The purpose of this PhD thesis was to design, implement and validate a low cost compact system based on the double-pass I technique in order to evaluate the viability of its use in the future in optical instrumentation to obtain optical quality and light diffusior estimations. First of all we measured the optical quality of an electro-optical liquid lens to prove its usefulness in the measurement of the eye's optical quality. We built a simple single-pass setup composed by a laser diode (LD), an electro-opticalliquid lens (EOLL) and a CCD as recording device. The results obtained in this study show the validity of this type of lenses for corrections of spherical refractive errors. In second place we studied the correction of spherical refractive errors in double-pass configurations by means of the electro­ optical liquid lens (EOLL). We measured the optical performance of the spherical corrector in terms of optical power, pupil size and optical quality verifying that they all fit the requirements to be applied to double-pass systems. We also evaluated the performance of the proposed method in patients by comparison with a conventional double-pass system using a Badal optometer (OQAS instrument) and we conclude that the EOLL is suitable to be used in a double-pass system for a spherical correction. In third place we implemented and validated a superluminiscent led (SLED) as light source in the double-pass system . The study showed that the SLED used during the experimentation did not have sufficiently low coherence to break the speckle noise on its own, but showed a good performance when being combined with other methods for speckle reduction. In fourth place we implemented and validated a CMOS camera as recorder device in the double-pass system. We studied the performance of a CMOS camera by comparison with the results obtained with a CCD. The study showed a high correlation between the results obtained with the CCD and CMOS camera, demonstrating in this manner suitability of this type of sensors (CMOS) for application in the field of visual optics. Taking into account the results on the light source, the spherical refractive error corrector, and the recording device, the final configuration of the system includes a SLD light source, a corrector based on EOLLs and a CMOS camera. The experimental double-pass system has been compared with a commercially available double-pass system (OQAS). All the tests showed the good agreement between both systems, which suggest that the system here presented may be used for estimations of the ocular optical quality and scattering measurements. We conclude that the proposed experimental setup, including as innovations the CMOS camera and the EOLL spherical corrector, improves in terms of size and cost a conventional system with a performance comparable to that observes in commercially available devices. / Esta tesis doctoral ha tenido como objetivo fundamental el diseño, implementación y validación de un sistema compacto y de bajo coste basado en la técnica del doble paso que nos permita obtener estimaciones de calidad óptica en general y de luz difusa en particular, dirigido a una posible futura utilización en la práctica clínica. Para ello se ha partido del esquema de doble paso utilizado en el instrumento oftalmológico OQAS y se ha estudiado y validado posibles mejoras, tanto en grado de integración como en coste, que han garantizado las mismas o superiores prestaciones. En primer lugar se procedió a la validación de una lente electro-óptica como sistema de corrección de la refracción esférica, este dispositivo sustituye al tradicional sistema Badal compuesto por dos lentes cuya distancia relativa puede variarse, lo cual permite la corrección de la refracción esférica. Se analizó y demostró la validez de este nuevo tipo de lentes electro-ópticas para la corrección de refracción esférica. En segundo lugar se procedió al diseño y la implementación de un sistema de doble paso utilizando la lente electro-óptica para la compensaci6n de refracción esférica. Una vez se comprobó que la lente electro-óptica reunía los requisitos de calidad óptica, se procedió a implementar el sistema de doble paso que incorpora dicha lente en substitución del sistema Badal. Se verificó y demostró que el sistema con la lente electro-óptica tiene prestaciones similares o mejores que el clásico sistema de doble paso. En tercer lugar se implementó y validó el sistema de iluminación basado en una fuente LED superluminiscente (SLED). Se incorporó como fuente de luz al sistema de doble paso un SLED y se analizó el grado de ruido speckle en las imágenes obtenidas. El estudio determinó que el SLED utilizado no tenía la suficiente baja coherencia como para romper el ruido speckle por sí mismo, pero si mostró un buen rendimiento cuando se combina con otros métodos para la reducción del speckle. En cuarto lugar se procedió a implementar y validar el sistema de registro basado en una tecnología CMOS. Se incorporó una cámara CMOS como nuevo dispositivo de registro al sistema de doble paso. El estudio realizado puso de manifiesto una alta correlación existente entre los resultados obtenidos con la cámara CMOS y la CCD, de manera que quedó demostrado la idoneidad de este tipo de sensores (CMOS) para la aplicación en montajes experimentales de óptica visual y para la implementación de instrumentación asociada a este campo. Ya por último se procedió a la validación del sistema de doble paso resultante. En función de los resultados obtenidos se implementó el sistema de doble paso definitivo siguiendo criterios de simplicidad y coste, este sistema incorpora un compensador de refracción esférica basado en una lente electro-óptica, un diodo laser y una cámara CMOS. Para la validación de los resultados obtenidos y como equipo comercial de referencia se utilizó el instrumento clínico OQAS. Los resultados obtenidos en el estudio demostraron una alta correlación entre el sistema experimental y el instrumento OQAS. Así pues y a la vista de los resultados obtenidos se concluye que a partir de los diferentes estudios realizados en esta tesis doctoral se ha demostrado que el sistema de doble paso presentado basado en una lente electro-óptica, un diodo laser y una cámara CMOS mejora en cuanto a dimensiones y coste el de un sistema convencional.

