Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η παρουσίαση σύγχρονων μεθόδων μελέτης των διεγχειρητικών προκλητών δυναμικών και η χρήση των μεθόδων αυτών για την ανάλυση σημάτων που προέρχονται από πραγματικές μετρήσεις κατά τη διάρκεια εγχειρήσεων στη σπονδυλική στήλη. Πριν όμως παρουσιαστούν οι μέθοδοι αυτές, είναι χρήσιμη μια γενική αναφορά στην έννοια της διεγχειρητικής παρακολούθησης, των προκλητών δυναμικών και στη χρήση των τελευταίων για την παρακολούθηση της κατάστασης του ασθενή κατά τη διάρκεια μιας εγχείρησης. Οι έννοιες αυτές αποτελούν τη βάση του παρόντος κεφαλαίου. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 2 αναλύονται οι σύγχρονες μέθοδοι ανάλυσης των προκλητών δυναμικών και ολοκληρώνεται κατ’αυτό τον τρόπο το θεωρητικό υπόβαθρο στο οποίο στηρίζεται η παρούσα εργασία. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η εφαρμογή MATLAB η οποία υλοποιήθηκε για την ανάλυση των προκλητών δυναμικών. Η εφαρμογή δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να «φορτώσει» ένα σήμα, να εξάγει κάποια χαρακτηριστικά του χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικούς τρόπους ανάλυσης και στη συνέχεια να αποθηκεύσει τα αποτελέσματα σε tab-delimited αρχεία κειμένου. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από την επεξεργασία των σημάτων που είχαμε στη διάθεσή μας. Τα σήματα αφορούσαν μετρήσεις σε διαφορετικούς ασθενείς κατά τη διάρκεια εγχειρήσεων ιππουρίδας και το αποτέλεσμα της εγχείρησης ήταν γνωστό (πρόκληση ή μη βλάβης σε μία ή και στις δύο πλευρές του σώματος). Στόχος του κεφαλαίου είναι να κάνει μια πρώτη παράθεση των αποτελεσμάτων και να διευκολύνει την εξαγωγή συμπερασμάτων όσον αφορά στην ακρίβεια των μεθόδων. Στο κεφάλαιο 5 ακολουθεί μια συζήτηση που στόχο έχει να συνοψίσει τα βασικά στοιχεία των αποτελεσμάτων ενώ τέλος στο κεφάλαιο 6 παρατίθενται τα συμπεράσματα της εργασίας. Μετά τα συμπεράσματα ακολουθεί το παράρτημα Α στο οποίο εμφανίζονται σε πίνακες των αποτελεσμάτων που προέκυψαν για τα διαθέσιμα σήματα εκτελώντας ανάλυση στο πεδίο του χρόνου, στο πεδίο της συχνότητας και στο πεδίο χρόνου- συχνότητας. / -

Το αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η μελέτη των στελεχιαίων ακουστικών προκλητών δυναμικών σε παιδιά με μαθησιακές δυσκολίες. Στόχος είναι η εξέταση και η σύγκριση τυχόν διαφορών ως προς το χρόνο έλευσης των κυμάτων στον εγκέφαλο μετά το ερέθισμα click και ως προς το αν οι λανθάνοντες χρόνοι ήταν μέσα στα φυσιολογικά επίπεδα μεταξύ των παιδιών με μαθησιακές δυσκολίες και των φυσιολογικών παιδιών (χωρίς μαθησιακές δυσκολίες). Το δείγμα μας αποτελείται από 20 παιδιά ηλικίας από 7 εως 14 ετών. Τα δέκα από αυτά είναι παιδιά με μαθησιακές δυσκολίες επίσημα διαγνωσμένα από τον κρατικό φορέα Κ.Δ.Α.Υ. ενώ τα υπόλοιπα αποτελούν το συγκριτικό δείγμα της μελέτης. Τα κύματα που εξετάσαμε ήταν το I-II-III-IV-V καθώς και οι διαφορές τους III-I, V-III, V-I. Επιπλέον, εκτός από το χρόνο έλευσης αυτών των κυμάτων εξετάσαμε και το αν οι χρόνοι αυτοί ήταν μέσα στα φυσιολογικά πλαίσια. Συμπερασματικά αναφέρω, πως σύμφωνα με τον έλεγχο των μηδενικών υποθέσεων που έγινε με τη στατιστική δοκιμασία Student’s t-test, η μέση τιμή του χρόνου που απαιτείται για την έλευση των κυμάτων στα φυσιολογικά παιδιά είναι ίση με την αντίστοιχη μέση τιμή των παιδιών με μαθησιακές δυσκολίες.