[EN] Over the last 20 years health system has been revolutionized by imaging technology so diagnostic imaging has become the mainstay of the management of patients. Nowadays, degeneration of the intervertebral discs, herniation and spinal stenosis are very common entities that affect millions of people and cause back pain. The development of computer-aided diagnosis (CAD) methods for classifying and quantifying these pathologies has increased in the past decade as a way to assist radiologists in the diagnosis task. So, the main objective of the first part of this Doctoral Thesis is the development of a CAD software for the classification and quantification of spine disease by means of Magnetic Resonance image analysis. To this end, two different groups of patients have been used, one as training group (14 patients) and the other as testing group (53 patients). To classify disc degeneration according to the gold standard, Pfirrmann classification, a method mainly based on the measurement of disc signal intensity and structure has been developed. The method developed to detect disc herniations has been focused on disc segmentation and its approximation by an ellipse, in this way it is possible to extract disc shape features for detecting contour abnormalities. The method developed to detect spinal stenosis, based on signal intensity, has been developed to extract the spinal canal and, by applying different techniques, to detect spinal stenosis at every intervertebral disc level and quantify the severity of the pathology. The results have shown a segmentation inaccuracy below 1%. Regarding reproducibility, it has been obtained an almost perfect agreement (measured by the k and ICC statistics) for all the analysed pathologies. The results have shown that the developed methods can assist radiologists to perform their decision-making tasks, providing support for enhanced reproducibility of MRI reports and achieving greater objectivity. However, not only the intervertebral discs are susceptible to suffer several pathologies. The vertebral bodies are also subject to a wide variety of diseases because of different circumstances. So, prior to any diagnosis task, an accurate detection and segmentation of the vertebral bodies are the first crucial steps. Therefore, the main objective of the second part of this Doctoral Thesis is the development of an automatic method for the detection and segmentation of the spine in Computed Tomography imaging. Performing an automatic and robust segmentation is a very challenging task due to the difficulty discriminating between the ribs and the vertebral bodies. To overcome this problem, two different segmentation methods have been combined: the first method uses a Level-Set method to perform an initial segmentation; the second method uses a probabilistic atlas to refine the initial segmentation with a special focus on ribs suppression. So a 3D volume indicating the probability of each voxel of belonging to the spine has been developed, by means of a set of images, corresponding to 14 patients (training group), manually segmented by an expert. The generated probability map has been deformed and adapted to each testing case. To evaluate the segmentation results and the improvement obtained after applying the atlas to the initial segmentation, the Dice similarity coefficient (DSC) and the Hausdorff distance (HD) have been used. The results have shown up an average of 11 mm of improvement in segmentation accuracy in terms of HD, obtaining an overall final average of 14,98 ± 1,32 mm. A refinement of 1,3 % has been obtained in terms of DSC, with a global value of 91,75 ± 1,20 %. The study has demonstrated that the atlas is able to detect and appropriately eliminate the ribs while improving the segmentation accuracy. / [ES] En los últimos 20 años el sistema sanitario se ha visto revolucionado por la tecnología de la imagen, por lo que el diagnóstico por imagen se ha convertido en un pilar fundamental en el manejo de los pacientes. Hoy en día la degeneración de los discos intervertebrales, la hernia discal y la estenosis del canal vertebral, son tres patologías que afectan a millones de personas y causan dolor de espalda. El desarrollo de sistemas CAD para clasificar y cuantificar estas patologías se ha incrementado en la última década como una forma de ayuda al radiólogo en el diagnóstico. Por tanto, la primera parte de esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el desarrollo de un sistema CAD para la clasificación y cuantificación de la patología discal por medio del análisis de Imagen por Resonancia Magnética. Con este fin se han utilizado dos grupos de pacientes, uno como grupo de