Understanding humans from photographs has always been a fundamental goal of computer vision. Early works focused on simple tasks such as detecting the location of individuals by means of bounding boxes. As the field progressed, harder and more higher level tasks have been undertaken. For example, from human detection came the 2D and 3D human pose estimation in which the task consisted of identifying the location in the image or space of all different body parts, e.g., head, torso, knees, arms, etc. Human attributes also became a great source of interest as they allow recognizing individuals and other properties such as gender or age. Later, the attention turned to the recognition of the action being performed. This, in general, relies on the previous works on pose estimation and attribute classification. Currently, even higher level tasks are being conducted such as predicting the motivations of human behavior or identifying the fashionability of an individual from a photograph. In this thesis we have developed a hierarchy of tools that cover all these range of problems, from low level feature point descriptors to high level fashion-aware conditional random fields models, all with the objective of understanding humans from monocular, RGB images. In order to build these high level models it is paramount to have a battery of robust and reliable low and mid level cues. Along these lines, we have proposed two low-level keypoint descriptors: one based on the theory of the heat diffusion on images, and the other that uses a convolutional neural network to learn discriminative image patch representations. We also introduce distinct low-level generative models for representing human pose: in particular we present a discrete model based on a directed acyclic graph and a continuous model that consists of poses clustered on a Riemannian manifold. As mid level cues we propose two 3D human pose estimation algorithms: one that estimates the 3D pose given a noisy 2D estimation, and an approach that simultaneously estimates both the 2D and 3D pose. Finally, we formulate higher level models built upon low and mid level cues for human understanding. Concretely, we focus on two different tasks in the context of fashion: semantic segmentation of clothing, and predicting the fashionability from images with metadata to ultimately provide fashion advice to the user. In summary, to robustly extract knowledge from images with the presence of humans it is necessary to build high level models that integrate low and mid level cues. In general, using and understanding strong features is critical for obtaining reliable performance. The main contribution of this thesis is in proposing a variety of low, mid and high level algorithms for human-centric images that can be integrated into higher level models for comprehending humans from photographs, as well as tackling novel fashion-oriented problems. / Siempre ha sido una meta fundamental de la visión por computador la comprensión de los seres humanos. Los primeros trabajos se fijaron en objetivos sencillos tales como la detección en imágenes de la posición de los individuos. A medida que la investigación progresó se emprendieron tareas mucho más complejas. Por ejemplo, a partir de la detección de los humanos se pasó a la estimación en dos y tres dimensiones de su postura por lo que la tarea consistía en identificar la localización en la imagen o el espacio de las diferentes partes del cuerpo, por ejemplo cabeza, torso, rodillas, brazos, etc...También los atributos humanos se convirtieron en una gran fuente de interés ya que permiten el reconocimiento de los individuos y de sus propiedades como el género o la edad. Más tarde, la atención se centró en el reconocimiento de la acción realizada. Todos estos trabajos reposan en las investigaciones previas sobre la estimación de las posturas y la clasificación de los atributos. En la actualidad, se llevan a cabo investigaciones de un nivel aún superior sobre cuestiones tales como la predicción de las motivaciones del comportamiento humano o la identificación del tallaje de un individuo a partir de una fotografía. En esta tesis desarrollamos una jerarquía de herramientas que cubre toda esta gama de problemas, desde descriptores de rasgos de bajo nivel a modelos probabilísticos de campos condicionales de alto nivel reconocedores de la moda, todos ellos con el objetivo de mejorar la comprensión de los humanos a partir de imágenes RGB monoculares. Para construir estos modelos de alto nivel es decisivo disponer de una batería de datos robustos y fiables de nivel bajo y medio. En este sentido, proponemos dos descriptores novedosos de bajo nivel: uno se basa en la teoría de la difusión de calor en las imágenes y otro utiliza una red neural convolucional para aprender representaciones discriminativas de trozos de imagen. También introducimos diferentes modelos de bajo nivel generativos para representar la postura humana: en particular presentamos un modelo discreto basado en un gráfico acíclico dirigido y un modelo continuo que consiste en agrupaciones de posturas en una variedad de Riemann. Como señales de nivel medio proponemos dos algoritmos estimadores de la postura humana: uno que estima la postura en tres dimensiones a partir de una estimación imprecisa en el plano de la imagen y otro que estima simultáneamente la postura en dos y tres dimensiones. Finalmente construimos modelos de alto nivel a partir de señales de nivel bajo y medio para la comprensión de la persona a partir de imágenes. En concreto, nos centramos en dos diferentes tareas en el ámbito de la moda: la segmentación semántica del vestido y la predicción del buen ajuste de la prenda a partir de imágenes con meta-datos con la finalidad de aconsejar al usuario sobre moda. En resumen, para extraer conocimiento a partir de imágenes con presencia de seres humanos es preciso construir modelos de alto nivel que integren señales de nivel medio y bajo. En general, el punto crítico para obtener resultados fiables es el empleo y la comprensión de rasgos fuertes. La aportación fundamental de esta tesis es la propuesta de una variedad de algoritmos de nivel bajo, medio y alto para el tratamiento de imágenes centradas en seres humanos que pueden integrarse en modelos de alto nivel, para mejor comprensión de los seres humanos a partir de fotografías, así como abordar problemas planteados por el buen ajuste de las prendas.