Επίσης, η μέση τιμή των χρονικών διαφορών έλευσης των κυμάτων στα φυσιολογικά παιδιά είναι ίση με την αντίστοιχη μέση τιμή των παιδιών με μαθησιακές δυσκολίες. Για κάθε ένα από τα κύματα I-V αλλά και για τις αντίστοιχες διαφορές τους ελέγχθηκαν μηδενικές υποθέσεις του τύπου «Η παρατήρηση παθολογικών λανθανόντων χρόνων είναι ανεξάρτητη της ύπαρξης μαθησιακών δυσκολιών». Από αυτή τη μελέτη βρέθηκε το εξής σημαντικό, πως το 50% των παιδιών μεμαθησιακές δυσκολίες παρουσίασαν εκτός φυσιολογικών ορίων χρόνους για το κύμα II στο αριστερό αυτί. Παρατηρήθηκε δηλ. στατιστικώς σημαντική διαφορά στο χρόνο έλευσης του κύματος II στο δεξί αυτί (R-tII) στα παιδιά με μαθησιακές δυσκολίες έναντι των υπολοίπων (p=0,026). Ο έλεγχος της μηδενικής υπόθεσης έγινε με τη στατιστική δοκιμασία Fisher’s exact test. Τα στελεχιαία ακουστικά προκλητά δυναμικά εγκεφαλικού στελέχους, όντας εύκολα στη χορήγηση, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως ένα άμεσο και εύκολο διαγνωστικό εργαλείο για τα παιδιά με μαθησιακές δυσκολίες, έτσι ώστε να αρχίσει η λογοθεραπευτική παρέμβαση και αποκατάσταση των προβλημάτων από μικρή ηλικία. / The object of this work is the study of auditory evoked potential in children with learning disorders. Our aim is to examine and compare any differences in the time of arrival of waves in the brain after the stimulus click and as to whether the latent period was within the normal levels among children with learning disabilities and normal children (without learning difficulties).

Τα τελευταία χρόνια, το πρόβλημα της απόκτησης και χρήσης ενός συστήματος ηλεκτροεγκεφαλογραφίας λόγω του υψηλού κόστους του έχει υπερπηδηθεί με την κυκλοφορία πολλών εναλλακτικών συστημάτων λιγότερων δαπανηρών. Το πιο εξελιγμένο από αυτά του μικρού κόστους συστήματα είναι το Emotiv Epoc. Ένα επιπλέον πλεονέκτημα του Emotiv Epoc έναντι των συμβατικών συστημάτων ηλεκτροεγκεφαλογραφίας αποτελεί το γεγονός ότι είναι ασύρματο. Το γεγονός αυτό ανοίγει καινοτόμες οδούς στο πεδίο το νευροεπιστημών αφού δύναται η εκτέλεση πειραμάτων ευρέων εφαρμογών όπως π.χ. λήψη ηλεκτροεγκεφαλικών μετρήσεων εν κινήσει. Μια τέτοια εφαρμογή μπορεί επίσης να αποτελεί και η εκτέλεση πειραμάτων σε μικρά παιδιά στα οποία η καλωδίωση μπορεί να καταστεί πολύ δύσκολη. Με βάση λοιπόν τα παραπάνω, ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε παιδία για έγκαιρη διάγνωση της δυσλεξίας η οποία κρίνεται επιβεβλημένη σε πολύ μικρές ηλικίες .Μειονέκτημα όμως ενός τέτοιου ασύρματου συστήματος θα μπορούσε να υποθέσει κανείς ότι είναι η αυξημένη παρουσία θορύβου. Ο θόρυβος αυτός θα μπορούσε να πηγάζει τόσο κατασκευαστικά ( αφού η πληροφορία καταγράφεται ασύρματα ) όσο και λόγω του γεγονότος ότι τέτοιου είδους πειράματα δεν λαμβάνουν χώρα σε μονωμένο ηλεκτρομαγνητικά περιβάλλον. Επιπρόσθετα, οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές είναι απαραίτητοι προκειμένου να σχεδιαστεί και να εκτελεστεί ένα οποιοδήποτε πείραμα προκλητών δυναμικών και η αξιοπιστία τους ως ένα μεγάλο βαθμό εξαρτάται από αυτούς. Παρόλα αυτά, η πλειοψηφία των ηλεκτρονικών υπολογιστών λόγω του ότι η χρήση τους βρίσκει εφαρμογή σε μια πληθώρα εφαρμογών δεν καθίσταται δυνατό να παρέχει την χρονική ακρίβεια η οποία είναι απαραίτητη σε τέτοιου είδους πειράματα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση του κατά πόσο ένα τέτοιο σύστημα ασύρματης ηλεκτροεγκεφαλογραφίας όπως το Emotiv Epoc σε συνδυασμό με τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές τους οποίους έχουμε στην διάθεση μας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πειράματα προκλητών δυναμικών σε άτομα με δυσλεξία για την ανάκτηση μετρήσεων μεγάλης ακρίβειας. / In recent years, the low-cost wireless EEG systems have become available, spurred by applications in the game industry. These systems offer a wider and more innovative range of options, for example EEG recordings while in motion and are easier to use so they are suitable for children and special populations. For example such systems can in principle be used for mass screening for early diagnosis of dyslexia, an application of tremendous importance for the individual and