entrenamiento (14 pacientes) y el otro como grupo de prueba (53 pacientes). Para la clasificación de la degeneración discal se ha desarrollado un método basado en el cálculo de la estructura del disco y de su señal de intensidad. El método de detección de herniaciones se ha centrado en la segmentación del disco y su aproximación por una elipse, para extraer así información sobre la forma del disco. El método de detección de estenosis, basado en la señal de intensidad, ha sido desarrollado para extraer el canal vertebral y, con la aplicación de diferentes técnicas, detectar estrechamientos a la altura de los discos y cuantificar la gravedad de los mismos. Los resultados han demostrado una alta precisión en la segmentación, con un error inferior al 1 %. En cuanto a la reproducibilidad, se ha obtenido un acuerdo casi perfecto (medido con los coeficientes CCI y k) para todas las patologías analizadas. Los resultados obtenidos demuestran que los métodos desarrollados pueden servir de ayuda al radiólogo en el diagnóstico, mejorando la reproducibilidad y logrando una mayor objetividad. Sin embargo, no sólo los discos intervertebrales son susceptibles de sufrir alguna patología. Los cuerpos vertebrales también pueden sufrir lesiones por diversas circunstancias. No obstante, antes de realizar cualquier tarea de diagnóstico, llevar a cabo una detección y segmentación precisa de los cuerpos vertebrales es un primer paso crucial. Así pues, la segunda parte de esta Tesis Doctoral tiene como objetivo el desarrollo de un método automático para la detección y segmentación de la columna vertebral por medio del análisis de Tomografía Computarizada. Llevar a cabo una segmentación automática y precisa es una tarea complicada debido principalmente a la gran dificultad para distinguir entre los cuerpos vertebrales y las costillas. Para solucionar este problema se han combinado dos métodos de segmentación diferentes: el primero utiliza un método Level-Set para llevar a cabo una segmentación inicial; el segundo utiliza un atlas probabilístico, para refinar la segmentación inicial, con un enfoque especial en la supresión de las costillas. Por tanto, se ha obtenido un volumen 3D indicando la probabilidad de cada voxel de pertenecer o no a la columna vertebral, por medio de un conjunto de imágenes correspondientes a 14 pacientes segmentadas manualmente por un experto. El mapa de probabilidad generado ha sido deformado y adaptado a cada uno de los 7 pacientes del grupo de prueba. Para evaluar los resultados de la segmentación y la mejora obtenida después de aplicar el atlas a la segmentación inicial, se ha utilizado el coeficiente Dice (DSC) y la distancia Hausdorff (HD). Los resultados han demostrado una mejora en la precisión de la segmentación de 11 mm de media en términos de HD, con una media global de 14,98 ± 1,32 mm. En términos de DSC se ha obtenido una mejora de un 1,3 % , con una media global de 91,75 ± 1,20 %. El estudio ha demostrado que el atlas es capaz de detectar y eliminar apropiadamente las estructuras costales / [CA] En els últims 20 anys el sistema sanitari s'ha vist revolucionat per la tecnologia de la imatge, per la qual cosa el diagnòstic per imatge s'ha convertit en un pilar fonamental en el maneig dels pacients. Hui en dia la degeneració dels discos intervertebrals, l'hèrnia discal i l'estenosi del canal vertebral, són tres patologies molt comunes que afecten milions de persones i causen dolor d'esquena. El desenvolupament de sistemes CAD per a classificar i quantificar estes patologies s'ha incrementat en l'última dècada com una forma d'ajuda al radiòleg en el diagnòstic. Per tant, la primera part d'aquesta Tesi Doctoral té com a objectiu el desenvolupament d'un sistema CAD per a la classificació i quantificació de la patologia discal per mitjà de l'anàlisi d'Imatge per Ressonància Magnètica. Amb aquest fi s'han utilitzat dos grups de pacients distints, un com a grup d'entrenament (14 pacients) i l'altre com a grup de prova (53 pacients). Per a la classificació de la degeneració discal, s'ha desenvolupat un mètode basat en el càlcul de l'estructura del disc i del seu senyal d'intensitat. El mètode de detecció d'herniacions s'ha centrat en la segmentació del disc i la seua aproximació per una el·lipse, per a extraure així informació sobre la forma del disc. El mètode de detecció d'estenosi, basat en el senyal d'intensitat, ha sigut desenvolupat per a extraure el canal vertebral i amb l'aplicació de diferents tècniques detectar estrenyiments a l'altura dels discos i quantificar la gravetat dels mateixos. Els resultats han demostrat una alta precisió en la segmentació, amb un error inferior a l'1 %. En quant a la