Gas problems have created severe difficulties for the mining industry around the world, leading to high expenditures and intensity research efforts, and determined attempts to enhance the various ventilation optimization and gas drainage techniques. Meanwhile, gas research is thriving in recent years, and gas drainage technology will continue to be a growing industry over the coming decades in many mining countries. Safety mining technologies including field investigation, numerical simulation and laboratorial experiments have been improved to develop a better understanding of the causes of mine gas-related disasters over the last two decades. In addition, new and multiple gas control strategies and technologies have been developed, including optimizing the ventilation system constantly, preventing goaf spontaneous combustion timely, enhancing gas risk management effectively, determining the gas emission zone exactly, and implementing a reasonable gas drainage plan correctly. The first part of the dissertation introduces a multiple gas disaster prevention, control and reduction strategy. Firstly, the basic theories of gas emission, distribution and migration are discussed. Then a numerical prediction model based on a specific coal mine is established to predict its gas emission. The second part of the dissertation offers the establishment of the numerical simulation model (CFD) and laboratorial experimental model for the purpose of discussing the gas distribution and migration rule and determining the most effective gas drainage zones in the working face and goaf. Both of the numerical simulation results and the laboratorial experimental results also demonstrate that the most effective gas drainage spot constantly varies with the area where mining activities are performed. In the case of numerical simulation experimental results, it is mainly located in the area of 40m-250m (between working face and deep goaf), 30m-40m from the working face floor (between the working face floor to the roof), and approximately 60m-170m (between air inlet and air outlet). In the case of laboratorial simulation experimental results, it mainly locates in coal seam and rock stratum separation area of 27cm-243cm (between working face and deep goaf), 28cm-42cm (between the working face floor to the roof) and 78cm-182cm (between air inlet and air outlet). The last part of this dissertation provides a field study in order to obtain the gas distribution and migration rule in the working face and goaf. The field measured results show the average gas drainage rate increased from 39.6 m3·min-1 (U-type ventilation system) to approximately 48.9 m3·min-1 (U+L-type ventilation system) while the gas concentration of the special drainage tunnel, upper corner and air outlet decreased from 1.88%, 0.85% and 0.61% (U-type ventilation system) to 1.69%, 0.75% and 0.55% (U+L-type ventilation system), respectively. These results indicate the layout of the gas drainage boreholes is rational and effective; the gas drainage volume is reliable. Therefore, it is feasible and reliable to arrange the layout of gas drainage tunnels based on the experimental results of numerical simulation and laboratorial test. / Los problemas ocasionados por gas han creado graves dificultades para la industria minera en todo el mundo, por lo que ha implicado altos gastos y esfuerzos de investigación y intentos de mejorar en diversas técnicas de optimización de la ventilación y drenaje de gas. Mientras tanto, la investigación sobre gas ha aumentado considerable en los últimos años y la tecnología de drenaje de gas seguirá siendo una industria en crecimiento en las próximas décadas en muchos países mineros. Las tecnologías mineras de seguridad, incluyendo la investigación de campo, la simulación numérica y experimentos en laboratorio han mejorado para una mejor comprensión de las causas de los desastres relacionados con el gas de las minas en las últimas dos décadas. Además, se han desarrollado nuevos y múltiples estrategias y tecnologías de control de gas, incluyendo la optimización del sistema de ventilación, impidiendo excavaciones de combustión espontánea oportuna, mejorando así la gestión eficaz de riesgos causados por gases, determinando la zona de emisión de gases con exactitud, y la implementación de un plan de drenaje de gas correctamente. La primera parte de la tesis se presenta una estrategia múltiple de la prevención de desastres de gas, control y reducción. En primer lugar, se analizarán las teorías básicas de la emisión de gases, la distribución y la migración. Luego se establecerá un modelo de predicción numérica basada en una mina de carbón específica para predecir su emisión de gases. La segunda parte de la tesis ofrece el establecimiento del modelo numérico de simulación (CFD) y el modelo experimental de laboratorio con el fin de discutir la distribución de gas y norma de migración y la determinación de las zonas de drenaje de gas más eficaces en el frente de trabajo y terraplén. Tanto los resultados del simulación numéricos como los resultados experimentales de laboratorio demuestran que el punto de drenaje más eficaz de gas varía constantemente según el área donde se realizan las actividades mineras. En el caso de los resultados experimentales de simulación numérica, que se encuentra principalmente en el área de 40m-250m (entre la superficie del tierra y el zona excavada), 30m-40m desde la superficie de trabajo (desde la superficie del trabajo hasta el techo), y aproximadamente 60m-170m (entre el entrada y salida de aire). En el caso de los resultados experimentales de simulación en el laboratorio, se localiza principalmente en la veta de carbón y la zona de separación del estrato rocoso de 27cm-243cm (entre la superficie de la tierra y la zona excavada), 28cm-42cm (desde la superficie del trabajo hasta el techo) y 78cm-182cm (entre la entrada y salida de aire). La última parte de esta tesis concluye un estudio de campo con el fin de obtener la distribución de gas y el estado migratorio entre la superficie y la zona escavada. Los resultados de campo medidos muestran que la tasa de drenaje de gas en promedio aumentó 39,6 m3·min-1 (sistema de ventilación de tipo T) a aproximadamente 48,9 m3 · min-1 (sistema de ventilación de T + L-tipo), mientras que la concentración de gas del drenaje especial en túnel, esquina superior y salida de aire se redujo de 1,88%, 0,85% y 0,61% (sistema de ventilación de tipo U) a 1,69%, 0,75% y 0,55% (U + de tipo L sistema de ventilación), respectivamente. Estos resultados indican que la disposición de las perforaciones de drenaje de gas es racional y eficaz; el volumen de drenaje de gas es fiable. Por lo tanto, es factible y fiable para organizar la disposición de túneles de drenaje de gas sobre la base de los resultados experimentales de simulación numérica y la prueba de laboratorio.

L'objectiu principal d'aquesta tesi és el desenvolupament d'un nou mètode de segmentació totalment automàtic capaç de mesurar amb precisió el volum cerebral en imatges de pacients d'EM amb lesions. El mètode que hem proposat s'ha desenvolupat i implementat integrant no només la informació provinent de la intensitat dels vòxels, sinó a través de la incorporació d'atles morfològics i estructurals que guien la segmentació del teixit. Els vòxels candidats de ser lesions són estimats i processats abans de la segmentació del teixit utilitzant un algoritme de post-processat basat en la informació del context local i la informació anatòmica i morfològica prèvia. Aquest mètode de segmentació ha estat avaluat de forma quantitativa i qualitativa utilitzant diferents conjunts d'imatges que contenen lesions de substància blanca. Els resultats mostren que la precisió del mètode proposat és consistent i molt competitiva en tot tipus d'imatges en comparació amb altres tècniques proposades. En aquest sentit, els percentatges d'error obtinguts en els diferents experiments duts a terme mostren que el mètode proposat millora la segmentació del teixit cerebral de les imatges amb lesions / The main goal of this thesis is to develop a novel, fully automated brain tissue segmentation method capable of computing accurate measurements of tissue volume from images of MS patients with lesions. The proposed tissue segmentation method has been designed and implemented using a combination of intensity along with anatomical and morphological prior maps to guide the tissue segmentation. WM outliers have been estimated and filled with signal intensities similar to those of the WM before segmentation using a multi-channel post-processing rule-based algorithm with spatial context, and prior anatomical and morphological atlases. The proposed method has been quantitatively and qualitatively evaluated using different databases of images containing WM lesions, yielding competitive and consistent results in both general and MS specific databases. The percentages of errors obtained in the different experiments carried out show that the proposed algorithm effectively improves automated brain tissue segmentation in images containing lesions.

