aborda el problema de la presència de residus químics en la mel. L'origen dels mateixos es deu, fonamentalment, als tractaments veterinaris amb els quals es tracten malalties i paràsits en les abelles, i als tractaments agrícoles amb els quals les abelles es posen en contacte quan recol·lecten el nèctar en cultius pròxims als ruscos. L'Agència Europea de Seguretat Alimentària (EFSA) confirma aquesta realitat notificant nombroses alertes sanitàries en la mel. En els últims anys, els mètodes d'anàlisis basades en immunosensors piezoelèctrics s'han posicionat com la base d'una tècnica de garbellat molt prometedora, la qual pot ser emprada com a tècnica complementària a les clàssiques de cromatografia, gràcies a la seua senzillesa, rapidesa i baix cost. La tecnologia de ressonadors High-Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (HFF-QCMD) combina la detecció directa en temps real, alta sensibilitat i selectivitat amb un fàcil maneig i cost reduït en comparació amb altres tècniques. A més, està tecnologia permet augmentar el rendiment del anàlisi mitjançant el disseny d'arrays de ressonadors en un mateix substrat (Monolithic HFF-QCMD). En aquest document es presenta el disseny d'un array de 24 sensors HFF-QCMD, juntament amb un cartutx de microfluídica que estableix diversos microcanals sobre els diferents elements sensors, als quals fa arribar la mostra de mel diluïda a analitzar. El cartutx actua també com a interfície per a realitzar la connexió entre l'array de ressonadors i l'instrument de caracterització d'aquests. Per a traure el màxim partit a l'array dissenyat, es desenvolupa un mètode de mesura robust i fiable que permet elevar la taxa d'adquisició de dades per a facilitar la presa de registres elèctrics d'un elevat nombre de ressonadors de manera simultània, i fins i tot en diversos harmònics del mode fonamental de ressonància. La gran sensibilitat de la tecnologia HFF-QCMD als esdeveniments bioquímics a caracteritzar s'estén també a un altre tipus esdeveniments externs, com són els canvis de temperatura o pressió, la qual cosa és necessari minimitzar amb la finalitat de reduir l'impacte que aquestes pertorbacions no desitjades provoquen en l'estabilitat i fiabilitat de la mesura. A aquest efecte, es desenvolupa un algorisme de processament de senyal basat en la Discrete Transform Wavelet (DTW). Finalment, tots els desenvolupaments tecnològics realitzats es validen mitjançant la implementació d'un immunoassaig per a la detecció simultània, en mostres de mel reals, de residus químics de naturalesa química molt diferent, a saber, el fungicida tiabendazol i l'antibiòtic sulfatiazol. / [EN] Currently, society demands greater control over the safety and quality of the food consumed. This concern is reflected in the different states and European plans for scientific research, which establish the necessity to innovate and develop new analytical techniques that meet current requirements. This document addresses the problem of the presence of chemical residues in honey. Its origin is fundamentally due to the veterinary treatments against diseases and parasites in bees, and also to the agricultural treatments with which the bees come into contact when they collect the nectar in crops close to the hives. The European Food Safety Agency (EFSA) confirms this reality by notifying numerous health alerts in honey. In recent years, analysis methods based on piezoelectric immunosensors have been positioned as the basis of a very promising screening technique, which can be used as a complementary technique to the classic chromatography, thanks to its simplicity, speed and low cost. High-Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (HFF-QCMD) resonator technology combines direct real-time detection, high sensitivity and selectivity with easy handling and low cost compared to other techniques. In addition, this technology allows increasing the performance of the analysis through the design of resonator arrays on the same substrate (Monolithic HFF-QCMD). This document presents the design of an array of 24 HFF-QCMD sensors, together with a microfluidic cartridge that establish various microchannels on the different sensor elements, to provide them the diluted honey sample to be analyzed. The cartridge also acts as an interface to make the connection between the array of resonators and the characterization instrument. To get the most out of the designed array, a robust and reliable measurement method has been developed that allows increasing the data acquisition rate to facilitate electrical parameters readout from a high number of resonators simultaneously, and even in several harmonics of the fundamental resonance mode. The great sensitivity of the HFF-QCMD technology to the biochemical events to be characterized also is extended to other types of external events, such as changes in temperature or pressure, which must be minimized in order to reduce the impact that these unwanted disturbances cause in the stability and reliability of the measurement. To this end, a signal processing algorithm based on the Discrete Transform Wavelet (DTW) is developed. Finally, all the technological developments carried out are validated through the implementation of an immunoassay for the simultaneous detection, in real honey samples, of chemical residues of very different chemical nature, namely, the fungicide thiabendazole and the antibiotic sulfathiazole. / The authors would also like to thank Jorge Martínez from the Laboratory of High Frequency Circuits (LCAF) of the Universitat Politècnica de València (UPV) for assistance with profilometry, and Manuel Planes, José Luis Moya, Mercedes Tabernero, Alicia Nuez and Joaquin Fayos from the Electron Microscopy Services of the UPV for helping with the AFM, and SEM measurements. M.Calero is the recipient of the doctoral fellowship BES-2017-080246 from the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness (Madrid, Spain). This research was funded by Spanish Ministry of Economy and Competitiveness with FEDER funds (AGL 2016-77702-R) and European Commission Horizon 2020 Programme (Grant Agreement number H2020-FETOPEN-2016-2017/737212-CATCH-U-DNA - Capturing non-Amplified Tumor Circulating DNA with Ultrasound Hydrodynamics) for which the authors are grateful. Román Fernández is with the Center for Research and Innovation in Bioengineering (Ci2B), Universitat Politècnica de València, València, Spain and with Advanced Wave Sensors S.L., Paterna, València, Spain. (e-mail: rfernandez@awsensors.com); Yolanda Jiménez, Antonio Arnau and María Calero are with the Center for Research and Innovation in Bioengineering (Ci2B), Universitat Politècnica de València, València, Spain; Ilya Reiviakine is with Advanced Wave Sensors S.L., Paterna, Valencia, Spain and with the Department of Bioengineering, University of Washington, Seattle, WA, 98150 USA; María Isabel Rocha-Gaso and José Vicente García are with Advanced Wave Sensors S.L., Paterna, València, Spain. / Calero Alcarria, MDS. (2022). Development of a novel high resolution and high throughput biosensing technology based on a Monolithic High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance (MHFF-QCM). Validation in food control [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182652 / TESIS / Compendio