society. One of the most advanced such systems is the Emotiv Epoc. The wider and more innovative range of options that EEG systems like the Emotiv Epoc provide cannot however be applied to neuroscience experiments, before some technical limitations are overcome. One such drawback is the higher noise levels compared to clinical devices. The source of the noise could be a manufacturing issue (since the data are recorded wirelessly) or the fact that such experiments do not take place in an environment properly insulated from electromagnetic noise. Moreover, computers are necessary in order to design and execute a protocol for evoked response potentials (ERPs) experiments and the precision of the measurements and specifically issues of timing control depend critically on the computer hardware and software. In clinical and research systems specialized software and hardware for this purpose are available and they are the product of decades of highly specialized work. Very few such software exist today for research and clinical applications with wireless EEG systems in general although some simple tools are beginning to appear. The purpose of this thesis is to investigate whether a wireless EEG system like the Emotiv Epoc can be used with general-purpose computers to retrieve and record precise measurements in order to successfully conduct ERP experiments in general, focusing for the sake of an explicit example to an application for dyslexia, that is of interest to the host laboratory today.

Το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα αποτελεί μία μέθοδο καταγραφής των ηλεκτρικών σημάτων που παράγονται στο εσωτερικό του εγκεφάλου. Τα ηλεκτρικά αυτά σήματα διαχέονται από το σημείο που παράγονται προς την εξωτερική δερματική επιφάνεια του κρανίου όπου μετρώνται ως διαφορές δυναμικού. Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση και η υλοποίηση μίας πειραματικής συνθήκης και της αντίστοιχης πειραματικής διάταξης, η οποία θα επιτρέπει την καταγραφή των Προκλητών δυναμικών του ατόμου που θα εκτελεί το πείραμα. Το κλινικό πρωτόκολλο που χρησιμοποιήθηκε εξετάζει δύο βασικά θέματα. Το πρώτο αφορά την αντίληψη του ανθρώπου για το χρόνο και το δεύτερο το πώς επηρεάζουν τα υποσυνείδητα μηνύματα τη λήψη αποφάσεων και την εγκεφαλική λειτουργία. Αρχικά, στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, αναφέρονται οι βασικές αρχές του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος και το σύστημα διάδοσης της πληροφορίας στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Επιπλέον περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η καταγραφή του σήματος του εγκεφαλογραφήματος και των Προκλητών Δυναμικών. Στη συνέχεια, στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η θεωρία στην οποία βασίστηκε ο σχεδιασμός του κλινικού πρωτοκόλλου και η οποία αφορά δύο θέματα, την αντίληψη του ανθρώπου για το χρόνο και την επιρροή των υποσυνείδητων μηνυμάτων στη λήψη αποφάσεων. Στα επόμενα κεφάλαια περιγράφεται το κλινικό πρωτόκολλο που χρησιμοποιήθηκε και οι πειραματικές συνθήκες που εξετάστηκαν κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων. Ακόμα, γίνεται περιγραφή τόσο του υλικού όσο και του λογισμικού μέρους της πειραματικής διάταξης που αναπτύχθηκε για την υλοποίηση του κλινικού πρωτοκόλλου. Η πειραματική διάταξη που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής επιτρέπει τη σύνδεση με Ηλεκτροεγκεφαλογράφο με αποτέλεσμα τον συγχρονισμό της πειραματικής ακολουθίας και της καταγραφής του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος και των Προκλητών Δυναμικών. Με την πειραματική διάταξη που αναπτύχθηκε έγιναν δύο πειράματα. Η καταγραφή της εγκεφαλικής δραστηριότητας του κάθε εξεταζόμενου (ΗΕΓ) ήταν συνεχής