- / -

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αφορά την μελέτη φαινομένων θορύβου σε ηλεκτρονικές διατάξεις ανίχνευσης οι οποίες αποτελούν προγενέστερο στάδιο της αποστολής του ψηφιακού σήματος σε βιοαισθητήρες. Στόχος είναι η μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση κυκλωματικών τοπολογιών ως προς την απόκριση συνεχούς και την θορυβική τους απόκριση. / The purpose of this thesis concerns the study of noise phenomena into electronics detection systems which are an earlier step of the forwarding of the digital signal in biosensors. Our aim is the modeling and the optimization of those circuit topologies from the side of transient response-analysis and noise response.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται η δυνατότητα ανάπτυξης νέων αισθητήρων με χρήση μιας καινοτόμας οπτικής ίνας, γνωστή ως Ίνα Φωτονικών Κρυστάλλων (ΙΦΚ) - (Photonic crystal fiber) σε συνδυασμό με νέα και λειτουργικά υλικά. Η ΙΦΚ αποτελείται από μια περιοδική συνήθως εξαγωνική δομή οπών που δρα ως τον μανδύα της ίνας και τις περισσότερες φορές κατασκευάζεται από γυαλί (SiO2) ή πολυμερές (PMMA, TOPAS, κτλ). Η αλλαγή στην διάμετρο των οπών και της απόστασης μεταξύ τους δίνει πολύ μεγάλη ευελιξία για διαχείριση των οπτικών ιδιοτήτων της. Εδώ παρουσιάζεται πώς η διήθηση νέων υλικών στις οπές της ΙΦΚ είναι μια αποδοτική μέθοδος για ενεργοποίηση της ΙΦΚ σε εξωτερικές παρεμβολές χωρίς να απαιτείται η κατασκευή μιας νέας ίνας από την αρχή. / This PhD thesis presents the possibility of development of new sensors using a novel optical fiber, called as photonic crystal fiber (PCF) in combination with new functional materials. PCF is consisted by a periodical, usually hexagonal structure of holes which acts as the cladding of the fiber and most of the times this fiber is made of glass (SiO2) or polymer (PMMA, TOPAS, etc.). The hole diameter and the pitch size of these fibers provides great flexibility for manipulation of their optical properties. Here, it is presented how the infiltration of new materials inside the holes of PCF constitutes an efficient method to sensitize the fiber to external perturbations without the need of a new fiber.

Το θέμα το οποίο πραγματεύεται η παρούσα διπλωματική είναι οι αισθητήρες οπτικών ινών με φράγματα Bragg προσδιορίζοντας τον δείκτη διάθλασης του περιβάλλοντος υγρού κατά τη βύθιση του οπτικού αισθητήρα μέσα σε αυτό. Στο πρώτο κεφάλαιο θα γίνει αρχικά μια ανάλυση των οπτικών ινών αφού θα αναφερθούν ο τρόπος λειτουργίας τους, οι τύποι οπτικών ινών που υπάρχουν, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζουν αλλά και ο λόγος που οδηγήθηκε η τεχνολογία στην κατασκευή τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται τα γενικά χαρακτηριστικά, δηλαδή ο τρόπος κατασκευής καθώς επίσης και ο τρόπος λειτουργίας των φραγμάτων Bragg. Αναφέρονται τα διάφορα είδη φραγμάτων Bragg που υπάρχουν και οι μηχανισμοί φωτοευαισθησίας τους. Στο τρίτο κεφάλαιο δίνεται έμφαση στη χρήση των φραγμάτων Bragg σαν αισθητήρες ταυτοποίησης της φύσης των υγρών στα οποία εισάγονται οι αισθητήρες αλλά και σαν αισθητήρες μέτρησης στάθμης υγρών. Τα φράγματα Bragg χρησιμοποιούνται ευρέως και σαν αισθητήρες πίεσης, θερμοκρασίας, ροής, μετατόπισης στάθμης υγρών, χημικής ταυτοποίησης, PH, ηλεκτρικών πεδίων, μαγνητικών πεδίων καθώς και άλλων φυσικών μεγεθών. Ακόμα γίνεται μια περιγραφή της διαδικασίας χημικής απογύμνωσης (etching), καθώς επίσης και τα τεχνικά χαρακτηριστικά και τρόπους λειτουργίας της πηγής φωτός που χρησιμοποιήθηκε, η οποία είναι ένας ενισχυτής Erbium Doped Fiber Amplifier –EDFA. Το τέταρτο κεφάλαιο πραγματεύεται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων που έγιναν με τη χρήση του προγράμματος COMSOL Multiphysics 4.2. Οι προσομοιώσεις έγιναν για διαφορετικές τιμές δεικτών διάθλασης μιας ποικιλίας υγρών. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναλύεται το πειραματικό μέρος της ειδικής ερευνητικής εργασίας. Παρουσιάζονται η πειραματική διάταξη και τα πειραματικά δεδομένα που ελήφθησαν στο εργαστήριο Laser, καθώς επίσης και τα σχετικά σχόλια σύγκρισης με τα αποτελέσματα των αντίστοιχων προσομοιώσεων που έγιναν. / -

