Στην διπλωματική εργασία αυτή παρουσιάζεται ένα μικρό σύστημα εντατικής παρακολούθησης. Παρουσιάζεται πλήρως η κατασκευή ενός οξύμετρου παλμού από πλευράς hardware και software αφού αυτό είναι συνδεδεμένο σε έναν κεντρικό υπολογιστή. Στο τέλος πήραμε μερικά δείγματα από άτομα εθελοντές για να δείξουμε πως λειτουργεί αυτό που έχει κατασκευαστεί. Επίσης παρουσιάζεται μια καινοτόμος ιδέα για την αντιμετώπιση του προβλήματος της υπνικής άπνοιας, που αφορά όχι τόσο πολύ στο θέμα πρόληψη, αλλά στην αντιμετώπιση δύσκολων, ακραίων καταστάσεων. / The current thesis presents a patient’s monitoring system for emergency rooms. It fully presents the construction of a pulse oximeter, including software and hardware development, which is connected to a server computer. Finally, some samples were taken from various volunteers to show how the pulse oximeter works. Also, the thesis presents an innovative idea for the problem of sleep apnea, for dealing critical situations.

Στόχος της παρούσας εργασίας αποτελεί η έγκαιρη πρόβλεψη οξυαιμίας βασιζόμενη στην ανάλυση των πολύ χαμηλής συχνότητας συστατικών του εμβρυϊκού καρδιακού ρυθμού και των καταγραφών της εμβρυϊκής παλμικής οξυμετρίας (FSpO2) κατά τη διάρκεια του τοκετού. Για τη φασματική ανάλυση έγινε εφαρμογή του συνεχούς μετασχηματισμού κυματιδίων (CWT). Για την ανάλυση των καταγραφών του FSpO2 υπολογίστηκε το ποσοστό του συνολικού χρόνου όπου ο FSpO2 είναι κάτω του ορίου 30% (TFSpO2<30%). Όπως αποδείχθηκε τόσο από την εφαρμογή του CWT, όσο και από την παράμετρο TFSpO2<30%, οι κυματισμοί του εμβρυϊκού καρδιακού ρυθμού στην περιοχή συχνοτήτων του 0.01 Hz, παρουσιάζουν ικανοποιητική ευαισθησία (80% and 90%, αντίστοιχα) για την έγκαιρη πρόβλεψη οξυαιμίας, ενώ ο συνδυασμός τους παρουσιάζει υψηλή προσδιοριστικότητα (89%). Τα αποτελέσματα της ανάλυσης των δεδομένων όπως προκύπτουν από την ανάλυση του εμβρυϊκού καρδιακού ρυθμού – μέσω εφαρμογής του CWT – και των καταγραφών της εμβρυϊκής παλμικής οξυμετρίας δύναται να αποτελέσουν μια επιπρόσθετη πηγή πληροφορίας όσον αφορά την κατάσταση του εμβρύου βοηθώντας ταυτοχρόνως τον γυναικολόγο στην απόφαση για το χρόνο και τον τρόπο διεξαγωγής του τοκετού. / The objective of the present study is the prediction of fetal acidemia based on the Very Low Frequency (VLF) components of the Fetal Heart Rate (FHR) and Fetal Pulse Oximetry (FSpO2) recordings during labor. In order to perform the spectral analysis, we applied the Continuous Wavelet Transform (CWT). The evaluation of FSpO2 was based on calculating the time duration in which the FSpO2 was less than 30% (TFSpO2<30%). We demonstrate that the oscillating activity of the FHR of about 0.01 Hz identified by the CWT and the TFSpO2<30% parameter, show an adequate sensitivity (80% and 90%, respectively) in predicting fetal acidemia, whereas the combination of these two variables shows a very good specificity (89%). The results of the analysis of our data demonstrate that the analysis of the fetal heart rate by the CWT and the fetal pulse oximetry recordings may provide additional source of information about fetal status and to alert the clinician to decide under objective conditions when and how to perform the delivery.