This thesis presents some contributions to the state-of-the-art of the fields of gain-scheduling and fault tolerant control (FTC). In the area of gain-scheduling, the connections between the linear parameter varying (LPV) and Takagi-Sugeno (TS) paradigms are analyzed, showing that the methods for the automated generation of models by nonlinear embedding and by sector nonlinearity, developed for one class of systems, can be easily extended to deal with the other class. Then, two measures, based on the notions of overboundedness and region of attraction estimates, are proposed in order to compare different models and choose which one can be considered the best one. Later, the problem of designing state-feedback controllers for LPV systems has been considered, providing two main contributions. First, robust LPV controllers that can guarantee some desired performances when applied to uncertain LPV systems are designed, by using a double-layer polytopic description that takes into account both the variability due to the varying parameter vector and the uncertainty. Then, the idea of designing the controller in such a way that the required performances are scheduled by the varying parameters is explored, which provides an elegant way to vary online the behavior of the closed-loop system. In both cases, the problem reduces to finding a solution to a finite number of linear matrix inequalities (LMIs), which can be done efficiently using the available solvers. In the area of fault tolerant control, the thesis first shows that the aforementioned double-layer polytopic framework can be used for FTC, in such a way that different strategies (passive, active and hybrid) are obtained depending on the amount of available information. Later, an FTC strategy for LPV systems that involves a reconfigured reference model and virtual actuators is developed. It is shown that by including the saturations in the reference model equations, it is possible to design a model reference FTC system that automatically retunes the reference states whenever the system is affected by saturation nonlinearities. In this way, a graceful performance degradation in presence of actuator saturations is incorporated in an elegant way. Finally, the problem of FTC of unstable LPV systems subject to actuator saturations is considered. In this case, the design of the virtual actuator is performed in such a way that the convergence of the state trajectory to zero is assured despite the saturations and the appearance of faults. Also, it is shown that it is possible to obtain some guarantees about the tolerated delay between the fault occurrence and its isolation, and that the nominal controller can be designed so as to maximize the tolerated delay. / Aquesta tesi presenta diverses contribucions a l'estat de l'art del control per planificació del guany i del control tolerant a fallades (FTC). Pel que fa al control per planificació del guany, s'analitzen les connexions entre els paradigmes dels sistemes lineals a paràmetres variants en el temps (LPV) i de Takagi-Sugeno (TS). Es demostra que els mètodes per a la generació automàtica de models mitjançant encastament no lineal i mitjançant no linealitat sectorial, desenvolupats per una classe de sistemes, es poden estendre fàcilment per fer-los servir amb l'altra classe. Es proposen dues mesures basades en les nocions de sobrefitació i d'estimació de la regió d'atracció, per tal de comparar diferents models i triar quin d'ells pot ser considerat el millor. Després, es considera el problema de dissenyar controladors per realimentació d'estat per a sistemes LPV, proporcionant dues contribucions principals. En primer lloc, fent servir una descripció amb doble capa politòpica que té en compte tant la variabilitat deguda al vector de paràmetres variants i la deguda a la incertesa, es dissenyen controladors LPV robustos que puguin garantir unes especificacions desitjades quan s'apliquen a sistemes LPV incerts. En segon lloc, s'explora la idea de dissenyar el controlador de tal manera que les especificacions requerides siguin programades pels paràmetres variants. Això proporciona una manera elegant de variar en línia el comportament del sistema en llaç tancat. En tots dos casos, el problema es redueix a trobar una solució d'un nombre finit de desigualtats matricials lineals (LMIs), que es poden resoldre fent servir algorismes numèrics disponibles i molt eficients. En l'àrea del control tolerant a fallades, primerament la tesi mostra que la descripció amb doble capa politòpica abans esmentada es pot utilitzar per fer FTC, de tal manera que, en funció de la quantitat d'informació disponible, s'obtenen diferents estratègies (passiva, activa i híbrida). Després, es desenvolupa una estratègia de FTC per a sistemes LPV que fa servir un model de referència reconfigurat combinat amb la tècnica d'actuadors virtuals. Es mostra que mitjançant la inclusió de les saturacions en les equacions del model de referència, és possible dissenyar un sistema de control tolerant a fallades que resintonitza automàticament els estats de referència cada vegada que el sistema es veu afectat per les no linealitats de la saturació en els actuadors. D'aquesta manera s'incorpora una degradació elegant de les especificacions en presència de saturacions d'actuadors. Finalment, es considera el problema de FTC per sistemes LPV inestables afectats per saturacions d'actuadors. En aquest cas, es porta a terme el disseny de l'actuador virtual de tal manera que la convergència a zero de la trajectòria d'estat està assegurada tot i les saturacions i l'aparició de fallades. A més, es mostra que és possible obtenir garanties sobre el retard tolerat entre l'aparició d'una fallada i el seu aïllament, i que el controlador nominal es pot dissenyar maximitzant el retard tolerat.