Τα συστήματα μοριακής διαγνωστικής έχουν έρθει στο προσκήνιο τα τελευταία χρόνια δίνοντας τη δυνατότητα για αυτοματοποιημένες, αξιόπιστες, γρήγορες και χαμηλού κόστους βιολογικές αναλύσεις. Τέτοια συστήματα χαρακτηρίζονται από σύνθετη λειτουργικότητα, η οποία συνδυάζει πληθώρα ενεργοποιητών και αισθητήρων που συνεργάζονται για την εκτέλεση βιολογικών πρωτοκόλλων. Με βάση τα πρωτόκολλα αυτά και με τη χρήση μικροροϊκών συστημάτων, τα βιολογικά δείγματα και αντιδραστήρια υποβάλλονται σε διάφορα στάδια επεξεργασίας. Κατόπιν της επεξεργασίας τους, τα δείγματα υπό μελέτη καταλήγουν πάνω στην επιφάνεια αισθητήρων, οι οποίοι είναι ειδικά ευαισθητοποιημένοι ώστε να ανιχνεύουν συγκεκριμένες βιολογικές αλληλεπιδράσεις ενδιαφέροντος και να αποκρίνονται μεταβάλλοντας αναλόγως ένα φυσικό μέγεθος, μετρήσιμο από ηλεκτρονικά κυκλώματα. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ανάγνωσης των αισθητήρων αποτελούν ένα από τα κυριότερα τμήματα ενός συστήματος μοριακής διαγνωστικής, καθώς βάσει της απόκρισης αυτών προκύπτουν τα διαγνωστικά αποτελέσματα. Κατά συνέπεια, αναγνωρίζεται ο σημαντικός ρόλος που κατέχουν στη συνολική αναλυτική διαδικασία. Είναι απαραίτητο οι μετρήσεις που εκτελούν να χαρακτηρίζονται από μεγάλη ακρίβεια με υψηλή διακριτική ικανότητα για κάθε αισθητήριο στοιχείο. Ταυτόχρονα όμως, πρέπει να εξασφαλίζεται και η αξιοπιστία της μέτρησης σε επίπεδο βιολογικής διεργασίας. Σε αυτό το στόχο συντελεί η χρήση συστοιχιών αισθητήρων, με τις οποίες η ίδια μέτρηση μπορεί να εκτελεστεί παράλληλα σε πολλά στοιχεία και συνοδεύεται από μετρήσεις θετικού και αρνητικού ελέγχου. Πάνω στη συστοιχία μπορούν να εκτελεστούν και συμπληρωματικές μετρήσεις περισσότερων δειγμάτων, ώστε τα αποτελέσματα που εξάγονται να δίνουν μια πιο ολοκληρωμένη αναλυτική εικόνα. Υπό αυτό το πρίσμα, οι μεγάλου μεγέθους συστοιχίες αισθητήρων μπορούν να προσφέρουν βέλτιστα αποτελέσματα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στα κυκλώματα ανάγνωσης συστοιχιών χωρητικών και ηλεκτροχημικών αισθητήρων, δύο ευρέως χρησιμοποιούμενων τεχνολογιών αισθητήρων. Η αρχή λειτουργίας των χωρητικών αισθητήρων βασίζεται στο γεγονός ότι οι αλληλεπιδράσεις βιομορίων που μελετούνται ασκούν δυνάμεις και παραμορφώνουν την ευέλικτη μεμβράνη πυριτίου που αποτελεί τον έναν οπλισμό ενός μεταβλητού πυκνωτή. Συνέπεια αυτής της παραμόρφωσης είναι η ανάλογη μεταβολή της χωρητικότητας που παρουσιάζει η μεμβράνη με το υπόστρωμα πυριτίου, μεταβολή που μετράται από το κύκλωμα. Στην περίπτωση των ηλεκτροχημικών αισθητήρων, η αντίστοιχη αλληλεπίδραση βιομορίων, με τη βοήθεια βιομορίων σήμανσης, προκαλεί τη μεταβολή της αγωγιμότητας μεταξύ των ηλεκτροδίων τους. Υπό ελεγχόμενες συνθήκες πόλωσης τάσης, το αναπτυσσόμενο ρεύμα που μετράται αντιστοιχεί στην εξέλιξη του βιολογικού φαινομένου. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις δυνατότητες κλιμάκωσης της εκάστοτε αρχιτεκτονικής ώστε να είναι επεκτάσιμη στην ανάγνωση πολύ μεγάλων συστοιχιών αισθητήρων με βέλτιστο τρόπο, διατηρώντας μικρές διαστάσεις για τα κυκλώματα ανάγνωσης. Συγχρόνως, εξασφαλίζεται με διάφορες στρατηγικές η ορθή λήψη μετρήσεων από κάθε στοιχείο, χωρίς την επίδραση από τα υπόλοιπα μέλη της συστοιχίας. Για την ανάγνωση συστοιχιών χωρητικών αισθητήρων σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ολοκληρωμένο κύκλωμα σε τεχνολογία 0.35 μm, που στον πυρήνα της μέτρησης διαθέτει έναν ταλαντωτή χαλάρωσης με βρόχο υστέρησης ρεύματος. Υποστηρίζεται από προγραμματιζόμενες πηγές ρεύματος διέγερσης ώστε να καλύπτεται ένα ευρύ φάσμα χωρητικοτήτων για τους αισθητήρες. Το σύστημα πολύπλεξης που αναπτύχθηκε για τη διασύνδεση κάθε μέλους από τις συστοιχίες αισθητήρων πάνω στον πυρήνα ανάγνωσης μπορεί να διαχειριστεί πεπλεγμένες συστοιχίες, όπου τα στοιχεία είναι οργανωμένα με κοινές γραμμές και στήλες ηλεκτρικών επαφών στους οπλισμούς τους. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η δημιουργία μεγάλων συστοιχιών με μικρό πλήθος ακροδεκτών διασύνδεσης. Η πρόκληση της ανάγνωσης τέτοιου είδους συστοιχιών έγκειται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχείων, λόγω ανεπιθύμητων μονοπατιών στο ρεύμα φόρτισης του ταλαντωτή. Μία πρώτη αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος διαφωνίας γίνεται με τη χρήση διακοπτών δύο καταστάσεων στις μονάδες πολύπλεξης, ώστε να ελέγχεται ο τρόπος με τον οποίο διεγείρεται το μετρούμενο καθώς και τα υπόλοιπα στοιχεία κατά τη μέτρηση. Με διαδοχικές μετρήσεις υπό διαφορετικές συνδεσμολογίες στους πολυπλέκτες και με κατάλληλη μαθηματική επεξεργασία, μπορούν να εξαχθούν ακριβείς μετρήσεις για την κατάσταση κάθε αισθητήρα της συστοιχίας. Η στατικότητα του συστήματος κατά τη διάρκεια των διαδοχικών μετρήσεων που είναι προϋπόθεση για το σωστό υπολογισμό των αποτελεσμάτων, βασίζεται στην ιδιαίτερα αργή εξέλιξη των βιολογικών φαινομένων στην επιφάνεια των αισθητήρων. Στα πλαίσια της διατριβής έγινε και ένας επανασχεδιασμός του κυκλώματος ανάγνωσης συστοιχιών, σε επίπεδο σχηματικού και φυσικού σχεδιασμού, του οποίου η λειτουργία επιβεβαιώθηκε με post-layout εξομοιώσεις. Σε αυτή την ανάπτυξη έγινε προσθήκη επιπλέον υπομονάδων και η βελτίωση των υπαρχουσών. Από τα κύρια χαρακτηριστικά αυτού του σχεδιασμού είναι μια μονάδα απομονωτή, που προσφέρει έναν δεύτερο τρόπο αντιμετώπισης του προβλήματος διαφωνίας