Τα τελευταία χρόνια τόσο σε διεθνές όσο και σε εθνικό επίπεδο έχει δοθεί βαρύτητα στην ανίχνευση της εμβρυϊκής υποξίας κατά τη διάρκεια της κύησης και του τοκετού, καθώς είναι σαφής η άμεση συσχέτισή της με βραχυπρόθεσμες και απώτερες επιπλοκές του νεογνού. Η επιτυχής έκβαση ενός τοκετού εξαρτάται κυρίως από τον έγκαιρο εντοπισμό της δημιουργίας της εμβρυϊκής υποξίας και η ανάγκη για την υλοποίηση υπολογιστικών συστημάτων για την έγκαιρη διάγνωσή της είναι συνεχής και αυξανόμενη. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ένα πρωτότυπο σύστημα διάγνωσης της πρόωρης οξέωσης του εμβρύου κατά τη διάρκεια του τοκετού, το οποίο βασίστηκε στην επεξεργασία του εμβρυϊκού καρδιακού ρυθμού και στην ανάλυση της εμβρυϊκής παλμικής οξυμετρίας. Στόχος του συγκεκριμένου συστήματος είναι να αποτελέσει ένα βοηθητικό σύστημα διάγνωσης της εμβρυϊκής υποξίας και να συμβάλει στη λήψη αποφάσεων σχετικά με το χρόνο αποπεράτωσης του τοκετού, με σκοπό την πρόληψη άμεσων και απώτερων σοβαρών νεογνικών επιπλοκών. Ειδικότερα, η υλοποίηση του προτεινόμενου συστήματος βασίστηκε στην εφαρμογή του συνεχούς μετασχηματισμού κυματιδίων και της προσαρμοστικής προσέγγισης με τη χρήση του αλγορίθμου matching pursuit για την ανάδειξη της «κρυμμένης» πληροφορίας που μεταφέρει ο εμβρυϊκός καρδιακός ρυθμός στις πολύ χαμηλές συχνότητες. Συνδυάζοντας τα αποτελέσματα των παραπάνω τεχνικών επεξεργασίας, και ιδιαίτερα του αλγορίθμου matching pursuit, με τον προσδιορισμό του συνολικού χρόνου χαμηλού κορεσμού του αρτηριακού εμβρυϊκού αίματος, υλοποιήθηκε, με τη χρήση ενός διαμεριστικού αλγορίθμου, το προτεινόμενο σύστημα. Η ανάπτυξη αυτού του συστήματος αποτελεί μια καινοτόμα και πολλά υποσχόμενη προσέγγιση στην προσπάθεια της διάγνωσης της εμβρυϊκής υποξίας δεδομένου ότι παρουσιάζει υψηλή ειδικότητα και θετική προγνωστική αξία συμβάλοντας στην επίλυση του σοβαρότερου μειονεκτήματος της κλασσικής καρδιοτοκογραφίας που είναι η χαμηλή τιμή των αντίστοιχων προγνωστικών δεικτών. / In the last few years the research community has given great attention to the detection of antepartum and intrapartum fetal hypoxia, given its direct impact on both short- and long-term neonatal morbidity and mortality. The successful completion of labor depends mainly on the prompt identification of fetal hypoxia. The development of computational systems for the early diagnosis of restricted fetal oxygen supply is therefore of critical importance. This thesis involves the design and development of an innovative system for the early detection of acidosis, which was based on the fetal heart rate processing and fetal pulse oximetry analysis. The aim of the system is to comprise a computer-aided diagnostic system of fetal hypoxia and to contribute to the decision making regarding the labor completion time, in order to prevent short- and long-term neonatal complications. Specifically, the development of the system was based on the implementation of continuous wavelet transform and adaptive approximation using the matching pursuit algorithm, in order to reveal the “hidden” information conveyed in the very low frequency range of the fetal heart rate. The system involves the combination of the results of the above-mentioned processing techniques, and especially of the matching pursuit algorithm, along with the calculation of the duration of fetal arterial low oxygen saturation, applying a commonly used clustering algorithm. The proposed system is an innovative and promising approach towards the early diagnosis of fetal hypoxia, given its high specificity and positive predictive value, thus effectively addressing the major drawback of clinical cardiotocography.

Τα τελευταία χρόνια, οι μη επεμβατικές μέθοδοι διάγνωσης αλλά και θεραπείας κερδίζουν συνεχώς έδαφος έναντι των παραδοσιακών επεμβατικών μεθόδων. Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η μελέτη της μετάδοσης του φωτός μέσα στο ανθρώπινο δέρμα και κυρίως η μελέτη της απορρόφησης που υφίσταται από αυτό, με σκοπό την μέτρηση βιολογικών συντελεστών, όπως οι συγκεντρώσεις κάποιων ουσιών στον οργανισμό, ο υπολογισμός των οποίων μπορεί να οδηγήσει σε χρήσιμα διαγνωστικά συμπεράσματα. Επίσης, αναλύεται η μέθοδος της παλμικής οξυμετρίας, που χρησιμοποιείται ευρύτατα για την παρακολούθηση του αρτηριακού κορεσμού οξυγόνου και του καρδιακού παλμού. Μετρώντας την απορρόφηση του φωτός σε δύο διαφορετικά μήκη κύματος, ένα στο ερυθρό (660 nm) και ένα στο εγγύς υπέρυθρο (940 nm), και απομονώνοντας το μεταβαλλόμενο μέρος αυτής, που οφείλεται στις διακυμάνσεις στον όγκο του αρτηριακού αίματος, μπορούμε να υπολογίσουμε με τη χρήση του νόμου των Beer-Lambert τον κορεσμό του αίματος σε οξυγόνο μέσω του υπολογισμού των συγκεντρώσεων του σε μειωμένη αιμογλοβίνη και σε οξυαιμογλοβίνη. Τέλος, περιγράφεται η υλοποίηση της μεθόδου και ο σχεδιασμός ενός παλμικού οξυμέτρου ενός chip με τη χρήση του μικροεπεξεργαστή MSP430. / Over recent years, non-invasive methods of diagnosis and treatment are gaining ground against the traditional invasive methods. In this thesis, an integrated review of the transfer of optical radiation into human skin and primarily light absorption through human skin is presented, aiming at measuring biological information, such as concentrations of certain substances in the human body, whose calculation can lead to useful diagnostic conclusions. The method of Pulse Oximetry, which is widely used for monitoring arterial oxygen saturation and heart rate of a patient, is also presented. By measuring the absorption of light at two different wavelengths, one red (660 nm) and one near-infrared (940 nm), and isolating its AC component, which is a result of the variations in the volume of arterial blood, we can calculate the oxygen saturation using the Beer-Lambert law, by estimating the concentrations of oxyhemoglobin and reduced hemoglobin. Moreover, the implementation of a single chip portable pulse oximeter using the ultra low power capability of the MSP430 is demonstrated.