Los movimientos voluntarios del cuerpo son controlados por el sistema nervioso central y periférico a través de la contracción de los músculos esqueléticos. La contracción se inicia al liberarse un neurotransmisor sobre la unión neuromuscular, iniciando la propagación de un biopotencial sobre la membrana de las fibras musculares que se desplaza hacia los tendones: el Potencial de Acción de la Unidad Motora (MUAP). La señal electromiográfica de superficie registra la activación continua de dichos potenciales sobre la superficie de la piel y constituye una valiosa herramienta para la investigación, diagnóstico y seguimiento clínico de trastornos musculares, así como para la identificación de la intención movimiento tanto en términos de dirección como de potencia. En el estudio de las enfermedades del sistema neuromuscular es necesario analizar el nivel de actividad, la capacidad de producción de fuerza, la activación muscular conjunta y la predisposición a la fatiga muscular, todos ellos asociados con factores fisiológicos que determinan la resultante contracción mioeléctrica. Además, el uso de matrices de electrodos facilita la investigación de las propiedades periféricas de las unidades motoras activas, las características anatómicas del músculo y los cambios espaciales en su activación, ocasionados por el tipo de tarea motora o la potencia de la misma. El objetivo principal de esta tesis es el diseño e implementación de protocolos experimentales y algoritmos de procesado para extraer información fiable de señales sEMG multicanal en 1 y 2 dimensiones del espacio. Dicha información ha sido interpretada y relacionada con dos patologías específicas de la extremidad superior: Epicondilitis Lateral y Lesión de Esfuerzo Repetitivo. También fue utilizada para identificar la dirección de movimiento y la fuerza asociada a la contracción muscular, cuyos patrones podrían ser de utilidad en aplicaciones donde la señal electromiográfica se utilice para controlar interfaces hombre-máquina como es el caso de terapia física basada en robots, entornos virtuales de rehabilitación o realimentación de la actividad muscular. En resumen, las aportaciones más relevantes de esta tesis son: * La definición de protocolos experimentales orientados al registro de señales sEMG en una región óptima del músculo. * Definición de índices asociados a la co-activación de diferentes músculos * Identificación de señales artefactuadas en registros multicanal * Selección de los canales mas relevantes para el análisis  Extracción de un conjunto de características que permita una alta exactitud en la identificación de tareas motoras Los protocolos experimentales y los índices propuestos permitieron establecer que diversos desequilibrios entre músculos extrínsecos del antebrazo podrían desempeñar un papel clave en la fisiopatología de la epicondilitis lateral. Los resultados fueron consistentes en diferentes ejercicios y pueden definir un marco de evaluación para el seguimiento y evaluación de pacientes en programas de rehabilitación motora. Por otra parte, se encontró que las características asociadas con la distribución espacial de los MUAPs mejoran la exactitud en la identificación de la intención de movimiento. Lo que es más, las características extraídas de registros sEMG de alta densidad son más robustas que las extraídas de señales bipolares simples, no sólo por la redundancia de contacto implicada en HD-EMG, sino también porque permite monitorizar las regiones del músculo donde la amplitud de la señal es máxima y que varían con el tipo de ejercicio, permitiendo así una mejor estimación de la activación muscular mediante el análisis de los canales mas relevantes. / Voluntary movements are achieved by the contraction of skeletal muscles controlled by the Central and Peripheral Nervous system. The contraction is initiated by the release of a neurotransmitter that promotes a reaction in the walls of the muscular fiber, producing a biopotential known as Motor Unit Action Potential (MUAP) that travels from the neuromuscular junction to the tendons. The surface electromyographic signal records the continuous activation of such potentials over the surface of the skin and constitutes a valuable tool for the diagnosis, monitoring and clinical research of muscular disorders as well as to infer motion intention not only regarding the direction of the movement but also its power. In the study of diseases of the neuromuscular system it is necessary to analyze the level of activity, the capacity of production of strength, the load-sharing between muscles and the probably predisposition to muscular fatigue, all of them associated with physiological factors determining the resultant muscular contraction. Moreover, the use of electrode arrays facilitate the investigation of the peripheral properties of the active Motor Units, the anatomical characteristics of the muscle and the spatial changes induced in their activation of as product of type of movement or power of the contraction.The main objective of this thesis was the design and implementation of experimental protocols, and algorithms to extract information from multichannel sEMG signals in 1 and 2 dimensions of the space. Such information was interpreted and related to pathological events associated to two upper-limb conditions: Lateral Epicondylitis and Repetitive Strain Injury. It was also used to identify the direction of movement and contraction strength which could be useful in applications concerning the use of biofeedback from EMG like in robotic- aided therapies and computer-based rehabilitation training.In summary, the most relevant contributions are:§The definition of experimental protocols intended to find optimal regions for the recording of sEMG signals. §The definition of indices associated to the co- activation of different muscles. §The detection of low-quality signals in multichannel sEMG recordings.§ The selection of the most relevant EMG channels for the analysis§The extraction of a set of features that led to high classification accuracy in the identification of tasks.The experimental protocols and the proposed indices allowed establishing that imbalances between extrinsic muscles of the forearm could play a key role in the pathophysiology of lateral epicondylalgia. Results were consistent in different types of motor task and may define an assessment framework for the monitoring and evaluation of patients during rehabilitation programs.On the other hand, it was found that features associated with the spatial distribution of the MUAPs improve the accuracy of the identification of motion intention. What is more, features extracted from high density EMG recordings are more robust not only because it implies contact redundancy but also because it allows the tracking of (task changing) skin surface areas where EMG amplitude is maximal and a better estimation of muscle activity by the proper selection of the most significant channels.