μεταξύ των στοιχείων, αποτρέποντας το ρεύμα φόρτισης του ταλαντωτή να οδηγηθεί προς μη επιθυμητά στοιχεία. Επιπλέον, οι μονάδες ταλάντωσης που χρησιμοποιεί το επανασχεδιασμένο κύκλωμα είναι δύο, για ταυτόχρονη ανάγνωση αισθητήρων και ταχύτερη σάρωση μεγάλων συστοιχιών, με το εύρος του προγραμματιζόμενου ρεύματος να είναι μεγαλύτερο, καλύπτοντας μεγαλύτερο φάσμα αισθητήρων. Τέλος, αυτή η έκδοση του κυκλώματος έχει πιο αυτόνομο χαρακτήρα, με την ενσωμάτωση ενός υποσυστήματος σειριακής επικοινωνίας και ελέγχου. Για τη δεύτερη τεχνολογία αισθητήρων που καλύπτει η παρούσα διατριβή, των ηλεκτροχημικών αισθητήρων, σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν κυκλώματα ανάγνωσης συστοιχιών με χρήση διακριτών στοιχείων, καθώς επίσης και κυκλώματα με το βασικό πυρήνα μέτρησης να υλοποιείται σε ολοκληρωμένη μορφή με τεχνολογία 90 nm. Για τους σχεδιασμούς αυτούς έχει αναπτυχθεί η τεχνική της υβριδικής πολύπλεξης, βάσει της οποίας τα μέλη της συστοιχίας ομαδοποιούνται καταλλήλως, ώστε να επιτευχθούν οι απαιτούμενες επιδόσεις σε ρυθμούς δειγματοληψίας από το κύκλωμα ανάγνωσης, ενώ παράλληλα το μέγεθος του κυκλώματος παραμένει μικρό. Η υβριδική πολύπλεξη συνδυάζει διαδοχική ανάγνωση με παράλληλη ανάγνωση στοιχείων, κάνοντας χρήση πολυπλεκτών και κατάλληλου αριθμού υποσυστημάτων μέτρησης που επαναχρησιμοποιούνται για πολλά αισθητήρια στοιχεία. Η ιδιαιτερότητα που έχουν αυτού του τύπου οι μετρήσεις έγκειται στην απαίτηση για διαρκή πόλωση όλων των στοιχείων χωρίς διακοπή της ροής του ρεύματος μέσω αυτών, που καλύπτεται μέσω ειδικά διαμορφωμένων πολυπλεκτών δύο καταστάσεων οι οποίοι εξασφαλίζουν τις σωστές συνθήκες λειτουργίας. Επιπρόσθετες βελτιώσεις που παρέχει η υλοποίηση του κυκλώματος ανάγνωσης σε μορφή ολοκληρωμένου είναι η δυνατότητα εναλλαγής μεταξύ δύο τύπων κυκλωμάτων μέτρησης, με χρήση ενισχυτή διαντίστασης και ολοκληρωτή. Οι δύο τρόποι μέτρησης χρησιμοποιούνται συμπληρωματικά, ώστε να καλυφθεί μεγάλη δυναμική περιοχή λειτουργίας και γρήγορη απόκριση, αλλά και υψηλή ανάλυση, ανάλογα με τις απαιτήσεις κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας. Για το χαρακτηρισμό των κυκλωμάτων ανάγνωσης που αναπτύχθηκαν και για τις δύο τεχνολογίες αισθητήρων, έγιναν μετρήσεις με πρότυπα φορτία, καθώς και με συστοιχίες, για να εξαχθούν συμπεράσματα για την απόκρισή τους. Κατόπιν των ελέγχων καλής λειτουργίας των κυκλωμάτων και των μεθόδων που ακολουθούνται, πραγματοποιήθηκαν και επιτυχείς μετρήσεις βιολογικής σημασίας, που επιβεβαιώθηκαν από συστήματα αναφοράς. / Molecular diagnostics systems have come to the forefront in recent years allowing for automated, reliable, rapid and inexpensive bioassays. Such systems are characterized by complex functionality, which combines variety of actuators and sensors that cooperate to perform biological protocols. Based on these protocols and using microfluidic systems, biological samples and reagents are subjected to various processing steps. Following this treatment, the samples under study are placed on the surface of sensors, which are functionalized to detect specific biological interactions of interest and respond accordingly by changing a physical quantity, measurable by electronic circuits. The sensor readout electronic circuits are one of the main parts of a molecular diagnostics system, as the diagnostic results are based on their response. Consequently, it is recognized that they hold an important role in the overall analytical process. It is necessary that the measurements they perform are highly accurate with high resolution for each sensor element. At the same time, the reliability of the measurement at a biological process level must be ensured. To this aim contributes the use of sensor arrays, with which the same measurement can be performed in parallel on many elements and accompanied by positive and negative control measurements. On the array, additional measurements of multiple samples can be performed, so that the output results give a more comprehensive analytical picture. In this light, large sensor arrays can provide optimal results. This thesis focuses on the readout circuitry for capacitive and electrochemical sensor arrays, two widely used sensor technologies. The operating principle of capacitive sensors is based on the fact that the interactions between the biomolecules under study exert forces and deform the flexible silicon film constituting an armature of a variable capacitor. The consequence of this deformation is a proportional change in capacitance between the film and the silicon substrate, a variation measured by the circuit. In the case of electrochemical sensors, the respective interaction of biomolecules, with the aid of labeling biomolecules, causes