Η παρούσα εργασία πραγματεύεται την αποτελεσματικότητα του αλγορίθμου Matching Pursuit στον τομέα της επεξεργασίας σήματος. Περιγράφονται οι γενικότερες δυνατότητες του στην επεξεργασία βασικών βιοϊατρικών σημάτων και ειδικότερα εξετάζονται τα πλεονεκτήματά του στην επεξεργασία του ηλεκτροκαρδιογράφηματος, μιας και η εργασία αποτελεί μέρος του προγράμματος τηλεκαρδιολογίας e-Herofilus. Αρχικά λοιπόν γίνεται μία αναλυτική περιγραφή του τρόπου λήψης και καταγραφής του καρδιογραφικού σήματος. Στη συνέχεια γίνεται μία περιγραφή του αλγορίθμου Matching Pursuit και των αποτελεσμάτων που είχε η εφαρμογή του σε γνωστά βιοσήματα και κυρίως σε εγκεφαλογραφήματα και καρδιογραφήματα, από όπου προκύπτουν τα πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης μεθόδου έναντι των άλλων μεθόδων που έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για τη μεταφορά και επεξεργασία σημάτων στο πεδίο χρόνου- συχνότητας. Τέλος ακολουθεί η υλοποιήση του αλγορίθμου του Matching Pursuit και η εφαρμογή του σε πραγματικά ηλεκτροκαρδιογραφήματα τόσο υγιή όσο και παθολογικά, που λήφθηκαν από τη βάση Physionet του MIT. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων της εφαρμογής αυτής οδηγεί σε συμπεράσματα σχετικά με την αξία και την αποτελεσματικότητα του αλγορίθμου στους τομείς της αποθορυβοποίησης του καρδιογραφικού σήματος και του εντοπισμού της χρήσιμης πληροφορίας που αυτό μεταφέρει. Επίσης, μέσα από τη σύγκριση υγιών και παθολογικών καρδιογραφημάτων γίνεται μία προσπάθεια αναγνώρισης στοιχείων που εμφανίζονται στο πεδίο χρόνου-συχνότητας και συσχέτισής τους με τις εκάστοτε παθολογίες, γεγονός που μελλοντικά μπορεί να αποτελέσει το εφαλτήριο για την ανάπτυξη αλγορίθμου αυτόματης διάγνωσης καρδιογραφημάτων. / The following project, which is a part of telemedicine program e-Herofilus, examines the effectiveness of Matching Pursuit method. Its ability of processing in biomedical signals is described in a general format, as well as the advantages in processing of electrocardiogram (ECG) in more details. Firstly, there is an analytical description of collection and record of ECG. Afterwards, there is a description of Matching Pursuit algorithm and its results in biosignal processing. The algorithm is applied in electrocardiogram (ECG) and electroencephalogram (EEG). The results of those applications showed the advantages of Matching Pursuit method over the other methods were used in the past in the signal processing field in the time frequency plane. Finally, the implementation of Matching Pursuit algorithm in real ECGs is following. These ECGs are taken from healthy as well as from pathological specimens. The source of these specimens is Physionet Bank of MIT. In the conclusions of this project, it is underlined the value and the efficiency of Matching Pursuit method in denoising of ECG, and in detecting the useful signal information in time frequency plane. Additionally, comparing the results of processing healthy and pathological ECGs, could lead us in the future in the development of an automated diagnosis algorithm, which can be an innovation in both Engineering and Medicine Sciences.

Η διπλωματική εργασία μου ασχολείται με την αφαίρεση θορύβου από Ηλεκτροκαρδιογράφημα(ΗΚΓ), με σκοπό τη καθαρότερη λήψη του σήματος για διαγνωστικούς σκοπούς. Ο θόρυβος στο ΗΚΓ προέρχεται από διάφορες πηγές, είτε τεχνικές, είτε φυσιολογικές. Η αφαίρεσή του είναι ουσιαστικής σημασίας. Στόχος της εργασίας αυτής είναι η παράθεση των κυρίων μεθόδων αφαίρεσης θορύβου από ΗΚΓ και του τρόπου λειτουργίας τους, καθώς και η παράθεση παραδειγμάτων από την πρόσφατη βιβλιογραφία. / --