El estudio y evaluación de la función muscular respiratoria en enfermedades respiratorias a través de técnicas no invasivas representa un tema de gran interés, dado que hasta la fecha no existen métodos satisfactorios aplicables en situaciones clínicas. En la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), el trabajo mecánico de los músculos respiratorios aumenta dando lugar a la fatiga, disminución de los movimientos de la caja torácica, y por tanto una disminución de la eficiencia muscular respiratoria. Es conocido que el músculo diafragma, principal responsable de la actividad mecánica respiratoria, al igual que otros músculos esqueléticos vibra lateralmente durante su contracción. De ahí, que estas vibraciones puedan ser registradas mediante micrófonos, sensores piezoeléctricos o acelerómetros posicionados encima de la pared inferior del pecho en la zona de aposición del diafragma con la caja torácica. El registro de estas vibraciones da lugar a la señal mecanomiográfica del diafragma (MMGdi). El principal objetivo de esta tesis ha sido el estudio y caracterización no invasiva de la función muscular respiratoria en pacientes con EPOC a través de la señal MMGdi registrada mediante acelerómetros posicionados entre el séptimo y octavo espacios intercostales, en la línea axilar izquierda y derecha del cuerpo durante la realización de los protocolos respiratorios de carga incremental progresiva y de flujo incremental progresivo. Para mejorar la estimación de la amplitud de la señal MMGdi se han propuesto tres nuevos índices, que tienen en cuenta la naturaleza aleatoria y el ruido asociado en las señales MMGdi, y están basados en: el algoritmo de Lempel-Ziv (LZM), la entropía aproximada (fApEn), y la entropía muestral (fSampEn). Todos ellos son calculados con intervalos de cuantificación fijos y empleando ventanas móviles. Los resultados obtenidos con éstos índices han permitido estimar con mayor fiabilidad y robustez la amplitud de las señales MMGdi, en relación a los métodos clásicos utilizados en el estudio de señales miográficas. El estudio del valor medio de los parámetros analizados ha mostrado, que existe una tendencia incremental de éste en los parámetros de amplitud, y una tendencia decreciente en los parámetros frecuenciales (frecuencias media y máxima), con el incremento de la carga y/o flujo. En este sentido, se ha observado que el valor medio es mayor cuanto mayor es la severidad del paciente con EPOC. Por otra parte, se ha observado que existe una fuerte correlación entre los parámetros de amplitud y la presión inspiratoria máxima en el protocolo de flujo incremental progresivo, con una tendencia decreciente con la severidad. Del mismo modo la eficiencia muscular respiratoria, evaluada como la relación entre la fuerza que producen los músculos respiratorios (la presión inspiratoria en boca) y lo que gastan o necesitan para producir esta presión (la vibración de los músculos respiratorios evaluada mediante las señales MMGdi), ha mostrado en general una tendencia decreciente con el aumento de la severidad. Finalmente, los resultados que se desprenden de esta tesis indican que el estudio de la señal MMGdi representa una herramienta útil con un gran potencial para evaluar el grado de la severidad presente en sujetos con EPOC y su relación con la debilidad de la musculatura respiratoria, y por tanto su aplicación en estudios clínicos podría ser de gran ayuda para evaluar el desarrollo de la EPOC. / The study and evaluation of the respiratory muscles function in people who suffer from respiratory diseases can be evaluated through the use of noninvasive techniques. This is a topic of great interest considering there are currently no existing methods that can be successfully applied in clinical situations. In chronic obstructive pulmonary disease (COPD), the mechanical work of the respiratory muscles increases, which could lead to muscular fatigue, decreased movement of the ribcage, and, therefore, a decrease in the respiratory muscle efficiency. The diaphragm muscle is the principal muscle of inspiration and the main mechanical responsible for the ventilation. Similar to other skeletal muscles the diaphragm laterally vibrates during its contraction. These vibrations can be recorded by microphones, piezoelectric sensors or accelerometers, which are placed above the lower chest wall in the area of apposition of the diaphragm to the ribcage. The record of these vibrations is known as mechanomyographic signal of the diaphragm muscle (MMGdi). The main objective of this thesis has been the study and noninvasive characterization of the respiratory muscles function in patients with COPD. This characterization has been made possible through the use of MMGdi signals recorded by accelerometers placed between the seventh and eighth intercostals spaces on the left and right anterior axillary lines of the body during two respiratory protocols. The first protocol is called progressive incremental load protocol and the second one progressive incremental flow protocol. In this thesis three new indices have been proposed to improve the MMGdi amplitude estimation. These indices take into account the random nature and the associated noise in the MMGdi signals, and are based on the: Lempel-Ziv algorithm (MLZ), approximate entropy (fApEn), and sample entropy (fSampEn). All of them are calculated with fixed quantization intervals and using moving windows. The obtained results with these new indices have shown improved reliability and robustness in the MMGdi amplitude estimation in comparison with classic methods used to study myographic signals. The study of the mean value of the analyzed parameters has shown an increasing trend of the amplitude parameters and a decreasing trend of the frequency parameters (mean and maximum frequencies) with increasing load and/or flow. Furthermore, we found that there was a direct relationship between these mean values and the severity of COPD; hence, the greater the mean value, the greater the severity of COPD. Moreover, we have seen that there is a strong correlation between the amplitude parameters and the maximum inspiratory pressure in the progressive incremental flow protocol with a decreasing trend as the severity of the patients increases. Likewise, the respiratory muscle efficiency, evaluated as the ratio between the force produced by the respiratory muscles (mouth inspiratory pressure) and what they need to produce this pressure (the vibration of respiratory muscles assessed by MMGdi signals), has also shown a generally decreasing trend as the severity of patients increases. Finally, the results of this thesis suggest that the study of the MMGdi signal is a useful tool with great potential to assess the relationship between respiratory muscle weakness and the degree of severity in patients with COPD. Therefore, the application of this innovative tool in clinical studies may be helpful to assess the development of COPD.