a change in conductivity between their electrodes. Under controlled bias voltage conditions, the resulting current that is measured corresponds to the progress of the biological phenomenon. Particular emphasis is given to the scalability potential of each architecture, so it can be optimally expanded for reading very large sensor arrays, maintaining small dimensions for the readout circuits. At the same time, through various strategies it is ensured that measurements of each element are properly acquired, without influence from other members in the array. To read out the capacitive sensor arrays an integrated circuit based on a 0.35 μm technology was designed and implemented, which at its measuring core uses a relaxation oscillator with a current hysteresis loop. It is complemented by programmable excitation current sources to cover a wide range of capacitances for the sensors. The multiplexing system that was developed to connect each member of the sensor arrays on the readout core can handle 'entangled' arrays, where the elements are arranged with common lines and columns of electrical contacts at their armatures. In this way it is possible to create large arrays with a small number of interface terminals. The challenge of reading such arrays lies in the interactions between the elements, because of side paths in the oscillator charging current. A first way to address this crosstalk problem is the use of two-state switches in the multiplexing units, in order to control the way in which the measured element is excited, as well as the other array elements, during measurement. Through successive measurements under different connection configurations on the multiplexers and appropriate mathematical processing, accurate measurements for the status of each sensor in the array can be obtained. The measured system can be considered static during successive measurements, which is a prerequisite for the correct calculation of results, due to the very slow progress of biological phenomena on the surface of the sensors. In the course of this thesis, a redesign of the array readout circuit was made, at a schematic and physical layout design level, the function of which was confirmed by post-layout simulations. In this development extra submodules were incorporated and existing ones were improved. One of the main features of this design is a buffer unit, which offers a second way of addressing the crosstalk problem between the elements, by preventing the oscillator charging current to excite undesirable elements. Furthermore, the redesigned circuit uses two oscillation units for simultaneous sensor readout and faster scanning of large arrays, with the range of their programmable current being greater, covering a larger spectrum of sensors. Finally, this version of the circuit has a more autonomous nature, by incorporating a serial communication and control subsystem. For the second sensor technology covered by this thesis, the electrochemical sensors, array readout circuits were designed and implemented using discrete components, as well as circuits with the basic measurement core being implemented in integrated form using a 90 nm technology. For these designs the technique of hybrid multiplexing was developed, whereby the members of the array are grouped appropriately to achieve the required performance in sampling rate from the readout circuit, while the size of the circuit remains small. Hybrid multiplexing combines sequential and parallel element reading, using multiplexers and the appropriate number of measurement subsystems that are reused for many sensing elements. The particularity of this type of measurements is the requirement for continuous biasing of all elements without interruptions in the current flow through them, which is addressed by specially configured two-state multiplexers that ensure the correct operating conditions. Additional enhancements offered by the implementation of the readout circuit in integrated form is the ability to switch between two types of measurement circuits, using a transimpedance amplifier and an integrator. The two modes of measurement are used in complement, to cover a wide operating dynamic range and fast response, and also high resolution, depending on the requirements during the experimental process. For the characterization of the readout circuits developed for both sensor technologies, measurements were made using standard loads, as well as arrays, to draw conclusions about their response. Following the validation of the proper operation of the circuits and methods used, successful measurements of biological significance were made, which were confirmed by reference systems.