Κατά τη διάρκεια των δύο τελευταίων δεκαετιών, στο χώρο της τεχνολογίας έχουν αναπτυχθεί δίαφορα ενσωματωμένα συστήματα λήψης σημάτων φυσιολογίας, ικανά να καταγράφουν σύνθετα σήματα για πάνω απο 48 ώρες. Η εξέλιξη αυτή βοήθησε ιδιαίτερα τον τομέα της βιοϊατρικής. Τέτοια ενσωματωμένα συστήματα χρησιμοποιούνται στις μελέτες ηλεκτροκαρδιογραφίας (ECG ή EKG) για τον εντοπισμό σποραδικών αρρυθμιών ή ανωμαλιών στη καρδιακή λειτουργία.Σήμερα τα καρδιακά σήματα καταγράφονται σε κάρτες μνήμης και μπορούν εύκολα να μεταφερθούν για ανάλυση και επεξεργασία. Η εξέλιξη της τεχνολογίας επιφέρει συνεχως αλλαγές και βελτιώσεις στις συσκευές καταγραφής ΗΚΓ, περιορίζοντας συνεχώς το μέγεθός τους και την κατανάλωσή τους σε ενέργεια. Στην εργασία αυτή θα παρουσιαστούν ενσωματωμένα συστήματα καταγραφής, αποθήκευσης και επεξεργασίας ηλεκτροκαρδιογραφικών σημάτων.Η εργασία αυτή χωρίζεται ουσιαστικά σε πέντε κομμάτια. Το πρώτο τμήμα ασχολείται με τη φυσιολογία της καρδιάς, με τη δομή ενός ηλεκτροκαρδιογράφου και τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να το λάβουμε από τα διάφορα σημεία του ανθρώπινου σώματος.Το επόμενο τμήμα αφορά τη χρήση και τις δυνατότητες των ενσωματωμένων συστημάτων και μικροελεγκτών δίνοντας μεγαλύτερη έμφαση στην παρουσίαση του μικροελεγκτή ADUC7026 και των περιφερειακών του. Επιπλέον συνοψίζονται κάποιες βασικές λειτουργίες προγραμματισμού και δυνατότητες που παρουσιάζει ο ADUC7026 της Analog Devices και παρουσιάζονται κάποιες βασικές εφαρμογές του.Το τρίτο τμήμα επικεντρώνεται στην ανάλυση κάποιων τεχνικών κατασκευής ψηφιακών συσκευών παρακολούθησης καρδιακού παλμού με τη χρήση πυκνωτικών ηλεκτροδίων. Η ανάλυση περιλαμβάνει, τα υλικά από τα οποία αποτελούνται, τα χαρακτηριστικά τους, την αποδοτικότητά τους στην αντιμετώπιση του θορύβου και μια γενικότερη αξιολόγησή τους.Το τέταρτο τμήμα ασχολείται με μια πιο προηγμένη τεχνική καταγραφής σήματος που πραγματοποιείται ασύρματα. Αναλύεται τόσο ο τρόπος κατασκεής ασύρματων συσκευών μέτρησης ΗΚΓ όσο και ο τρόπος χρήσης τους. Στη συνέχεια αυτού του κεφαλαίο δίνεται βάση στην ανάλυση του μικροελεγκτή MSP430FG439 της Olimex και στη χρήση του στη μέτρηση ΗΚΓ.Στο τελευταίο τμήμα δίνεται ο κώδικας προγραμματισμού του μικροελεγκτή MSP430 για την καταγραφή ηλεκτροκαρδιογραφήματος και μία σχετική επεξήγηση της λειτουργίας του. / During the last two decades there have been developed embedded systems, for the receive of physiology signals, that are able to record composite signals for more than 48 hours. This evolution plays a very important role in the field of biomedics. These embedded systems are used at research on electrocardiography (ECG) for the locating of sporadic cardiac arrhythmias, or abnormal heart function.Nowadays, cardiac signals are recorded on memory cards and can easily be transferred for analysis and processing. The technological evolution brings a lot of changes and improvements on the recording devices of ECG, reducing their size and the power they consume. At this thesis, embedded systems for recording, saving and processing ECG signals are presented. The thesis is divided into five sections. The first part deals with the physiology of the heart, the structure of the electrocardiograph and how we can receive it from different parts of the human body. The next section covers the use and potential of embedded systems and microcontrollers emphasizing on presentation of the microcontroller ADUC7026 and its peripherals. In addition, some basic programming functions are summarized and three basic applications of ADUC7026 of Analog Devices are presented. The third section focuses on analyzing methods of constructing digital devices for heartbeat monitoring with the use of capacitive electrodes. Constructive materials, features, efficiency in dealing with noise and a more general evaluation, are included in the analysis.The fourth section refers to a more advanced method of recording signals that has wireless function. The method of constructing wireless ECG recording devices and their usage are also analyzed here. In this section, microcontroller MSP430FG439 of Olimex is presented and there is a description about its use on ECG measurements.At the last section there is the programming code of MSP430 for ECG recording and a brief explanation of its function and purpose.

