- / -

- / -

Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία η κυματιδιακή ανάλυση (wavelet analysis) εφαρμόζεται σε ηλεκτροεγκεφαλικές καταγραφές μαρτύρων με επιληψία με σκοπό τη μελέτη των δυναμικών αλλαγών της ηλεκτρικής δραστηριότητας στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιείται ο Διακριτός Μετασχηματισμός Κυματιδίου (ΔΜΚ) το συγκριτικό πλεονέκτημα του οποίου συνίσταται στην ικανότητά του να επεξεργάζεται μη στάσιμα σήματα, όπως αυτά των ηλεκτροεγκεφαλικών καταγραφών, με βέλτιστη διακριτική ικανότητα στο πεδίο συχνότητας-χρόνου. Ο ΔΜΚ ενός σήματος αποτελεί τη δισδιάστατη αναπαράστασή του (χρόνος-συχνότητα), πάνω στην οποία μπορεί να βασιστεί ο υπολογισμός ποσοτικών δεικτών δυναμικών αλλαγών. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν δυο διαφορετικές προσεγγίσεις: α) ο καθορισμός του χρόνου και η διερεύνηση του συχνοτικού περιεχομένου οδήγησε στον προσδιορισμό μεγεθών εντροπίας και στατιστικής πολυπλοκότητας χαρακτηρίζοντας σφαιρικά το σήμα και β) ο καθορισμός του συχνοτικού περιεχομένου και, ξεχωριστά για κάθε εύρος συχνοτήτων, η διερεύνηση στο χρόνο επέτρεψε τον υπολογισμό ενός στατιστικού μεγέθους απόστασης, της απόκλισης κατά Jensen-Shannon (JSD) χαρακτηρίζοντας τοπικά το σήμα. Η αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων αποκαλύπτει μείωση της εντροπίας με σύγχρονη αύξηση της πολυπλοκότητας συνηγορώντας υπέρ μιας κατάστασης υψηλής τάξης και οργάνωσης κατά τη διάρκεια της επιληπτικής κρίσης. Επιπλέον, το μέτρο απόστασης JSD αναδεικνύει μορφολογικές διαφοροποιήσεις, χαρακτηριστικές των διαφόρων σταδίων της κρίσης για τους φυσιολογικούς ρυθμούς του εγκεφάλου δ, θ, α, β και γ. / In this project wavelet analysis is applied to EEG signals of epileptic subjects for the estimation of dynamical changes of the electrical activity in time and frequency. To this end, the discrete wavelet transform (DWT) was used. The DWT of 1D-signal provides a 2D- representation (time-frequency plane), which can be used to define useful quantifiers for characterization of dynamical changes. In particular, two different approaches were used: a) fixing the time and scanning the plane on the frequency-coordinate. Wavelet coefficients at all considered frequency bands were used for definition of entropy and statistical complexity quantifiers. They provide a global description of the signal dynamical changes taken into account the interrelation of all the frequency bands contained in the signal and b) fixing the frequency and scanning in the time-coordinates. Wavelet coefficients corresponding to a given time interval were used to define the Jensen-Shannon divergence JSD, a statistical distance measure. They, in turn, provide a local description of the frequency band dynamical changes. In the first case, the decrease of entropy in association to the increase of complexity during seizure reflected the presence of brain states that are characterized by both order and maximal complexity during the epileptic seizures. Furthermore, the study of JSD in each frequency band separately revealed morphological and dynamical changes (brain rhythms δ, θ, α, β and γ) that can be matched to time instants typical of the transitions between the different stages of the epileptic seizure.