Μια συσκευή για τη μέτρηση της πίεσης του αίματος ενός ασθενή, περιλαμβάνει έναν επεξεργαστή προσκολλημένο σε μια συσκευή εισόδου, ο οποίος δέχεται μια αρχική είσοδο, που αντιπροσωπεύει την απόλυτη πίεση του αίματος του ασθενή και ένα μη-επεμβατικό αισθητήρα, που ακουμπάει τον ασθενή για τη μέτρηση τουλάχιστον μιας ‘φυσιολογικής’ λειτουργίας. Ο επεξεργαστής εκτελεί μια διαδικασία για την εκτίμηση της αρχικής εισόδου και της ‘φυσιολογικής’ λειτουργίας, για να υπολογίσει την πίεση του αίματος του ασθενή. Μια μέθοδος για τον υπολογισμό της πίεσης του αίματος ενός ασθενή, περιλαμβάνει τα βήματα της αποθήκευσης της αρχικής εισόδου, που αντιπροσωπεύει την απόλυτη πίεση του αίματος του ασθενή, της μη-επεμβατικής ‘αίσθησης’ (μέσω αισθητήρα) τουλάχιστον μιας ‘φυσιολογικής’ λειτουργίας και της εκτίμησης των δύω τιμών για τον υπολογισμό της πίεσης του αίματος. Η παρούσα εργασία μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση και τον εντοπισμό άλλων ‘φυσιολογικών’ μεταβλητών όπως της ενδοτικότητας των τοιχωμάτων των αγγείων, των αλλαγών στην ένταση των κοιλιακών συστολών, των αλλαγών στην αγγειακή αντίσταση, των αλλαγών στον όγκο των υγρών, των αλλαγών στον καρδιακό παλμό, της συσταλτικότητας του μυοκαρδίου και άλλων σχετικών παραγόντων. / This dissertation refers to a device for non-invasively measuring the blood pressure of a patient. Such a device consists of a processor attached to an input device, which receives an initial input value, representing the patient’s absolute pressure, and a non-invasive sensor attached to the patient for measuring at least one physiological function. For determining the patient’s blood pressure, the processor performs a process for evaluating the initial input and the physiological function of the sensor. A method for non-invasively measuring a patient’s blood pressure includes, firstly, storing the initial input (which represents the patient’s absolute pressure), secondly, non-invasively sensing at least one physiological function and, finally, evaluating both these inputs for measuring the patient’s blood pressure. This dissertation can also be used for the analysis of other physiological variables such as vascular wall compliance, changes in the strength of ventricular contractions, alterations in fluid volume or in cardiac output and other related factors.

In the current PhD thesis a thorough study is performed on the design, fabrication and analysis of microstructures created by use of laser methods. The work comprises the design and fabrication of organic, inorganic and hybrid microstructures for use in photonics applications. In addition, several techniques are applied for the fabrication and replication of photonic diffractive microstructures. Fabricated structures are tested as potential functional photonic sensors for humidity, ammonia and temperature detection. Furthermore, a detailed study on polymer-based microstructures creation by laser radiation forces is attempted both theoretically and experimentally. The created 2D and 3D free-standing micro/nanostructures are optically characterized. / Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται μια ενδελεχής μελέτη στην σχεδίαση, κατασκευή και ανάλυση μικροδομών που δημιουργούνται με τη χρήση δέσμης λέιζερ. Η εργασία περιλαμβάνει τον σχεδιασμό και την κατασκευή οργανικών, ανόργανων και υβριδικών μικροδομών για χρήση τους σε εφαρμογές φωτονικής. Επιπρόσθετα, εφαρμόζονται διάφορες τεχνικές για την κατασκευή και αναπαραγωγή φωτονικών περιθλαστικών μικροδομών. Οι δομές ελέγχονται ως λειτουργικοί φωτονικοί αισθητήρες για την ανίχνευση υγρασίας, αμμωνίας και θερμοκρασίας. Ακόμα, πραγματοποιείται μια λεπτομερής μελέτη πάνω στη δημιουργία μικροδομών βασισμένων σε πολυμερή με χρήση δυνάμεων ακτινοβολίας λέιζερ τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Οι δημιουργούμενες δισδιάστατες και τρισδιάστατες μικρο/νανοδομές ελεύθερου χώρου χαρακτηρίζονται οπτικά.