Mathematical models and simulation studies of the electrical function of the heart contribute significantly to better understanding and treatment of cardiac arrhythmias. Although great progress has been made in this area, particularly in single cell models, many problems related to macroscopic electrical behavior of the heart remain unsolved or require reevaluation as new experimental data appear. The scope of this thesis is the development of mathematical models of effects of heterogeneity and loss of channel function on electrocardiographic (ECG) signal and cardiac vulnerability. Our studies contribute to better arrhythmia understanding, prediction and prevention. In the first study theoretical body-surface potentials were computed from single, branching and tortuous strands of the Luo-Rudy model cells, representing different areas of an infarct scar. When action potential (AP) propagation either in longitudinal or transverse direction was slow (3-12 cm/s), the depolarization signals contained high-frequency (100- 300 Hz) oscillations. The frequencies were related to macroscopic propagation velocity and strand architecture by simple formulas. Next, we proposed a mathematical model of the QRS-complex that simulates unstable activation wavefront. It combines signals from different strands with small timing fluctuations relative to a large repetitive QRS-like waveform and can account for dynamic changes of real arrhythmogenic micropotentials. Variance spectrum of wavelet coefficients calculated from the composite QRS-complex contained the high frequencies of the individual abnormal signals. We concluded that slow AP propagation through fibrotic regions after myocardial infarction is a source of high-frequency arrhythmogenic components that increase beat-to-beat variability of the QRS, and wavelet variance parameters can be used for ventricular tachycardia risk assessment. xv In the second study we quantify the vulnerable period (VP) in heterogeneous models of ventricular wall and its modulation by loss of cardiac sodium channel function (NaLOF). According to several articles, NaLOF prolongs the VP and, therefore, increases risk of reentrant arrhythmias, but the studies used uniform models neglecting spatial variation of action potential duration (APD). Here, we introduce physiological transmural heterogeneity into one-dimensional cables of the Luo-Rudy model cells. We propose a generalized formula for the VP and describe new phenomena pertaining to the VP that are not present in homogeneous excitable media. We conclude that realistic models of cardiac vulnerability should take into account spatial variations of cellular refractoriness. It reveals several new qualitative and quantitative aspects of the VP and the modulation of the VP by NaLOF differs significantly in heterogeneous and homogeneous models. Finally we examine proarrhythmic potential of E-4031, a class III antiarrhythmic agent that blocks selectively rapid potassium current (IKr), during ischemia. Effective refractory periods (ERP) and action potential durations of the Luo-Rudy dynamic model cell were measured for normal and ischemic conditions, after IKr block and at different basic cycle lengths (BCL). Acute ischemia is introduced into the model by hyperkalemia, acidosis and anoxia. The IKr block caused reverse use-dependent prolongation of APD and ERP for normal and the ischemic conditions. Differences in APD and ERP between normal and acutely ischemic cells increased after the IKr block for all BCLs. We conclude that E-4031 has the potential to amplify electrophysiologic heterogeneity between normal and ischemic cardiac tissue that underlies some serious ventricular arrhythmias. This increased dispersion can cancel out the poor antiarrhythmic effect of AP and ERP prolongation at fast heart rates. / Τα µαθηµατικά µοντέλα και οι µελέτες εξοµοίωσης της ηλεκτρικής δραστηριότητας της καρδιάς συνεισφέρουν σηµαντικά στην καλύτερη κατανόηση και θεραπευτική αγωγή της καρδιακής αρρυθµίας. Παρόλο που έχει πραγµατοποιηθεί µεγάλη πρόοδος στον τοµέα αυτό, ειδικά σε µοντέλα µεµονωµένων κυττάρων, πολλά προβλήµατα που σχετίζονται µε την µακροσκοπική ηλεκτρική δραστηριότητα