The increasing need for range-resolved aerosol and water-vapour atmospheric observation networks worldwide has given rise to multi-spectral LIDARs (Light Detection and Ranging, a synonym of laser radar) as advanced remote sensing sensors. This Ph.D. presents the design, integration and analysis of the new 6-channel multispectral elastic/Raman LIDAR for aerosol and water-vapour content monitoring developed at the Remote Sensing Lab. (RSLAB) of the Universitat Polit ecnica de Catalunya (UPC). It is well known that the combination of at least three elastic and two Raman nitrogen channels are su cient to enable retrieval of the optical and microphysical properties of aerosols with a key impact on climate change variables. The UPC lidar is part of the EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) -GALION (Global Atmospheric Watch Atmospheric Lidar Observation Network), a ground-based continental network including more than 28 stations. Currently, only 8 of the 28 EARLINET stations are of such advanced type. This Ph.D. speci cally focuses on: (1) Concept link-budget instrument design and overlap factor assessment. The former includes opto-atmospheric parameter modelling and assessment of backscattered power and SNR levels, and maximum system range for the di erent reception channels (3 elastic, and 2 aerosol and 1 water-vapour Raman channels, ultraviolet to near-infrared bands). The latter studies the laser-telescope crossover function (or overlap function) by means of a novel raytracing Gaussian model. The problem of overlap function computation and its near-range sensitivity for medium size aperture (f=10, f=11) bi-axial tropospheric lidar systems using both detector and ber-optics coupling alternatives at the telescope focal-plane is analysed using this new ray-tracing approach, which provides a much simpler solution than analyticalbased methods. Sensitivity to laser divergence, eld-lens and detector/ ber positions, and ber's numerical aperture is considered. (2) Design and opto-mechanical implementation of the 6-channel polychromator (i.e., the spectrally selective unit in reception). Design trade-o s concerning light collimation, end-to-end transmissivity, net channel responsivity, and homogeneous spatial light distribution onto the detectors' active area discussed. (3) System integration and validation. This third part is two fold: On one hand, fi rst-order backscatter-coe cient error bounds (a level-1 data product) for the two-component elastic lidar inversion algorithm are estimated for both random (observation noise) and systematic error sources (user's uncertainty in the backscatter-coe cient calibration, and user's uncertainty in the aerosol extinction-to-backscatter lidar ratio). On the other hand, the multispectral lidar so far integrated is described at both hardware and control software level. Statistical validation results for the new UPC lidar (today in routine operation) in the framework of SPALI-2010 intercomparison campaign are presented as part of EARLINET quality assurance / optimisation of instruments' program. The methodology developed in the rst part of this Ph.D. has successfully been applied to the speci cation case study of the IFAE/UAB lidar system, which will be installed and operated at the Cherenkov Telescope Array (CTA) observatory. Finally, specs for automated unmanned unattended lidar operation with service times close to 365/24 are presented at the end of this Ph.D. in response to the increasing demand for larger observation times and availability periods of lidar stations.

Noninvasive measurement of hemodynamics at the microvascular level may have a great impact on oncology in clinics for diagnosis, therapy planning and monitoring, and, in preclinical studies. To this end, diffuse optics is a strong candidate for noninvasive, repeated, deep tissue monitoring. In this multi-disciplinary, translational work, I have constructed and deployed hybrid devices which are the combination of two qualitatively different methods, near infrared diffuse optical spectroscopy (NIRS) and diffuse correlation spectroscopy (DCS), for simultaneous measurement of microvascular total hemoglobin concentration, blood oxygen saturation and blood flow. In a preclinical study, I applied the hybrid device to monitor the response of renal cell carcinoma in mice to antiangiogenic therapy. The results suggest that we can predict the output of therapy from early hemodynamic changes, which provide us with valuable information for better understanding of the tumor resistance mechanism to antiangiogenic therapies. In two in vivo studies in human volunteers, I have developed protocols and probes to demonstrate the feasibility of noninvasive diffuse optical spectroscopy to investigate the pathophysiology of bone. First study was study on the physiology of the patella microvasculature, the other introduced the manubrium as a site that is rich in red bone mar- row and accessible to diffuse optics as a potential window to monitor the progression of hematological malignancies. Overall, during my Ph.D., I have developed instrumentation, algorithms and protocols and, then, applied this technique for preclinical and clinical investigations. My research is a link between preclinical and clinical studies and it opens new areas of applications in oncology. / La medición no invasiva de la hemodinámica a nivel microvascular puede alcanzar un gran impacto en oncología: en las clínicas para el diagnóstico, la planeación y monitorización de las terapias, y en estudios preclínicos. La óptica difusa es una fuerte candidata para la monitorización no invasiva y repetida del tejido profundo. En este trabajo multidisciplinario y traslacional, construí e implementé dispositivos híbridos que son la combinación de dos métodos cualitativamente diferentes: espectroscopía infrarroja de óptica difusa -near infrared diffuse optical spectroscopy (NIRS)- y espectroscopía de correlación de luz difusa -diffuse correlation spectroscopy (DCS)-. Estos híbridos permiten la medición simultánea de la concentración de hemoglobina total en sangre, la saturación de oxígeno y el flujo sanguíneo. En un estudio preclínico, apliqué el dispositivo híbrido para monitorizar la respuesta de carcinomas de células renales, implantados en ratones, a terapias antiangiogénicas. Los resultados sugieren que podemos predecir la evolución de la terapia con base en cambios hemodinámicos tempranos, lo cual proporciona información valiosa para un mejor entendimiento del mecanismo de resistencia de los tumores a las terapias antiangiogénicas. En dos estudios in vivo realizados en pacientes voluntarios, desarrollé protocolos y sondas para demostrar la viabilidad de la espectroscopía de óptica difusa no invasiva en el estudio de la patofisiología ósea. El primer estudio se concentró en la fisiología microvascular de la rótula y en el otro se muestra que el manubrio, hueso rico en médula ósea roja, es un sitio accesible para la óptica difusa, y se presenta como una ventana para monitorizar la progresión de enfermedades hematológicas malignas. En resumen, durante mi trabajo doctoral, desarrollé instrumentación, algoritmos y protocolos que posteriormente apliqué en estudios preclínicos y clínicos. Mi trabajo de investigación constituye así un enlace entre estos estudios y abre nuevas áreas de aplicación en oncología.