Η παρούσα διπλωματική εργασία συνίσταται στην μελέτη, την ανάπτυξη και την αξιολόγηση τεχνικών και μεθόδων αποφυγής συμφόρησης στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Στα πλαίσια της εργασίας σχεδιάστηκε μια μέθοδος αποφυγής συμφόρησης η οποία δύναται να διαχειριστεί με επιτυχία κίνηση πακέτων δεδομένων διαφορετικών προτεραιοτήτων και η οποία ονομάστηκε Priority Based Congestion Avoidance Technique (PB-CAT). Η PB-CAT χρησιμοποιεί έναν εξελιγμένο μηχανισμό καθυστέρησης και συγχώνευσης πακέτων ώστε να μειώνεται ο συνολικός αριθμός μεταδόσεων και να αυξάνεται η εκμετάλλευση του μέσου επικοινωνίας με αποτέλεσμα τη βελτίωση της απόδοσης του δικτυακού συστήματος. Με σκοπό την πειραματική αξιολόγησή της, η μέθοδος υλοποιήθηκε στο λειτουργικό σύστημα Contiki και έγιναν εκτεταμένες προσομοιώσεις της λειτουργίας της στον Cooja simulator. Τα αποτελέσματα των εν λόγω προσομοιώσεων απέδειξαν ότι η τεχνική που προτείνεται παρουσιάζει ευεργετική επίδραση στην απόδοση των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων και ιδιαίτερα σε αυτά στα οποία υπάρχει υψηλή κίνηση δεδομένων. / Wireless sensor networks are typically consisted of hundreds of nodes which generate a high volume of network traffic. Therefore, taking into account the multi-hop communication architecture that is most commonly used in said networks, bottlenecks are bound to appear in parts of the system. Those bottlenecks, also referred to as network congestion, can have a vast effect on network performance and, given the constricted resources of WSNs nodes, result in the system failing to serve its purpose. Consequently, special care should be taken to avoid or alleviate the problem of congestion, by developing specific algorithms and methods. Our study aims to lessen the effect of congestion in WSNs by studying, implementing and evaluating techniques of congestion avoidance. In the context of this study, we designed and implemented an innovative congestion avoidance method which can successfully handle three different packet priorities thus naming it Priority Based Congestion Avoidance Technique (PB-CAT). PB-CAT uses an advanced mechanism of packet delay and merging in order to reduce the total transmissions and heighten the optimal use of the communication medium, resulting in improved network performance. In order to evaluate our method, we implemented it using the Contiki OS and performed extensive simulations in the Cooja network simulator. The simulation results presented a clear improvement of the network metrics while the proposed technique was in use, particularly, in sensor networks with a high volume of traffic, where we observed a considerable amount of enhancement in the quality of the network operation.

Το αντικείμενο της εργασίας είναι ο υπολογισμός του καρδιακού και αναπνευστικού παλμού με επεξεργασία του σήματος που λαμβάνεται με χρήση πιεζοηλεκτρικού αισθητήρα. Ο αισθητήρας είναι τοποθετημένος στον λαιμό και ανιχνεύει ένα σήμα που περιλαμβάνει τόσο τον καρδιακό, όσο και τον αναπνευστικό ρυθμό. Η δειγματοληψία και μετατροπή του σήματος σε ψηφιακό γίνεται με χρήση του microcontroller MSP430F149 ο οποίος προγραμματίζεται κατάλληλα για το σκοπό αυτό. Το ψηφιακό αυτό σήμα επεξεργάζεται με κατωδιαβατό φίλτρο πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης προκειμένου να αποκοπούν οι υψηλές συχνότητες και υπολογίζεται η ενέργεια του προκύπτοντος σήματος. Εν συνεχεία με χρήση του FFT, και κατάλληλων φίλτρων γίνεται ο διαχωρισμός του σήματος σε αναπνοής και καρδιακού ρυθμού. / -

Κατά τη διάρκεια τόσο των ιατρικών διεργασιών μέσα στο νοσοκομείο – όπως των απλών τεστ που διενεργούνται στους ασθενείς, αλλά και των πιο περίπλοκων διεργασιών των μεταμοσχεύσεων και των χειρουργείων, όσο και των in vitro τεστ, διάφορες παράμετροι πρέπει συνεχώς να μετρούνται και να απεικονίζονται, για παράδειγμα η πίεση, η ροή και η θερμοκρασία του αίματος και των ειδικών διαλυμάτων διατήρησης των οργάνων που χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια των μεταμοσχεύσεων. Η πίεση και η ροή του αίματος καθώς και η θερμοκρασία του σώματος, ως πολύ σημαντικές φυσιολογικές παράμετροι που είναι, πρέπει να μετρούνται με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια έτσι ώστε να δίνεται συνεχώς μια σαφής εικόνα της λειτουργίας του ανθρωπίνου σώματος. Μέχρι τώρα, οι μετρήσεις αυτών των παραμέτρων διενεργούνταν από ξεχωριστές μονάδες μέτρησης και επιπλέον από ξεχωριστά συστήματα ανάκτησης δεδομένων (Data Acquisition Systems), με αποτέλεσμα το αυξημένο κόστος λειτουργίας και την αύξηση της περιπλοκότητας των μετρήσεων για τον χρήστη. Το DatAssist δημιουργήθηκε επάνω στην ιδέα ανάπτυξης ενός