ακόµη παραµένουν άλυτα ή χρειάζονται επαναξιολόγηση καθώς νέα πειραµατικά δεδοµένα συνεχώς εµφανίζονται. Ο σκοπός αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη µαθηµατικών µοντέλων µελέτης των επιπτώσεων ετερογένειας και απώλειας της καναλικής λειτουργίας στο Ηλεκτροκαρδιογράφηµα (ΗΚΓ) και στην καρδιακή ευπάθεια. Οι µελέτες µας συνεισφέρουν στην καλύτερη κατανόηση, πρόβλεψη και πρόληψη της καρδιακής αρρυθµίας. Στην πρώτη µελέτη, υπολογίζονται θεωρητικά δυναµικά επιφανείας του σώµατος από µεµονωµένα, διακλαδωτά και µε ελικοειδή µορφή πλέγµατα των κύτταρων βασισµένα στο µοντέλο Luo-Rudy, τα οποία αντιπροσωπεύουν διαφορετικές περιοχές µε ουλή εµφράγµατος. Στις περιπτώσεις αργής µετάδοσης του δυναµικού δράσεως (∆∆) είτε κατά την διαµήκη ή εγκάρσια κατεύθυνση (3-12cm/s), τα σήµατα εκπόλωσης εµπεριείχαν ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας (100- 300Hz). Οι συχνότητες συσχετίστηκαν µε την µακροσκοπική ταχύτητα µετάδοσης και µε την αρχιτεκτονική του πλέγµατος µε τη χρήση απλών µοντέλων. Κατόπιν, προτείνουµε ένα µαθηµατικό µοντέλο για το σύµπλεγµα-QRS το οποίο εξοµοιώνει κυµατοµορφές διάδοσης µε µη σταθερή µορφή. Το µοντέλο συνδυάζει σήµατα από διαφορετικά πλέγµατα µε µικρές διακυµάνσεις σε σχέση προς µία µεγάλη επαναληπτική κυµατοµορφή τύπου QRS και µπορεί να λάβει υπόψη τις δυναµικές µεταβολές πραγµατικών µικρό-δυναµικών αρρυθµογενών περιοχών Το φάσµα των συντελεστών κυµατίου (wavelet) το οποίο υπολογίστηκε από το σύνθετο σύµπλεγµα-QRS, εµπεριείχε τις υψηλές συχνότητες από τα µεµονωµένα ανώµαλα σήµατα. Συµπεράναµε ότι η αργή µετάδοση του ∆∆ δια µέσου ινωµατωειδών περιοχών µετά από έµφραγµα µυοκαρδίου, αποτελεί πηγή αρρυθµογενικών συνιστωσών υψηλής συχνότητας, οι οποίες αυξάνουν την µεταβλητότητα από παλµό σε παλµό του συµπλέγµατος QRS, και οι παράµετρες µεταβλητότητας των συντελεστών κυµατίου µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την αποτίµηση της επικινδυνότητας κοιλιακής ταχυκαρδίας. ix Στην δεύτερη µελέτη, ποσοτικοποιούµε την περίοδο ευπάθειας (ΠΕ) σε ετερογενή µοντέλα του κοιλιακού τοιχώµατος και την διαµόρφωση του κατά την απώλεια λειτουργίας του καρδιακού καναλιού νατρίου (NaLOF). Σύµφωνα µε διάφορα επιστηµονικά άρθρα, το NaLOF επεκτείνει την ΠΕ και, εποµένως, αυξάνει την επικινδυνότητα επαναεισερχόµενων αρρυθµιών, αλλά οι µελέτες αυτές χρησιµοποίησαν οµοιογενή µοντέλα αγνοώντας την χωρική µεταβλητότητα της διάρκειας των δυναµικών δράσεως (∆∆). Σε αυτή την µελέτη, εισάγουµε την φυσιολογική διατοιχωµατική ετερογένεια σε µοντέλα κυττάρων Luo-Rudy τα οποία είναι διατεταγµένα σε αλυσίδες µίας διαστάσεως. Προτείνουµε ένα γενικό µοντέλο για την ΠΕ και περιγράφουµε νέα φαινόµενα που χαρακτηρίζουν την ΠΕ τα οποία δεν υπάρχουν στην περίπτωση οµογενούς διεγέρσιµου µέσου. Καταλήγουµε, ότι τα ρεαλιστικά µοντέλα της καρδιακής ευπάθειας θα πρέπει να λαµβάνουν υπόψη τις χωρικές µεταβολές της ανερέθιστης περίοδου. Αποκαλύπτονται νέες ποιοτικές και ποσοτικές όψεις της ΠΕ και η µεταβολή της ΠΕ από το NaLOF διαφέρει σηµαντικά σε οµογενή και ετερογενή µοντέλα. Τέλος, εξετάζουµε τη προαρρυθµική δράση του E-4031, που είναι ένα αντιαρρυθµικό φάρµακο οµάδας ΙΙΙ που µπλοκάρει επιλεκτικά του ταχέως ρεύµατος καλίου (IKr) κατά την ισχαιµία. Οι σχετικές ανερέθιστες περίοδοι (ΣΑΠ) και η διάρκεια των δυναµικών δράσεως του δυναµικού µοντέλου κυττάρων Luo-Rudy µετρήθηκαν για φυσιολογικές και ισχαιµικές συνθήκες, µετά από το µπλοκάρισµα του IKr και για διαφορετικά βασικά µήκη κύκλων (ΒΜΚ). Η περίπτωση οξείας ισχαιµίας εισήχθηκε στο µοντέλο µε υπερκαλιαιµία, οξέωση και ανοξαιµία. Το µπλοκ του IKr προκάλεσε αντίστροφη επιµήκυνση εξαρτώµενη από τη χρήση του ∆∆ και ΣΑΠ για φυσιολογικές και ισχαιµικές συνθήκες. Η διαφορές µεταξύ του ∆∆ και ΣΑΠ µεταξύ φυσιολογικού και µε οξεία ισχαιµία κυττάρων αυξήθηκαν µετά το µπλοκ του IKr για όλα τα BMK. Καταλήγουµε στο συµπέρασµα ότι το E-4031 έχει την δυνατότητα να ενισχύει την ηλεκτροφυσιολογική ετερογένεια µεταξύ του φυσιολογικού και του ισχαιµικού καρδιακού ιστού που αποτελεί την βασική εξήγηση µερικών σοβαρών κοιλιακών αρρυθµιών. Αυτή η αυξηµένη διασπορά µπορεί να ακυρώσει την φτωχή αντιαρρυθµιακή επίδραση της επιµήκυνσης του ∆∆ και ΣΑΠ σε αυξηµένους καρδιακούς ρυθµούς.