Το θέμα της παρούσας διατριβής αφορά στην μοντελοποίηση ενός εξελιγμένου ιατρι- κού συστήματος κατάλληλου για τη διαχείριση ζωτικών σημάτων με κύριο άξονα εφαρμογής τις διάφορες κατηγορίες ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων (EEG). Με τον όρο εξελιγμένο ιατρικό σύστημα αναφερόμαστε στη συγκεκριμένη διατριβή σε ένα ανεξάρτητο ανοικτό πληροφοριακό σύστημα που καλύπτει έναν πολύ συγκεκριμένο ιατρικό τομέα. Ως ζωτικά σήματα ή βιοσήματα για τη διατριβή νοούνται ψηφιακές καταγρα- φές ιατρικών οργάνων που μπορούν να αποθηκευτούν σε ψηφιακά αρχεία προτυποποιημένου μορφότυπου (format). Η διαχείριση περιλαμβάνει ανοικτές αρχιτεκτονικές λογισμικού με τις οποίες αρχειο- θετούνται και γίνονται αντικείμενο διαδραστικής επεξεργασίας ετερογενείς καταγραφές ια- τρικής πληροφορίας. Ο συγκεκριμένος ιατρικός τομέας ανάπτυξης του θέματος της διατριβής οριοθετείται στον ευρύτερο τομέα της επιληψίας και εστιάζεται στη χειρουργική της επιληψίας. Η βασική πρωτοτυπία της διατριβής έγκειται στη μοντελοποίηση και υλοποίηση ενός εξελιγμένου ιατρικού συστήματος για τη διαχείριση ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων (EEG), άλλων ζωτικών σημάτων καθώς και όλο το σύνολο των απεικονιστικών ιατρικών εξετάσεων που απαιτούνται και την υποστήριξη λήψης απόφασης στη χειρουργική της επιληψίας. Η αρχιτεκτονική πάνω στην οποία αναπτύχθηκε η πλατφόρμα αυτή αναφέρεται ως DESSA και αποτελεί έναν ολοκληρωμένο ηλεκτρονικό χώρο εργασίας κατάλληλο για όλες τις ειδικότητες ιατρών που ασχολούνται με το συγκεκριμένο θέμα. Η DESSA είναι προϊόν στενής συνεργασίας μεταξύ ιατρών, μηχανικών και αναλυτών αγοράς. / -

Η παρούσα εργασία αποτελεί μια θεωρητική μελέτη των παραμέτρων που επηρεάζουν και συνιστούν ένα διαγνωστικό μηχάνημα επιληψίας. Η εργασία χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος και στο πρώτο κεφάλαιο επιχειρείται μια συνεκτική και απλουστευμένη παρουσίαση του πεδίου εφαρμογής του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος, του εγκεφάλου. Δίνεται επίσης μια εικόνα για τους μηχανισμούς της προέλευσης των σημάτων που καταγράφονται στο ΗΕΓ. Τέλος γίνεται αναφορά στη νόσο της επιληψίας και τους τύπους των κρίσεων που παρουσιάζονται. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις μεθόδους που έχουν χρησιμοποιηθεί για την καταγραφή και την απεικόνιση των σημάτων του εγκεφάλου και ειδικότερα στο ΗΕΓ. Πιο συγκεκριμενα παρουσιάζεται ο μηχανισμός καταγραφής του ΗΕΓ καθώς και οι ρυθμοί της εγκεφαλικής δραστηριότητας που αποτυπόνωνται. Στο δεύτερο μέρος περιγράφονται τα εργαλεία που χρησιμοποιεί ένα διαγνωστικό μηχάνημα. Στο τρίτο κεφάλαιο δίνεται μετασχηματισμός wavelet που αποτελεί χρήσιμο εργαλείο στην ανάλυση των βιοσημάτων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάλυση ανεξάρτητων συνιστωσών (ICA), απαραίτητη για το διαχωρισμό των καταγραφόμενων σημάτων και στο κεφάλαιο 5 περιγράφονται μερικές παράμετροι που εξάγονται από τα βιοσήματα και βοηθούν στην καλύτερη επεξεργασία τους. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφονται κάποια χαρακτηριστικά των νευρωνικών δικτύων(βασικό τμήμα ενός διαγνωστικόυ μηχανήματος) καθώς και ο αλγόριθμος οπίσθιας διάδοσης σφάλματος που χρησιμεύει στην εκπαίδευση των νευρωνικών δικτύων. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται μια τυπική εκπαίδευση νευρωνικού δικτύου με μονοκάναλα δεδομένα, μετά από κατάλληλη επεξεργασία. / -