φορητού συστήματος μετρήσεων με ενσωματωμένη επεξεργασία των δεδομένων μέτρησης, το οποίο θα έχει τη δυνατότητα απεικόνισης όλων των φυσιολογικών παραμέτρων που αναλύθηκαν παραπάνω. Επιπλέον, θα έχει τη δυνατότητα αποθήκευσης όλων των δεδομένων για περαιτέρω ανάλυση. Το DatAssist σκοπεύει να παρέχει ακριβείς μετρήσεις, ευκολία στη χρήση και καθαρή πληροφόρηση για τις μετρούμενες παραμέτρους στην οθόνη. Επιπρόσθετα ο σχεδιασμός του έγινε έτσι ώστε να έχει το λιγότερο δυνατό βάρος για να μπορεί να μετακινείται εύκολα κατά την διάρκεια ιατρικών εφαρμογών. Το DatAssist σχεδιάστηκε με βάση το πρότυπο IEC 60601-1:2005 και σκοπεύει να αποτελέσει ένα πολυκάναλο σύστημα με ευκολία εισαγωγής επιπρόσθετων στοιχείων στο εσωτερικό του, το οποίο θα χρησιμοποιηθεί από την Organ Assist B.V. Netherlands, spin-off εταιρίας του University Medical Centre Groningen, για λογαριασμό της οποίας σχεδιάστηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Η επιδιωκόμενη χρήση της μονάδας είναι αρχικά η χρήση της για εργαστηριακά πειράματα σε ζώα, στα πλαίσια των τεστ λειτουργίας που διενεργεί η Organ Assist B.V. Netherlands στις δικές της συσκευές. Στο μέλλον, θα χρησιμοποιηθεί σε κλινικές έρευνες και κατά τη διάρκεια μεταμοσχεύσεων και χειρουργείων. Η πίεση και η ροή του αίματος, καθώς και η θερμοκρασία του σώματος και των οργάνων θα μετριέται με τη χρήση αναλώσιμων ή εύκολα αποστειρώσιμων αισθητήρων, ειδικών για ιατρικές μετρήσεις. Πιο αναλυτικά, το σύστημα παρέχει συνδέσεις με δύο αισθητήρες πίεσης, δύο αισθητήρες θερμοκρασίας (ένα Θερμοζεύγος και έναν τύπου NTC), έναν αισθητήρα ροής και επίσης έχει μια υποδοχή BNC για μέτρηση και απεικόνιση εξωτερικών σημάτων από άλλες ιατρικές συσκευές. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα σύνδεσης περισσότερων αισθητήρων ανάλογα με τις ανάγκες του εκάστοτε χρήστη. Το σύστημα τροφοδοτείται από μια χαμηλή DC τάση μέσω ενός AC/DC Adapter, και με αυτόν τον τρόπο παρέχει τόσο ασφάλεια στον χρήστη από ηλεκτροπληξία η οποία προκαλείται από την υψηλή AC τάση, όσο και αποφυγή καταστροφής των ηλεκτρικών εξαρτημάτων της συσκευής. Ο σχεδιασμός του DatAssist βασίστηκε στις απαιτήσεις της Organ Assist B.V. με βάση την κάλυψη των αναγκών των βασικών χρηστών της συσκευής, όπως των χειρούργων και των χειριστών ιατρικών μηχανημάτων. Οι απαιτήσεις των τελευταίων συνοψίστηκαν σε εφτά γενικές προϋποθέσεις (σε μια Λίστα Προϋποθέσεων η οποία αναλύεται εκτενώς στο 2ο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας) που αποτέλεσαν και τις προϋποθέσεις που το μηχάνημα καλούταν να καλύπτει: εγκυρότητα, ποιότητα, ασφάλεια, ευκολία χρήσης, ευκολία μετακίνησης, χαμηλό κόστος κατασκευής και χρήση εξαρτημάτων πιστοποιημένων κατά CE. Επιπλέον, τρεις ακόμη προϋποθέσεις λήφθηκαν υπόψη για τον σχεδιασμό των διαφόρων εξαρτημάτων της συσκευής: ευκολία αποστείρωσης, ευκολία εισαγωγής επιπρόσθετων εξαρτημάτων και δυνατότητα χρήσης των τελευταίων τόσο στο αίμα όσο και μέσα σε διαλύματα. Οι πιο σημαντικές λειτουργίες που καλείται να επιτελέσει το DatAssist είναι: η ανίχνευση των φυσικών παραμέτρων (πίεσης, θερμοκρασίας και ροής) από τους αισθητήρες, η ενίσχυση των αναλογικών σημάτων εισόδου των αισθητήρων, η επεξεργασία και η ψηφιοποίηση των ενισχυμένων σημάτων, η τελική επεξεργασία των ψηφιακών σημάτων από έναν υπολογιστή και τελικά η συνεχής απεικόνιση των σημάτων σε μια οθόνη monitor με την βοήθεια ενός προγράμματος Software (LabView 8.5). Για καθεμία από τις παραπάνω λειτουργίες ακολουθήθηκε μια συγκεκριμένη διαδικασία για να ορίσει τον σχεδιασμό της υλοποίησής της. Αυτή η διαδικασία είχε ως αποτέλεσμα την επιλογή των εξαρτημάτων που θα χρησιμοποιηθούν στην τελική συσκευή, έπειτα από μια αξιολόγηση των υποψήφιων εξαρτημάτων, για κάθε λειτουργία βασισμένη στην εκπλήρωση των προαναφερθέντων προϋποθέσεων, με τη χρήση της κλίμακας 1-10 (1-μη εκπλήρωση, 10-πλήρης εκπλήρωση). Επιπρόσθετα, για κάθε στάδιο του σχεδιασμού που ορίζεται από τις προαναφερ-θείσες λειτουργίες, αναπτύχθηκε ένα λειτουργικό μοντέλο (functional model) το οποίο περιείχε τον τελικό σχεδιασμό του κάθε σταδίου, καθώς και ένα τεστ που μετράει την λειτουργικότητα του κάθε σταδίου, την εγκυρότητα, το σφάλμα και μια εκτίμηση της ακρίβειας των μετρήσεων. Τελικά, η εργασία είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή ενός πρωτοτύπου του DatAssist βασισμένο στον σχεδιασμό που αποφασίστηκε και εγκρίθηκε από την Organ Assist B.V., το οποίο ικανοποιεί τις προϋποθέσεις που αναλύονται στην Λίστα των Προϋποθέσεων (List of Requirements). Το πρωτότυπο αυτό στη συνέχεια ελέγχεται όσον αφορά την ακρίβεια των μετρήσεων και την ικανοποίηση της Λίστας των Προϋποθέσεων . Έτσι, αυτή η εργασία είχε ως τελικό αποτέλεσμα την