Κατά τις δύο τελευταίες δεκαετίες έχουν αναπτυχθεί ενσωματωμένα συστήματα λήψης σημάτων φυσιολογίας που είναι ελαφριά, μικρά και ικανά να καταγράφουν σύνθετα σήματα για περισσότερες από 48 ώρες. Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούνται στις μελέτες ηλεκτροκαρδιογραφίας (ECG) για να εντοπίζουν σποραδικές καρδιακές αρρυθμίες ή ανωμαλίες στην καρδιακή λειτουργία, που συχνά σχετίζονται με τις εντάσεις της καθημερινότητας. Σήμερα τα καρδιακά σήματα καταγράφονται σε κάρτες μνήμης και μπορούν εύκολα να μεταφερθούν για ανάλυση και επεξεργασία. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας, οι κατασκευαστές ιατρικού εξοπλισμού περιόρισαν δραστικά το μέγεθος και την κατανάλωση ενέργειας των συσκευών καταγραφής ΗΚΓ, έτσι ώστε αυτές να αποκτήσουν αυτονομία. Στην εργασία αυτή θα παρουσιαστεί ένα ενσωματωμένο σύστημα καταγραφής, αποθήκευσης και επεξεργασίας ηλεκτροκαρδιογραφικών σημάτων, ώστε να επιτυγχάνεται η παρακολούθηση των ζωτικών ενδείξεων ασθενών με αρρυθμίες και καρδιακή ανεπάρκεια Η εργασία αυτή χωρίζεται ουσιαστικά σε έξι τμήματα. Το πρώτο τμήμα ασχολείται με την φυσιολογία της καρδιάς, η οποία αποτελεί την πηγή του ηλεκτροκαρδιογραφήματος, καθώς και με την δομή ενός ηλεκτροκαρ-διογράφου και τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να το πάρουμε από τα διάφορα σημεία του ανθρώπινου σώματος. Τα επόμενα δύο τμήματα που ακολουθούν αφορούν την χρήση και τις δυνατότητες των ενσωματωμένων συστημάτων και μικροελεγκτών με έμφαση στην παρουσίαση του μικροελεγκτή (ADuC 7026) και των περιφερειακών του που θα χρησιμοποιηθούν για την υλοποίηση. Παράλληλα αναλύεται το περιβάλλον μVision της Keil το οποίο παρέχει τη δυνατότητα εξομοίωσης του μικροελεγκτή μας έχοντας στη διαθεσή μας μηδενικό υλικό. Το τρίτο τμήμα συνοψίζει κάποιες βασικές λειτουργίες προγραμματισμού και δυνατότητες που παρουσιάζει ο ADuC 7026 της Analog Devices. Το τέταρτο τμήμα ασχολείται με μεθόδους ψηφιακής επεξεργασίας σημάτων χαμηλής συχνότητας για την απομάκρυνση του θορύβου και την αύξηση της ευκρίνειας των αποτελεσμάτων. Τα δύο τελευταία τμήματα περιέχουν αναλυτικά τις μεθόδους επεξεργασίας που χρησιμοποιήθηκαν για τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή και παραθέτονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα. Για την υλοποίηση χρησιμοποιήθηκαν αρχικά προσεγγιστικά σήματα για τη μοντελοποίηση των πραγματικών σημάτων που προκύπτουν από την καρδιοαναπνευστική λειτουργία . Γίνεται τέλος με τη βοήθεια του matlab πλήρης αναδημιουργία του καρδιακού παλμού και εξάγονται τα κατάλληλα συμπεράσματα. Ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή έγινε σε γλώσσα προγραμματισμού C. / During the two last decades there have been developed embedded systems , for the receive of physiology signals. that are small light and able to record composite signals for more than 48 hours. These systems are used at research on electrocardiography(ECG) for the locating of sporadic cardiac arrhythmias,or abnormal heart function, often associated with the stresses of everyday life. Nowadays, cardiac signals recorded on memory cards and can easily be transferred for analysis and processing. Through the technological evolution, medical equipment manufacturers have reduced drastically the size and power consumption of the ECG recorders, so that they can be autonomous. At this thesis, an embedded system for recording, saving and processing ECG signals is presented. The main purpose is to achieve the monitoring of vital signs of patients with arrhythmias and heart failure. The thesis is divided into six sections. The first part deals with the physiology of the heart, which is the source of the electrocardiogram and the structure of an electrocardiograph and how we can get it from different parts of the human body. The next two sections below cover the use and potential of embedded systems and microcontrollers with an emphasis on presentation of the microcontroller (ADuC 7026) and its peripherals that will be used for implementation. At the same time explaining the μVision the Keil environment which enables us to emulate the microcontroller having at our disposal zero hardware. The third section summarizes some basic functions and programming possibilities presented by ADuC 7026 of Analog Devices. The fourth part deals with methods of digital signal processing of low frequency to remove noise and increase clarity of results. The last two sections contain detailed the processes used for programming the microcontroller and presents the corresponding results. During the implementation, initially approximated signals were used for modeling of real signals arising from cardiopulmonary function. Finally, using matlab we achieve a full reconstruction of the heart beat and drew the appropriate conclusions. The programming of the microcontroller has been done in C

