- / -

Η επεξεργασία του εγκεφαλογραφικού σήματος με τη χρήση νέων υπολογιστικών τεχνικών δίνει τεράστια ώθηση στη μελέτη νευροφυσιολογικών ερωτημάτων. Η χρήση αυτών των μεθόδων από ερευνητές με ελάχιστες γνώσεις προγραμματισμού απαιτεί την ανάπτυξη ενός εύχρηστου γραφικού περιβάλλοντος που να περιλαμβάνει εργαλεία για την αυτοματοποιημένη εφαρμογή των υπολογιστικών τεχνικών. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται το γραφικό περιβάλλον που αναπτύχθηκε στη Μονάδα Νευροφυσιολογίας στο Εργαστήριο Φυσιολογίας της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών για την υποστήριξη των εγκεφαλογραφικών μελετών. Επεξηγούνται οι δυσκολίες της επεξεργασίας εγκεφαλογραφικού σήματος, οι λόγοι που καθιστούν τη χρήση ήδη υπαρχόντων εργαλείων αδύνατη ή ασύμφορη και δικαιολογείται η επιλογή της πλατφόρμας του MATLAB για την ανάπτυξη του περιβάλλοντος. Δίνεται αναλυτικά η πορεία υλοποίησης του προγράμματος και οι οδηγίες χρήσης του. Το περιβάλλον περιλαμβάνει μεθόδους για εισαγωγή δεδομένων από το πρόγραμμα καταγραφής Neuroscan, επιλογή τμημάτων για επεξεργασία, απεικονίσεις στα πεδία του χρόνου, του χώρου και της συχνότητας, εφαρμογή φίλτρων, ανάλυση προκλητών δυναμικών με παρουσίαση μέσης κυματομορφής και μέσου φασματογραφήματος, δημιουργία εικονικών καναλιών και συνεργασία με άλλα προγράμματα όπως τη χρήση της μεθόδου ανάλυσης ανεξαρτήτων συνιστωσών του EEGLAB. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τη χρήση του προγράμματος σε δυο μελέτες του εργαστηρίου. Καταρχάς, σε φυσιολογικό ύπνο για τη μελέτη της σχέσης δυο κυματομορφών του δεύτερου σταδίου του ύπνου, των συμπλεγμάτων Κ και των ατράκτων του ύπνου, όπου διαπιστώθηκε ότι η εμφάνιση του συμπλέγματος Κ επηρεάζει τη συχνότητα των ατράκτων όταν συμπίπτουν χρονικά. Έπειτα, σε παθολογικό ύπνο για τη διερεύνηση μεταβολών του θαλαμοφλοιικού κυκλώματος και των ατράκτων του ύπνου σε ένα παιδί με ιστορικό επιληψίας αφαιρέσεων παιδικής ηλικίας. Σε αυτή την περίπτωση διαπιστώθηκε η ύπαρξη ενός ρυθμού με χαρακτηριστικά παρόμοια των ατράκτων του ύπνου, αλλά σε διαφορετική συχνότητα, ενώ παράλληλα, σημαντικά μειωμένη ήταν η εμφάνιση φυσιολογικών ατράκτων. Τέλος, αναδεικνύονται τα πλεονεκτήματα της χρήσης του περιβάλλοντος και συζητείται η εκπλήρωση των στόχων και αναγκών του εργαστηρίου μέσα από το πρόγραμμα καθώς και οι πιθανές μελλοντικές επεκτάσεις. / The use of novel computational techniques in the analysis of encephalographic signals has given a huge boost to the study of neurophysiological questions. The use of such methods by researchers who have little knowledge of computer programming requires the development of a user-friendly graphical interface that includes tools for the automated application of these computational techniques. The present work presents the graphical interface developed at the Neurophysiology Unit of the University of Patras' Medical School for the support of EEG studies. The difficulties of the processing of EEG signals and the reasons that render the use of existing tools impossible or unfit are explained and I justify the choice of the MATLAB platform for the development of the environment. The course of the realization of the program and directions for its use are given in detail. The environment includes methods that import data from the Neuroscan recording system, select portions for processing, plot data over time, space and frequency, apply filters, analyze event-related potentials using average waveform and average spectrogram views, create virtual channels and cooperate with other programs, like using EEGLAB's technique of independent component analysis. The results of using the program in two laboratory studies are presented. First, it helped analyze normal sleep data, for the study of the relationship between two graphoelements of the second NREM sleep stage, the K complex and the sleep spindle. It was shown that the occurrence of a K complex affects the frequency of a spindle when they coincide. Next, in abnormal sleep data, for the study of possible changes of the thalamocortical pathway and sleep spindles on a child with medical history of childhood absence. In this case, the appearance of a rhythmic wave with attributes similar of a sleep spindle but different frequency of oscillation was shown, while at the same time, the incidence of normal spindles was significantly lower. Finally, the advantages of using this environment are shown and the fulfillment of the lab's goals and needs by the program, as well as possible future expansions, are discussed.