reproduïbilitat, s'ha obtingut un acord quasi perfecte (mesurat amb els coeficients CCI i k) per a totes les patologies analitzades. Els resultats obtinguts demostren que els mètodes desenvolupats poden servir d'ajuda al radiòleg en el diagnòstic, millorant la reproduïbilitat i aconseguint una major objectivitat. No obstant això, no sols els discos intervertebrals són susceptibles de patir alguna patologia. Els cossos vertebrals també poden patir lesions per diverses circumstàncies. Per tant, abans de realitzar qualsevol tasca de diagnòstic, dur a terme una detecció i segmentació precisa dels cossos vertebrals és un primer pas crucial. Així, doncs, la segona part d'aquesta Tesi Doctoral té com a objectiu el desenvolupament d'un mètode automàtic per a la detecció i segmentació de la columna vertebral per mitjà de l'anàlisi de Tomografia Computada. Dur a terme una segmentació automàtica i precisa és una tasca complicada degut principalment a la gran dificultat per a distingir entre els cossos vertebrals i les costelles. Per a solucionar aquest problema s'han combinat dos mètodes de segmentació diferents: el primer utilitza un mètode Level-Set per a dur a terme una segmentació inicial; el segon utilitza un atles probabilístic, per a refinar la segmentació inicial amb un enfocament especial en la supressió de les costelles. Per tant, s'ha obtingut un volum 3D indicant la probabilitat de cada voxel de pertànyer o no a la columna vertebral, per mitjà d'un conjunt d'imatges corresponents a 14 pacients (grup d'entrenament) segmentades manualment per un expert. El mapa de probabilitat generat ha sigut deformat i adaptat a cadascun dels 7 pacients del grup de prova. Per a avaluar els resultats de la segmentació i la millora obtinguda després d'aplicar l'atles a la segmentació inicial, s'ha utilitzat el coeficient Dice (DSC) i la distància Hausdorff (HD). Els resultats han demostrat una millora en la precisió de la segmentació d'11 mm de mitja en termes de HD, amb una mitja global de 14,98 ± 1,32 mm. S'ha obtingut una millora d'un 1,3 % en termes de DSC, amb una mitja global de 91,75 ± 1,20 %. L'estudi ha demostrat que l'atles és capaç de detectar i eliminar apropiadament les estructures costals alhora que millora la precisió de la segmentació. / Ruiz España, S. (2016). CARACTERIZACIÓN CUANTITATIVA DE LA PATOLOGÍA DISCAL Y LUMBAR DEGENERATIVA MEDIANTE ANÁLISIS DE IMAGEN POR RESONANCIA MAGNÉTICA Y DETECCIÓN Y SEGMENTACIÓN DE LA COLUMNA VERTEBRAL EN PACIENTES ONCOLÓGICOS A PARTIR DEL ANÁLISIS DE IMAGEN EN TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68485

[ES] Los edificios históricos tienen un gran valor arquitectónico y cultural y son un bien muy preciado de nuestra civilización. Por ello, no es de extrañar que se hagan grandes esfuerzos para conservarlos. Sin embargo, a pesar de los avances en la investigación, el fuego sigue siendo una amenaza importante para lograr la conservación del patrimonio construido. Además, los códigos de incendios actuales no suelen proporcionar directrices o métodos específicos que tengan en cuenta las características únicas de los edificios históricos. En consecuencia, conseguir que estos edificios cumplan la normativa de seguridad contra incendios evitando al mismo tiempo la pérdida de patrimonio supone un gran reto. En este contexto, la presente tesis doctoral se centra en el análisis de la resistencia frente al fuego de los forjados de viguetas de madera y revoltones de ladrillos, que pueden encontrarse en muchos edificios históricos de todo el mundo, utilizando enfoques deterministas y probabilistas basados en el rendimiento. Además, la tesis propone modelos probabilísticos para caracterizar las propiedades físicas y mecánicas de la madera contemporánea e histórica a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas, que se adoptan en dichos enfoques probabilistas. Debido a la singular geometría y configuración estructural de estos forjados históricos, los métodos establecidos por los códigos de incendios actuales para verificar su resistencia frente al fuego no son aplicables. Por ello, se propone una nueva metodología basada en el "Método de la sección reducida" de la actual EN 1995-1-2. A continuación, la metodología se aplica a un amplio número de forjados que abarcan diferentes luces, resistencias a flexión de la madera y exposiciones al fuego para evaluar la influencia de estos parámetros en la resistencia frente al fuego. Posteriormente, debido al considerable número de parámetros de entrada con una alta incertidumbre que influyen en la resistencia frente al fuego de los forjados de viguetas de madera y revoltones de ladrillos, se adopta un enfoque probabilístico. El análisis