σχεδίαση ενός εγκύρου, εύκολα αποστειρώσιμου, φορητού, εύκολου στη χρήση, ασφαλούς για τον χρήστη πολυχρηστικού συστήματος μέτρησης ιατρικών δεδομένων με κόστος δημιουργίας και μετέπειτα πώλησης λιγότερο από 3000 €. / During both inside the hospital medical procedures-from simple patient tests to more sophisticated procedures such as transplantations and surgeries, and laboratory or animal testing, several parameters have to be measured and monitored i.e. pressure, flow and temperature of blood and of the perfusion solution during transplantations. Since blood pressure, blood flow and body temperature have shown to be important physiological parameters, they have to be measured and registered accurately in order to monitor the functioning of the human body. Up to now, these measurements had to be performed with separate measuring units and separate data acquisition systems and thus with increased cost and resulting to a complicated measuring procedure for the user. The idea of the DatAssist project is to develop a portable measuring system with integrated data acquisition that is able to monitor and display all these physiological parameters and save them for later analysis for Organ Assist -a spin-off company of the University Medical Centre Groningen. DatAssist will provide accurate measurements, it will be easy to use and give clear information about the measured parameters in the monitor. It will also be as much light-weighted as it can in order to be easy to move during medical applications. DatAssist intends to be a modular multi-channel system and is going to be designed according to IEC 60601-1:2005 regulations. The intended use of the unit is primary for animal and laboratory experiments. In the future the unit will be used for clinical studies in the hospital and while transplantations or surgeries. Blood flow and pressure and body temperature will be measured non-invasively or using disposable transducers. More analytically the system will provide connections with a pressure sensor, two temperature sensors (Thermocouple and NTC), a flow sensor and moreover it will have a BNC Connector for measuring external signals from other medical devices. These are the basic connections but there will be a possibility of having more connectors and sensors according to the needs of the several customers. It will be powered by a low DC voltage through an AC/DC Adapter, and in that way it will provide electrical safety to the user against the hazards that can be caused by the high AC Voltages, as long as safety against damage of the electrical components of the device. The design of DatAssist will be based on the stakeholders such as surgeons, perfusionists and Organ Assist. Their preferences have been summarized in seven general requirements: reliability, quality, safety, ease of use, portability, purchase costs and CE Certified components. Moreover three more requirements were taken into account for the design of the several components: sterility (easy to sterilize components), modularity and ability of components to be used both inside blood and inside solutions. A function analysis demonstrated the most important functions of the DatAssist: sensing of the physical parameters (Pressure, Temperature, Flow), amplification of the analog input signal of the sensors, signal conditioning of the amplified signal, integration and processing of the digital signals with the help of a computer and display of the signal values in a monitor with the use of a Software program and a User interface. For each function, a certain procedure have been developed for defining its planning of implementation. This has resulted in the decision for which components to use in the final device after a scoring evaluation of the candidate components for each function based in their fulfillment to the mentioned above requirements. Additionally for each stage of the design defined by the functions, a functional model has been developed containing the final design of each stage and a test measuring its functionality and the reliability of measurements, as well as error measurements and an accuracy of the measurements estimation. Finally, a prototype of the DatAssist was engineered based on a design decided by the stakeholders having in mind to comply with the List of Requirements. This prototype is going to be tested for its accuracy of the measurements and evaluated according to its fulfillment of the list of requirements. With this study a proven reliable, sterile, portable, easy to use, safe for the user multi purpose medical Data Acquisition System is designed which can be purchased for less than €3000.