- / -

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη ηλεκτροεγκεφαλογραφικών σημάτων επιληψίας με χρήση συνδεδεμένων χαοτικών συστημάτων. Στο πλαίσιο της εργασίας παρουσιάζονται αρχικά μέθοδοι συμφωνίας και οι διάφορες μορφές της συνάρτησης μεταφοράς πληροφορίας. Οι τεχνικές που έχουν χρησιμοποιηθεί κυρίως μέχρι σήμερα είναι γραμμικές ωστόσο έχει φανεί σε αρκετές περιπτώσεις ότι η γραμμικότητα δεν επαρκή για την εξήγηση των σημάτων ΗΕΓ και της σύζευξης μεταξύ τους. Για τον λόγο αυτόν αναπτύσσεται η μη γραμμική μέθοδος υπολογισμού της συνάρτησης μερικής κατευθυνόμενης συμφωνίας η οποία μελετά τα καταγεγραμμένα σήματα στον χώρο φάσης-κατάστασης. Βάση αυτής διερευνάται η μη γραμμική συνδεσιμότητα περιοχών του εγκεφάλου. Η εργασία αποτελείται από πέντε μέρη. Το πρώτο μέρος περιλαμβάνει τη παρουσίαση της φυσιολογίας του ανθρώπινου εγκεφάλου. Στο δεύτεροο μέρος παρουσιάζεται η ασθένεια της επιληψίας καθώς και οι διάφοροι τύποι της. Στο τρίτο μέρος παρουσιάζεται η μέθοδος της μη γραμμικής ανάλυσης χρονοσειρών μέσω της μερικής κατευθυνόμενης συμφωνίας που περιλαμβάνει την ανακατασκευή των σημάτων στον φασικό χώρο. Ακολουθεί ο υπολογισμός των κατάλληλων παραμέτρων για την σωστή ανακατασκευή του φασικού χώρου των σημάτων. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται αποτελέσματα από εφαρμογή της μεθόδου σε προσομοιωμένα δεδομένα,καθώς και σε πραγματικά δεδομένα από ασθενή με επιληψία, τα οποία έχουν ληφθεί από το νοσοκομείο Ευαγγελισμός. / This diploma thesis aim at studying Electroencephalografic (EEG) Signal Recordings by adopting methodologies able to analyse and observe coupling of chaotic systems. Although linear methods seems to be inadequate for the analysis of EEG signals, the most commonly used methodologies today are linear. In this thesis, a non-linear partial directed coherence method is adopted to compute the transfer function of EEG signals in the phase-state space and is used to estimate the non-linear connectivity among brain areas. This thesis consists of five chapters. In the first and second chapter, an introduction to the brain's physiology and epilepsy pathophysiology is presented. In the third chapter, a methodology for the non-linear analysis of time series is presented based on the PDC method, which reconstructs attractors in the phase-state. In the fourth chapter, the parameters for the phase-state reconstruction of the attractors are properly selected. In the fifth chapter, the proposed method is applied on simulated and real epilepsy EEG data and the obtained results are presented and discussed.

Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και σχεδίαση ενός υδατογραφικού σχήματος για ηλεκτροεγκεφαλογραφικά (ΗΕΓ) σήματα επιληπτικών ασθενών. Το υδατογραφικό σχήμα που εφαρμόστηκε βασίζεται στο Μετασχηματισμό Κυματιδίων (wavelet transform) και είχε μέχρι πρότινος εφαρμοστεί μόνο σε ιατρικές εικόνες. Στόχος της ανάπτυξης του υδατογραφικού αυτού σχήματος, είναι η ενσωμάτωση πληροφοριών που έχουν μεγάλη αξία για διάγνωση και θεραπεία χωρίς όμως να αλλοιώνεται αισθητά το σήμα μετά την ενσωμάτωση των δεδομένων. Πριν την εφαρμογή όμως του υδατογραφικού μας σχήματος, απομονώνεται με έναν ειδικά σχεδιασμένο αλγόριθμο η περιοχή της επιληπτικής κρίσης γιατί είναι η περιοχή με τη μεγαλύτερη διαγνωστική αξία και στόχος είναι να παραμείνει εντελώς αναλλοίωτη. Η πρόοδος στον τομέα της τηλεϊατρικής έχει επιτρέψει τη μεταφορά ιατρικών σημάτων με στόχο τη διάγνωση και θεραπεία ασθενών που βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές. Κατά τη μεταφορά του υδατογραφημένου σήματος όμως μπορεί αυτό να υποστεί αλλοιώσεις που προέρχονται από συμπιέσεις του σήματος με σκοπό τη μείωση του μεγέθους τους, αλλά και αλλοιώσεις που προέρχονται από προσθήκη θορύβου. Για να εκτιμηθεί η αποτελεσματικότητα λοιπόν του υδατογραφικού μας σχήματος, εφαρμόζονται στο σήμα επιθέσεις συμπίεσης με διαφορετικά κατώφλια και επιθέσεις προσθήκης λευκού θορύβου με διαφορετικούς σηματοθορυβικούς λόγους SNR. Εφαρμόζοντας αυτές τις επιθέσεις, υπολογίζεται το ποσοστό ανάκτησης του υδατογραφήματος από το σήμα που έχει υποστεί επίθεση καθώς και το ποσοστό αλλοίωσης μεταξύ του αρχικού υδατογραφημένου σήματος και του υδατογραφημένου σήματος που έχει υποστεί επίθεση. Μεγαλύτερο ποσοστό ανάκτησης του υδατογραφήματος παρατηρείται όσο το κατώφλι συμπίεσης μικραίνει ενώ αντίθετα ο σηματοθορυβικός λόγος SNR μεγαλώνει. / The purpose of this thesis is the disquisition of a digital watermarking scheme for electroencephalogram (EEG) signals designed for epileptic patients. The watermarking scheme that has been applied in EEG signals is based on wavelet transform applied only in medical images. The objective implementing this digital watermarking scheme in EEG signals, is to embed important data with great significance in patient’s medical history. Furthermore, the scheme can be used for: diagnosis and cure, without distort the initial signal in such a way that leads in a misdiagnosis. Prior to implementation of our watermarking scheme, the area that presents the epileptic seizure is isolated with a specific designed algorithm so as the signal in this area remains undistorted. Nowadays, modern telecommunication infrastructure supports the possibility of delivering quality health care without the physical presence of medical experts. During the telecommunication signal transfers, the watermarking signals can be distorted due to compression methods or/and addition of white noise. In order to evaluate the efficiency of watermarking scheme, the signal is subjected to different kinds of attacks, such as compression with different compression thresholds, and attacks of adding white noise with different SNR ratio. After applying these attacks to the signal, it is computed the recovery ratio of the watermark and the distortion between the initial watermarked signal and the signal that has been subjected to the attacks. Given the results, the conclusion is that the smaller the compression threshold is, the better the recovery ratio of the watermark. On the other hand, in white noise attacks, the recovery ratio increases as the SNR ratio gets higher.

Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία, η κυματιδιακή ανάλυση (Wavelet Analysis) εφαρμόζεται σε ηλεκτροεγκεφαλικές καταγραφές ασθενών που πάσχουν από επιληψία και σε προκλητά δυναμικά ασθενών που πάσχουν από σχιζοφρένεια και αλκοολισμό, με σκοπό την ανάδειξη παθολογικών προτύπων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιείται ο Διακριτός Κυματιδιακός Μετασχηματισμός (Discrete Wavelet Transform) για την εκτίμηση της Εντροπίας (Entropy) τωνηλεκτροεγκεφαλικών σημάτων. Η Εντροπία είναι ένα μέγεθος το οποίο εκφράζει το βαθμό τάξης ενός σήματος. Βιοσήματα με μεγάλο βαθμό οργάνωσης και περιορισμένο συχνοτικό περιεχόμενο -που θεωρείται ότι εκφράζουν πιο συντονισμένη εγκεφαλική λειτουργία- έχουν χαμηλές τιμές Εντροπίας. Αντίθετα, όσο πιο στοχαστικό είναι ένα σήμα τόσο μεγαλύτερη η τιμή της Εντροπίας του. Για τη μελέτη μας υλοποιήσαμε δύο διαφορετικά μεγέθη Εντροπίας, την Κυματιδιακή Εντροπία (Wavelet Entropy) και την Εντροπία Renyi (Renyi Entropy), τα οποία έχουν διαφορετικές σχέσεις ορισμού αλλά εκφράζουν και τα δύο το βαθμό τάξης των αναλυόμενων σημάτων. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης αποκαλύπτουν ότι και τα δύο αυτά μεγέθη Εντροπίας κατορθώνουν να εντοπίσουν την επιληπτική κρίση, καθώς η τιμή τους διαφοροποιείται κατά τη διάρκειά της σε σχέση με την τιμή τους πριν από αυτή. Ακόμα, στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων για προκλητά δυναμικά αποκαλύπτει ότι είναι δυνατός ο διαχωρισμός των παθολογικών καταγραφών (σχιζοφρενών ή αλκοολικών) από αυτές υγιών μαρτύρων, σε συγκεκριμένες περιοχές ενδιαφέροντος των σημάτων. / Wavelet Analysis of EEG during epileptic seizures and evoked potentials of patients suffering from schizophrenia and alcoholism was carried out in the present project. Discrete Wavelet Transform was used to estimate the Entropy of patients’ biosignals. Entropy is a measure of the degree of order of a signal -and subsequently of the system it represents- also reflecting the complexity of its power spectrum. An ordered activity, like a sinusoidal signal, is manifested as a narrow peak in the frequency domain which corresponds to a low entropy value. On the other extreme, a disordered activity (e.g. the one generated by pure noise or by a deterministic chaotic system) will have a wide band response, thus being reflected in higher entropies. In our research we used two differently defined Entropies, Wavelet Entropy and Renyi Entropy, both revealing the degree of order of the signal. Results show that both Entropy measures accomplish the goal they were used for. They manage to detect the epileptic seizure as their value clearly decreased during seizure compared to the pre-ictal value. Also, statistically significant differences were observed between entropy values of ERPs of healthy subjects and patients suffering from schizophrenia and alcoholism.