Η Ηλεκτροεγκεφαλογραφία (ΗΕΓ) και η Μαγνητοεγκεφαλογραφία (ΜΕΓ) αποτελούν δύο από τις πλέον ευρέως χρησιμοποιούμενες μη επεμβατικές μεθόδους μελέτης της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου, κατά τις οποίες καταγράφονται εξωτερικά του κρανίου, το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο, που οφείλονται στη διέργεση εγκεφαλικών νευρώνων. Oι κύριες βιοηλεκτρικές πηγές των πεδίων που καταγράφονται σ’ αυτά, είναι ομάδες νευρώνων, που προτυποποιούνται με ένα ηλεκτρικό δίπολο. Αρχικά επιλέγεται το πλέον ρεαλιστικό πρότυπο των τριών φλοιών. Δηλαδή ως αγωγός θεωρείται ολόκληρο το κρανίο, συμπεριλαμβανομένου του δέρματος, των κρανιακών οστών, του εγκεφαλονωτιαίου υγρού και του εγκεφαλικού ιστού – περιοχές διαφορετικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας – και υπολογίζεται το ηλεκτρικό δυναμικό και το μαγνητικό πεδίο, επιλύεται δηλαδή τόσο το ευθύ πρόβλημα ΗΕΓ, όσο και το αντίστοιχο ΜΕΓ, στη σφαιρική και στην ελλειψοειδή γεωμετρία. Το δεύτερο πρότυπο αφορά στην επίλυση του ευθέος προβλήματος ΗΕΓ για την περίπτωση όπου ο εγκεφαλικός ιστός θεωρηθεί ως ένα σφαιρικός αγωγός, στο εσωτερικό του οποίου βρίσκεται είτε ομόκεντρα μια σφαιρική περιοχή υγρού, οπότε χρησιμοποιείται για την επίλυση το σφαιρικό σύστημα συντεταγμένων, είτε έκκεντρα, οπότε χρησιμοποιείται αντίστοιχα το δισφαιρικό. Τέλος, ως αγωγός θεωρείται μια ομογενής σφαίρα, περίπτωση όπου η ακριβής και πλήρης αναλυτική λύση για το πρόβλημα του Βιομαγνητισμού είναι γνωστή. Η συνεισφορά όμως της διατριβής για το πρότυπο αυτό είναι στη δημιουργία χρήσιμων εργαλείων για την μετατροπή των αναπτυγμάτων των λύσεων σε σειρές, στις αντίστοιχες κλειστές μορφές μέσω της άθροισης των σειρών, καθώς και στην εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με το αντίστροφο πρόβλημα ΗΕΓ, τα οποία προκύπτουν από τη γραφική επεξεργασία της κλειστής λύσης του ηλεκτρικού δυναμικού, όπως αυτή προέκυψε από τη μέθοδο των ειδώλων. / Electroenchephalography (EEG) and Magnetoenchephalophy (MEG) are common non invansive methods for studying the function of the human brain. Considering that the data of the generated electric potential (Electroencephalogram) and the magnetic field (Magnetoenchephalogram), takes place on or in the surrounding the head, the entire head, including the skin, the bones, the cerebrospinal fluid and the cerebral, regions which are characterizing by different electric conductivity are including. For this model, the direct Bioelectromagnetism problem is solved in both spherical and ellipsoidal geometry. Specifically, the leading terms of the electric potential in the exterior of the conductor and everywhere in the interior, as well as the leading quadrupolic term of the multipole expansion of the exterior magnetic induction field in the ellipsoidal geometry, are obtained. The reduction of the the ellipsoidal results to the corresponding spherical case, which has brought up useful conclusions concerning these two geometrical models, is also presented. The direct EEG problem is described, for the case where the entire cerebral is considered as a spherical conductor, which surrounds a fluid spherical region of different conductivity. When the two spherical regions are concentric, the problem is solved with the spherical geometry, but when these are eccentric the problem is solved with the bispherical geometry. Finally, the exact and complete analytic solution for the forward EEG problem is produced by the Image Theory for the homogeneous spherical conductor and is elaborated graphically. In particular, some electric potential distributions are produced on the surface of the spherical brain, where the equipotential curves are represented by circles. Considering these distributions, a parametric analysis of the position and the orientation o the moment dipole is accomplished for the current dipole that has considered in this thesis. Consequently, when the source is near the surface, the orientation of the moment is directed vertically to the zero equipotential circle to the increase potential, since the position vector of the source tends to become vertical to the maximum equipotential curves. The existence of special position and orientation of the source, for which the contribution in the external magnetic field is zero - and for the spherical case, where the position and the orientation of the sources are parallel - corresponds to parallel equipotential curves.