Είναι γεγονός ότι το ηλεκτροκαρδιογράφημα είναι ένα πολύ καλά μελετημένο σήμα. Ειδικά τα τελευταία χρόνια, έχει προταθεί ένας μεγάλος αριθμός αλγορίθμων επεξεργασίας, συμπίεσης, αυτόματης διάγνωσης, φιλτραρίσματος, αποθορυβοποίησης και κωδικοποίησης. Σ’ αυτή τη διπλωματική εργασία, προτείνουμε ένα αποδοτικό αλγόριθμο κωδικοποίησης χωρίς απώλειες για δεδομένα από δωδεκακάναλλο ηλεκτροκαρδιογράφημα. Ο κωδικοποιητής υλοποιεί ένα πολυγραμμικό μοντέλο υψηλής απόδοσης, το οποίο είναι «ειδικευμένο στους ασθενείς», ενδοκαναλικής πρόβλεψη και εφαρμόζει το πρότυπο κωδικοποίησης MPEG-4 ALS για διακαναλική πρόβλεψη και κωδικοποίηση. Τα αποτελέσματα του αλγορίθμου συγκρίθηκαν με τεχνικές κωδικοποίησης εντροπίας χωρίς απώλειες και δείχνουν αύξηση της απόδοσης κωδικοποίησης. / The Electrocardiogram (ECG) is one of the most well studied medical signals. A large number of ECG processing algorithms have being proposed over the years covering the areas of ECG noise filtering, automated diagnostic interpretation and coding. In this master thesis, we propose a robust multi-channel ECG encoder architecture, which operates on 12-channel ECG data. The encoder utilizes highly efficient multi-linear patient specific models for inter-channel prediction and the MPEG-4 Audio Lossless Coding (ALS) architecture for intra-channel prediction and coding. The results of the algorithm show improved performance over standard encoding techniques.

Η διπλωματική εργασία με τίτλο «Μέθοδοι για Ανίχνευση και Χαρακτηρισμό Βιοσημάτων σε Θορυβώδεις Χρονοσειρές βασισμένοι στο Μετασχηματισμό Hilbert-Huang» μελετάει ζητήματα που σχετίζονται με βιοϊατρικά σήματα και την ανάλυση τους. Γίνεται διερεύνηση των διαθέσιμων τεχνικών και μεθόδων ανάλυσης βιοϊατρικών σημάτων, επισημαίνονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των χρονοσειρών που προκύπτουν από την παρατήρηση και καταγραφή των σημάτων και έμφαση δίνεται στη μη στασιμότητα, την μη γραμμικότητα των υποκείμενων φυσικών διεργασιών και την ανάγκη προσαρμοστικότητας της μεθόδου. Μια μέθοδος που ικανοποιεί αυτές τις απαιτήσεις είναι η εμπειρική μέθοδος αποσύνθεσης η οποία αναλύει ένα σήμα σε ένα σύνολο συνιστωσών (IMFs) από τις οποίες ένα υποσύνολο θεωρείται ότι έχει φυσική σημασία. Επιπλέον, με το μετασχηματισμό Hilbert ανιχνεύονται οι στιγμιαίες συχνότητες και διαμορφώνεται η χρονοσυχνοτική κατανομή του σήματος. Τα θέματα που διερευνώνται αναφορικά με την εμπειρική μέθοδο αποσύνθεσης αφορούν τη στατιστική σημαντικότητα των IMFs, την αποθορυβοποίηση βιοϊατρικών σημάτων, την εξαγωγή χαρακτηριστικών από ηλεκτροκαρδιογράφημα και την απόδοση της μεθόδου. Ειδικά η απόδοση της εμπειρικής μεθόδου αποσύνθεσης είναι κρίσιμη παράμετρος για συστήματα με περιορισμένους πόρους όπως είναι οι κόμβοι ασύρματων δικτύων αισθητήρων ή τα ενσωματωμένα συστήματα. Η μοντελοποίηση μεθόδων που υλοποιούνται στο επίπεδο κόμβων ασύρματου δικτύου αισθητήρων είναι απαραίτητη για τη βέλτιστη διαχείριση πόρων και τον προγραμματισμό διεργασιών ώστε να μην διαταραχθεί η λειτουργία και λειτουργικότητα του συστήματος / This diploma thesis entitled "Methods for Identification and Characterization of Biosignals in Noise corrupted Time Series based on Hilbert-Huang Transform " studies issues concerning biomedical signal analysis. There is a review of the available techniques and methods for biomedical signal analysis pointing at certain characteristics of biomedical time series such as non stationarity, the non linearity of the underlying physical process and the need for the adaptive nature of the analysis method. One method that meets these requirements is considered to be the Empirical Mode Decomposition (EMD) which decomposes a signal into a set of components (IMFs) that a subset of them is believed to have a physical meaning. Application of Hilbert Transform on these IMFs provides the instantaneous frequencies and forms the time-frequency distribution of the signal. Issues studied are related to the statistical significance of the IMFs, denoising of biomedical signals, characteristics extraction and feature selection out of the electrocardiogram as well as the performance of the method. Particularly, the performance of empirical mode decomposition is considered to be a critical parameter especially in the case of implementation on nodes of wireless sensor networks or generally embedded systems due to the limited amount of resources available onboard. Modeling method's performance and demand for resources is a significant task facilitating the optimum resource management and task execution schedule of these systems.