- / Our purpose was to assess the function of fast somatic nerve fibres, the sympathetic sudomotor system and the function of parasympathetic heart con-trol in patients with partial or generalized seizures, receiving various therapeu-tic regimes, by means of clinical routine neurophysiology. We studied 73 pati-ents (mean age 37,7±12,9 years) and 73 matched healthy controls by clinical and electrophysiological examinations. To assess the function of fast somatic nerve fibres we studied the motor conduction of the peroneal nerve (distal latency, amplitude of action potential, conduction velocity) and the sensory conduction of the ulnar and sural nerves (amplitude of action potential, conduction velocity) in all patients and controls. To assess the sympathetic sudomotor system we studied the sympathetic skin response (SSR) elicited in the hand and foot by electrical and magnetic stimulation. The electrical stimulation applied in all patients and controls but the magnetic stimulation applied in 61 patients and 72 contols (exepted pati-ents and controls wich had something metallic in their body such as surgical clips, pace-maker, metallic valve). To assess the function of parasympathetic heart contol all the patients and the controls were subjected to a battery of three cardiovascular tests: a) heart rate variability during six deep breaths/min [algorithm:(max-min)R-R Interval x 100/mean R-R Interval] b) Valsava maneuver (ratio of the shortest RR interval during phase II to the longest RR interval in phase IV) c) heart rate response to standing up(ratio 30th beat/15th beat). Compared to controls, patients showed a significant abnormality of motor (prolongation of distal latency) and sensory (slowing of ulnar conduction velo-city, reduction of amplitude of sural action potential) conduction. Reason and duration of epilepsy, type and frequency of seizyre and polytherapy didn’t ap-pear to have a negative effect on motor or sensory conduction. Particular antiepileptic drugs, oxcarbazepine, phenytoin, topiramate, lebetiracetam, ap-peared to have a negative effect on sensory conduction. Clinical sings of neu-ropathy were disclosed in 13,7% of patients, while at least one abnormal sen-sory parameter was evident in 11%. In the patient group as opposed to the control group, there was a latency prolongation of sympathetic skin response recorded in hand and foot to elec-trical and magnetic stimulation. At least one SSR abnormality was shown in 28 (38,3%) patients and 9 (12,3%) of these had absent SSR from the hand or/and the food with electrical or/and magnetic stimulation. Reason & duration of epi-lepsy, type, frequency & age at onset of seizure, time from last seizure and po-lytherapy didn’t appear to have a negative effect on sympathetic sudomotor function. Particular antiepileptic drugs, topiramate and phenytoin, appeared to have a negative effect on sympathetic sudomotor function. Finally, the patient group showed significantly difference in all parasympa-thetic parameters studied compared to controls. Overall, 42,2% of patients had abnormal measurement in at least one of these parameters and [algorithm:(max-min)R-R Interval x 100/mean R-R Interval] was the most fre-quently abnormal one (31,5% of patients). Reason & duration of epilepsy, fre-quency, type & age at onset of seizure, time from last seizure and polytherapy didn’t appear to have a negative effect. Particular antiepileptic drugs, oxcarba-zepine and phenytoin appeared to have a negative effect on fuction of para-sympathetic heart control. Overall, 50 of the 73 patients had abnormal measurement in at least one of all parameters wich we studied. Our results suggested that simple neurophysiological tests, suitable for screening purposes, were able to demomstrate abnormalities of the fast so-matic fibers in peripheral nerves, of the sympathetic sudomotor system and of the parasympathetic heart control.