Combined sewer networks carry wastewater and storm water together. During normal operation all the water is delivered to wastewater treatment plants, where it is treated before being released to surrounding natural water bodies. However, during heavy rain events, the network capacity may become insufficient leading to untreated water discharges to the receiving environments. To mitigate these undesired effects, combined sewer networks are usually provided with detention tanks and flow redirection elements, managed to fully take advantage of the network capacity. In the last few decades automatic control techniques for the regulation of these storage and redirection elements have been developed, with real-time, global, model-based predictive ones being widely regarded as the most efficient ones due to their capacity to take advantage of instantaneous network measurements and rain intensity forecasts. In this thesis a complete methodology to develop a real-time, global, model-based predictive controller to minimize pollution effects in combined sewer networks is proposed. The physically-based model for open-channel flow is based on a set of partial differential equations, which must be solved numerically. Since in a real-time predictive control strategy the model equations must be solved many times to evaluate the effect of different control actions, the time needed to solve the equations limits the use of the physically-based model to small network instances with simple topologies. Therefore, it is a common practice to use simplified control-oriented models for real-time control. The first part of the thesis is focused on the development, calibration and validation of a simplified control-oriented model for water transport in combined sewer networks, taking into account three main features: accuracy, calibration ease and computational speed. The proposed model describes the flows through the most common elements and hydraulic structures present in combined sewer networks, some of which requiring the use of piecewise equations. Once the model equations are presented, calibration procedures to compute all the model parameters are developed. The modelling and calibration methodology is then applied to a real case study and validation results are provided. Finally, sensitivity analysis is conducted with respect to both the most relevant model parameters and the intensity of the considered rain scenarios. The second part of the thesis is devoted to model-based optimal control. First, the piecewise equations of the model are reformulated to obtain a general expression of the system by means of a set of linear equations and inequalities including continuous and binary variables. Using this general expression, matrix-based procedures for the formulation of Optimal Control Problems and State Estimation Problems are presented. Using an implementation of the case study network in a commercial sewer network simulator solving the complete physically-based model equations as virtual reality, the proposed model-based controller is evaluated. By iteratively solving State Estimation Problems and Optimal Control Problems and using the simulator to provide network measurements, a Receding Horizon Control strategy is simulated. The inclusion of State Estimation Problems in the control loop allows to perform output feedback control simulations taking into account that in a sewer network the number of available measurements is limited. Finally, a discussion of the results obtained with these simulations corresponding to different measurement availability scenarios is provided. / Les xarxes de clavegueram combinades transporten conjuntament aigües residuals i aigües pluvials. En absència de pluges, tota l'aigua és conduïda cap a plantes de tractament on és degudament tractada abans de ser retornada als cossos aquàtics adjacents. En canvi, durant episodis de pluja intensa, la capacitat de la xarxa pot esdevenir insuficient donant lloc a inundacions en zones urbanes i abocaments d'aigua no tractada als medis receptors. Per tal de mitigar aquests efectes, les xarxes de clavegueram combinades acostumen a disposar de dipòsits de retenció i elements de redistribució del cabal, regulats amb la finalitat d'aprofitar al màxim la capacitat de la xarxa. En les últimes dècades s'han desenvolupat tècniques de control automàtic per a la regulació d'aquests elements d'emmagatzematge i redistribució, essent el control a temps real, global i predictiu basat en models la tècnica considerada més eficient, donat que és capaç de tenir en compte mesures instantànies del sistema i prediccions d'intensitat de pluja. En aquesta tesi, es proposa una metodologia completa per al desenvolupament d'un controlador a temps real, global i predictiu basat en model per minimitzar els efectes contaminants en xarxes de clavegueram combinades. El model físic que descriu els fluxos en canals oberts es basa en un sistema d'equacions en derivades parcials que s'ha de resoldre numèricament. Com que en una estratègia de control predictiu a temps real les equacions del model s'han de resoldre moltes vegades per avaluar els efectes de diferents accions de control, el temps necessari per resoldre les equacions limita l'ús del model físic a xarxes petites i amb topologies simples. Per tant, és una pràctica habitual utilitzar models simplificats orientats a control per al control a temps real. La primera part de la tesi es centra en el desenvolupament, calibratge i validació d'un model simplificat orientat a control del moviment de l'aigua en xarxes de clavegueram combinades, tenint en compte tres característiques principals: la precisió, la facilitat de calibratge i la velocitat computacional. El model presentat descriu el cabal a través dels elements i estructures hidràuliques més comunes en xarxes de clavegueram combinades, algunes de les quals requereixen l'ús de funcions definides a trossos. Una vegada les equacions del model han estat presentades, es desenvolupen procediments per al calibratge de tots els paràmetres del model. La metodologia de modelat i calibratge és aleshores aplicada a un cas d'estudi corresponent a una xarxa de clavegueram real i es presenten resultats de validació. Finalment, es duu a terme una anàlisi de sensitivitat respecte als paràmetres més rellevants del model i respecte a la intensitat dels escenaris de pluja considerats. La segona part de la tesi està dedicada al control òptim basat en el model. En primer lloc, les equacions definides a trossos del model són reformulades per obtenir una expressió del sistema en termes d'un conjunt d'equacions i desigualtats lineals incloent variables contínues i binàries. Usant aquesta expressió general es presenta un procediment basat en matrius per a la formulació de problemes de Control Òptim i Estimació d'Estat. Mitjançant una implementació de la xarxa del cas d'estudi en un simulador comercial de xarxes de clavegueram que resol les equacions del model físic complet com a realitat virtual, s'avalua el controlador basat en model descrit anteriorment. Resolent iterativament problemes d'Estimació d'Estat i de Control Òptim i utilitzant el simulador per obtenir mesures, se simula una estratègia de control amb horitzó lliscant. La inclusió de problemes d'Estimació d'Estat en llaç de control permet la simulació del controlador amb output feedback, tenint en compte que el nombre de mesures disponibles en una xarxa de clavegueram és limitat. Finalment, es discuteixen els resultats obtinguts en aquestes simulacions corresponents a diferents escenaris de disponibilitat de mesures