Electrocardiography (ECG) has been established as one of the most useful diagnostic tools in medicine and is critical in the management of various heart conditions. Automated or semi-automated ECG analysis algorithms are expected to play an important role in the utilization of the ECG data. The correct identification of the QRS complexes is a fundamental step in every ECG analysis method. A major problem that is often encountered in automatic QRS detection is the presence of artifacts in the ECG data, which cause considerable alterations to the signal. Some common filters can smooth the effect of the artifacts, however they cannot eliminate them due to their spectral frequency overlap with the signal components. In this thesis, the objective was to develop a method, based on Time-Frequency Analysis that would be able to automatically detect and remove artifacts in order to increase the reliability of automatic QRS detection. The ECG data used for this purpose was taken from the Physionet library and more specifically from the MIMIC II database. The data in this database was acquired from ICU patients and it contains various types of rhythms as well as artifacts. First, a Graphical User Interface (GUI) was developed in order to manually annotate ECG data and was used for creating the ground truth for testing the methods developed. The Time-Frequency Analysis method used for the analysis of the ECG data, was based on a time-varying Autoregressive (AR) model whose solutions were obtained using Burg’s method. Several factors that affect the effectiveness of the method were investigated in order to optimize the algorithm experimentally. The algorithm implemented performs three main functions: “Artifact Hypothesis Testing,” “Artifact Detection and Removal,” and “QRS Complex Detection.” The first step, “Artifact Hypothesis Testing,” examines whether the signal contains any artifact or not. This is performed with a correct classification rate of 95.56%. The second step was the “Artifact Detection and Removal,” which could detect and remove the artifact area with an accuracy of 95.60% based on each signal sample identified as artifact or not. The final step, the “QRS Complex Detection,” correctly identified 92% of QRS complexes (322 out of 335 annotated QRS complexes). Finally, the proposed method was compared with one of the most commonly used methods in ECG analysis, the Wavelet Transform Analysis (WTA). The two methods were tested on exactly the same dataset. The WTA resulted in an overall score of 65.3% mainly due to the large number of false positive detections in the regions of artifact. / Το ηλεκτροκαρδιογράφημα (ΗΚΓ) έχει καθιερωθεί ως ένα από τα πιο χρήσιμα εργαλεία διάγνωσης στην ιατρική και είναι πολύ σημαντικό στη διαχείριση καρδιαγγειακών παθήσεων. Αυτοματοποιημένοι ή ημι-αυτοματοποιημένοι αλγόριθμοι ανάλυσης του ΗΚΓ αναμένεται να έχουν σημαντικό ρόλο στη χρήση των δεδομένων του ΗΚΓ. Η σωστή αναγνώριση των συμπλεγμάτων QRS είναι βασικό βήμα σε κάθε μέθοδο ανάλυσης του ΗΚΓ. Ένα σημαντικό πρόβλημα που συχνά προκύπτει σε αυτόματη ανίχνευση QRS είναι η παρουσία των τεχνητών σφαλμάτων (artifacts) στα δεδομένα ΗΚΓ, τα οποία προκαλούν σημαντικές αλλαγές στο σήμα. Κάποια κοινά φίλτρα μπορούν να εξομαλύνουν τις επιπτώσεις των τεχνητών σφαλμάτων, ωστόσο δεν μπορούν να τα εξαλείψουν λόγω της μεγάλης επικάλυψης του φάσματος συχνοτήτων τους με αυτού των στοιχείων του σήματος. Στην παρούσα εργασία στόχος ήταν η ανάπτυξη μιας μεθόδου, βασισμένης στην Ανάλυση Χρόνου-Συχνότητας, που θα είναι σε θέση να εντοπίσει αυτόματα και να αφαιρεί τα τεχνητά σφάλματα, ώστε να έχουμε μια πιο αξιόπιστη μέθοδο αυτόματης ανίχνευσης των QRS. Τα δεδομένα ΗΚΓ που χρησιμοποιήθηκαν για το σκοπό αυτό λήφθηκαν από τη βιβλιοθήκη Physionet και πιο συγκεκριμένα από τη βάση δεδομένων MIMIC II. Τα δεδομένα σε αυτή τη βάση δεδομένων προέρχονται από ασθενείς της Μονάδας Εντατικής Θεραπείας, και ως εκ τούτου, περιέχουν διάφορα είδη ρυθμών αλλά και τεχνητών σφαλμάτων. Αρχικά, ένα Γραφικό Περιβάλλον Χρήστη (GUI), σχεδιάστηκε για τη χειροκίνητη σηματοδότηση των διάφορων περιοχών ΗΚΓ σημάτων και χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία των αληθών αποτελεσμάτων για δοκιμή της μεθόδου. H Ανάλυση Χρόνου-Συχνότητας έγινε με τη χρήση ενός χρονικά μεταβαλλόμενου Αυτοπαλινδρομικού (AR) μοντέλου οι λύσεις του οποίου βρέθηκαν με τη μέθοδο Burg. Ακολούθησε η διερεύνηση διαφόρων παραγόντων που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της μεθόδου, προκειμένου να βελτιστοποιηθεί πειραματικά η μέθοδος. Ο αλγόριθμος που υλοποιήθηκε εκτελεί τρεις βασικές λειτουργίες: “Artifact Hypothesis Testing,” “Artifact Detection and Removal” και “QRS Complex Detection.” Κατ’ αρχήν, το βήμα "Artifact Hypothesis Testing" εξετάζει αν το σήμα περιέχει τεχνητό σφάλμα ή όχι, με το ποσοστό σωστής ταξινόμησης να ανέρχεται στο 95.56%. Το δεύτερο βήμα, η ανίχνευση και αφαίρεση της περιοχής του τεχνητού σφάλματος, έγινε με ακρίβεια 95.60% με βάση το πόσα σημεία του σήματος αναγνωρίστηκαν ως τεχνητό σφάλμα ή όχι. Τέλος, το συνολικό ποσοστό ορθής ανίχνευσης των συμπλεγμάτων QRS ήταν 92% (322 από τα 335 QRS που επισημάνθηκαν χειροκίνητα). Τέλος, έγινε μια σύγκριση μεταξύ της προτεινόμενης μεθόδου και μιας μεθόδου ανάλυσης ΗΚΓ που χρησιμοποιείται πολύ συχνά, της ανάλυσης με Μετασχηματισμό Wavelet (WTA). Οι δύο μέθοδοι δοκιμάστηκαν στα ίδια ακριβώς δεδομένα. Η ορθή ανίχνευση των συμπλεγμάτων QRS με τη μέθοδο WTA ήταν 65.3% κυρίως λόγω του μεγάλου αριθμού ψευδώς θετικών αποτελεσμάτων στις περιοχές των τεχνητών σφαλμάτων.

The spectral analysis of heart rate variability is a tool that gained more and more clinical importance in the latest years. It can be used in order to access autonomic function on the cardiovascular system through the evaluation of the different frequency bands of the HRV. So far different mathematical approaches have been used towards this aim, often with contradictory results. Therefore, the need for standardization of the methods seems more and more important. In this thesis 2 non-parametric, Fourier-based methods and two parametric based on autoregressive modeling were used in order to extract the power spectral density of patients with epilepsy. Their results were statistically compared to age matched controls. The analysis have shown that when a parametric method is used, a careful model order selection method must be used, and when this is accomplished, the power spectrum could more efficient highlight differences between controls and patients. The results between non-parametric and parametric methods were different, therefore these methods cannot be considered interchangeable. The analysis methodolgy established in this first part of the study has been used to analyse HRV signals from patients before and after deep brain stimulation. / Η φασματική ανάλυση της Μεταβλητότητας της Καρδιακής Συχνότητας (ΜΚΣ) χρησιμοποείται όλο και περισσότερο σε κλινικές μελέτες τα τελευταία χρόνια. Και αυτό γιατί μπορεί να δώσει πληροφορίες σχετικά με την λειτουργία του αυτόνομου νευρικού συστήματος πάνω στην καρδιά αναλύοντας το συχνοτικό περιεχόμενο των ΜΚΣ σημάτων σε διακριτές ζώνες συχνοτήτων. Μέχρι τώρα διαφορετικές μαθηματικές μέθοδοι έδωσαν διαφορετικά, συχνα αντικρουόμενα αποτελέσματα. Έτσι η ανάγκη λεπτομερής περιγραφής των μεθόδων φαίνεται όλο και περισσοτερο επιτακτική. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, δυο μη παραμετρικές μέθοδοι και δύο παραμετρικές βασισμένες σε μοντέλα αυτοπαλινδρόμησης (autoregressive modeling) εφαρμόστηκαν προκειμένου να υπολογιστεί το φάσμα ασθενών με χρόνια επιληψία. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με υγιείς εθελοντές ίδιου ηλικιακού προφίλ. Η ανάλυση έδειξε ότι όταν χρησιμοποιουνται παραμετρικές μέθοδοι, η επιλογή της τάξης του μοντέλου πρέπει να γίνεται με προσοχή και όταν αυτό γίνει, το φάσμα μπορεί να αναδείξει πιο αποτελεσματικά διαφορές μεταξύ ασθενών και υγειών εθελοντών. Τα αποτελέσματα μεταξύ παραμετρικών και μη παραμετρικών μεθόδων αποδείχθηκαν διαφορετικα, και κατά συνέπεια οι δύο αυτές κατηγορίες ανάλυσης δεν μπορούν να θεωρηθούν ίδιες. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στο πρώτο αυτό μέρος της εργασίας χρησιμοποιήθηκε για να αναλύσει σήματα ΜΚΣ από ασθενείς με Πάρκινσον πριν και μετά εν τω βάθει ερεθισμό (Deep brain simulation).