asume diferentes secciones transversales y luces para los forjados históricos, así como múltiples geometrías del sector de incendio. Además, considera la incertidumbre de las cargas permanentes y variables aplicadas, así como de las propiedades físicas y mecánicas de la madera a temperatura ambiente y a altas temperaturas. De este modo, en base a un gran número de simulaciones numéricas, se desarrollan curvas de fragilidad y se obtienen los índices de fiabilidad de los forjados históricos frente al fuego. Los resultados muestran que, aunque los enfoques probabilísticos pueden ayudar a preservar un número significativamente mayor de forjados históricos de viguetas de madera y revoltones de ladrillos, muchos de ellos pueden no cumplir los requisitos de resistencia frente al fuego establecidos por los códigos actuales, lo que es motivo de preocupación. Por lo tanto, llevar a cabo estos análisis resulta esencial para garantizar su resistencia frente al fuego y tomar medidas en caso necesario. En definitiva, esta tesis doctoral pretende promover la conservación racional de las estructuras históricas de madera y, en consecuencia, del patrimonio construido. Además, se prevé que los modelos deterministas y probabilistas propuestos también permitan el diseño de estructuras de madera más fiables y eficientes. Así, fomentando la rehabilitación frente a la demolición y la nueva construcción e incentivando el uso de la madera en nuevas estructuras, se puede contribuir también a la mejora de la sostenibilidad del sector de la construcción. Por último, se espera que esta tesis sirva para concienciar sobre la alta vulnerabilidad de los edificios históricos frente al fuego y, en última instancia, para fomentar futuras investigaciones encaminadas a la búsqueda de soluciones que permitan cumplir los requisitos de seguridad contra incendios sin comprometer el patrimonio existente. / [CA] Els edificis històrics tenen un gran valor arquitectònic i cultural i són un bé molt preuat de la nostra civilització. Per això, no és d'estranyar que es facen grans esforços per a conservar-los. No obstant això, malgrat els avanços en la investigació, el foc continua sent una amenaça important per a aconseguir la conservació del patrimoni construït. A més, els codis d'incendis actuals no solen proporcionar directrius o mètodes específics que tinguen en compte les característiques úniques dels edificis històrics. En conseqüència, aconseguir que estos edificis complisquen la normativa de seguretat contra incendis evitant al mateix temps la pèrdua de patrimoni suposa un gran repte. En este context, la present tesi doctoral se centra en l'anàlisi de la resistència al foc dels forjats de biguetes de fusta i revoltons de rajoles, que poden trobar-se en molts edificis històrics de tot el món, utilitzant enfocaments deterministes i probabilistes basats en el rendiment. A més, la tesi proposa models probabilístics per a caracteritzar les propietats físiques i mecàniques de la fusta contemporània i històrica a temperatura ambient i a temperatures elevades, que després s'adopten en els enfocaments probabilistes. A causa de la singular geometria i configuració estructural d'estos forjats històrics, els mètodes establits pels codis d'incendis actuals per a verificar la seua resistència al foc no són aplicables. Per això, es proposa una nova metodologia basada en el "Mètode de la secció reduïda" de l'actual EN 1995-1-2. A continuació, la metodologia s'aplica a un ampli nombre de forjats que abasten diferents llums, resistències a flexió de la fusta i exposicions al foc per a avaluar la influència d'estos paràmetres en la resistència al foc. Posteriorment, a causa del considerable nombre de paràmetres d'entrada amb una alta incertesa que influïxen en la resistència al foc dels forjats de biguetes de fusta i revoltons de rajoles, s'adopta un enfocament probabilístic. L'anàlisi assumix diferents seccions transversals i llums per als forjats històrics, així com múltiples geometries del sector d'incendi. A més, considera la incertesa de les càrregues permanents i variables aplicades, així com de les propietats físiques i mecàniques de la fusta a temperatura ambient i a temperatures elevades. D'esta manera, a partir d'un gran nombre de simulacions numèriques, es desenvolupen corbes de fragilitat i s'obtenen els índexs de fiabilitat dels forjats històrics davant del foc. Els resultats mostren que, encara que els enfocaments probabilístics poden ajudar a preservar un nombre significativament major de forjats històrics de biguetes de fusta i revoltons de rajoles, molts d'ells poden no complir els requisits de resistència al foc establits pels codis actuals, la qual cosa és motiu de preocupació. Per tant, dur a terme estes anàlisis resulta essencial per a garantir la seua resistència al foc i prendre mesures en cas necessari. En definitiva, esta tesi doctoral pretén promoure la conservació racional de les estructures històriques de fusta i, en conseqüència, del patrimoni construït. A més, es preveu que els models deterministes i probabilistes proposats també permeten el disseny d'estructures de fusta més fiables i eficients. D'esta manera, fomentant la rehabilitació per sobre de la demolició i la nova construcció i incentivant l'ús de la fusta en noves estructures, es pot contribuir també a la millora de la sostenibilitat del sector de la construcció. Finalment, s'espera que la present tesi doctoral servisca per a conscienciar sobre l'alta vulnerabilitat dels edificis històrics davant del foc i, en última instància, per a fomentar futures investigacions encaminades a la cerca de solucions que permeten complir els requisits de seguretat contra incendis sense comprometre el patrimoni existent. / [EN] Historic buildings hold significant architectural and cultural value and are a precious asset of our civilisation. It is therefore not surprising that great efforts are being made to preserve them. However, despite advances in research, fire remains a major threat to achieve the conservation of the built heritage. In addition, current fire codes generally do not provide specific guidelines or methods that address the unique characteristics of historic buildings. Consequently, bringing these buildings into compliance with fire safety regulations while avoiding heritage loss is a great challenge. In this context, the present doctoral thesis focuses on the analysis of the fire resistance of timber jack arch flooring systems, which can be found in many historic buildings around the world, using deterministic and probabilistic performance-based approaches. Furthermore, the thesis proposes probabilistic models to characterise the physical and mechanical properties of contemporary and historic timber at ambient and elevated temperatures, which are then adopted in such probabilistic approaches. Due to the singular geometry and structural configuration of these historic flooring systems, the methods established by current fire codes to verify their fire resistance are not applicable. Thus, a new methodology based on the "Reduced cross-section method" of the current EN 1995-1-2 is proposed. Then, the methodology is applied to a wide number of flooring systems covering different span lengths, timber bending strengths, and fire exposures to evaluate the influence of these parameters on the fire resistance. Subsequently, due to the considerable number of input parameters with high uncertainty that influence the fire resistance of timber jack arch flooring systems, a probabilistic approach is adopted. The analysis assumes different cross-sections, span lengths and geometries of the compartment where the fire occurs. Moreover, uncertainty in the applied permanent and live loads, as well as in the physical and mechanical properties of timber at ambient and elevated temperatures, is considered. Thus, based on a large number of numerical simulations, fire fragility functions are developed and the reliability indices of the historic flooring systems against fire are derived. The results of the fire resistance analyses show that, although probabilistic approaches can help to preserve significantly more historic timber jack arch flooring systems, many of them may not meet the fire resistance requirements set by current codes, which is a cause for concern. Conducting these analyses is therefore essential to ensure their fire resistance and take action where necessary. In summary, this doctoral thesis aims to promote the rational conservation of historic timber structures and, consequently, of the built heritage. Moreover, it is envisaged that the proposed deterministic and probabilistic models will also enable the design of more reliable and efficient timber structures. Thus, by fostering rehabilitation over demolition and new construction and by encouraging the use of timber in new structures, a more sustainable construction can also be achieved. Finally, the present doctoral thesis is expected to raise awareness of the high vulnerability of historic buildings to fire and, ultimately, encourage future research aimed at finding solutions that allow fire safety requirements to be met without compromising the existing heritage. / García Castillo, E. (2024). Analysis of the fire resistance of traditional timber flooring systems in historic buildings [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207365