για όλη τη διάρκεια της δοκιμασίας. Η εξαγωγή των Προκλητών Δυναμικών έγινε μετά το τέλος της καταγραφής με το πρόγραμμα EEGLAB, με το οποίο έγινε και η επεξεργασία τους. Τα Προκλητά Δυναμικά απεικονίστηκαν τόσο σε δισδιάστατα όσο και σε τρισδιάστατα μοντέλα κεφαλιών ενώ εξετάστηκε και το φασματικό περιεχόμενο του σήματος του ηλετροεγκεφαλογραφήματος για τις διάφορες πειραματικές συνθήκες. Από την ανάλυση των καταγραφών παρατηρήθηκαν κάποιες διαφορές μεταξύ των συνθηκών του πειράματος οι οποίες περιείχαν υποσυνείδητα μηνύματα και αυτών που δεν περιείχαν. Οι κορυφώσεις του δυναμικού εντοπίστηκαν τις ίδιες χρονικές στιγμές για όλες τις συνθήκες ενώ το πλάτος τους ήταν διαφορετικό μεταξύ των συνθηκών στις οποίες δινόταν στους εξεταζόμενους η σωστή απάντηση με υποσυνείδητο μήνυμα και σε αυτές που δεν δινόταν. / The electroencephalogram constitutes a method for recording electrical signals produced in the interior of the brain. These electric signals are diffused from the point of the brain where they are produced to the exterior dermal surface of the skull where they are measured as potential differences. The object of this diploma thesis is the design and the development of an experiment and the corresponding experimental setup, which allows the recording of the Event Related Potentials of the person who executes the experiment. The clinical protocol that is used examines two fundamental issues. The first is related to time perception while the second one examines if and how subliminal messages influence the decision making and the cerebral operation. Initially, in the first chapter of the present diploma thesis, the fundamentals of the Electroencephalogram and the system that is responsible for the distribution of the information inside the human brain is described. Following, Electroencephalogram and Event Related Potentials (ERPs) recordings are described. In the second chapter the theory on which the planning of the clinical protocol was based is presented. It concerns two research fields of psychophysiology; time perception and the influence of subliminal messages in decision-making. In the next chapters the clinical protocol and the experimental conditions that were examined during the experiments are described. Furthermore, there is a description of both the software and the hardware modules of the developed system. The experimental setup that was developed in the framework of the diploma thesis allows the connection to an Electroencephalograph and appropriate trigger signals are used in order to synchronize stimuli and recordings of EEG and ERPs. Two experiments were conducted. The recording of the brain activity was continuous for the whole duration of the experimental procedure. The Event Related Potentials were extracted post-hoc, after the end of the recording, using the EEGLAB software. The Event Relates Potentials were mapped both on two-dimensional and on three-dimensional head models. The spectrum of the electroencephalogram was also examined for the various experimental conditions. Analysis of the recordings revealed differences between the experimental conditions that contained subliminal messages in the EEG and ERPs. The ERPs’ peaks were detected at the same time delays for all the conditions. However, the amplitude of the peaks differed between the conditions where the right answers were given with subliminal messages and those that did not contain any subliminal messages.

Στην μελέτη μας - που σκοπό είχε την αναζήτηση των ηλεκτροφυσιολογιών παραμέτρων εκείνων οι οποίες πρωϊμώτερα καθίστανται παθολογικές σε αρχόμενη συμπιεστική βλάβη του μέσου νεύρου στον καρπό - εξετάσαμε συνολικά 72 ασθενείς (42 χέρια δεξιά, 30 αριστερά) από τους οποίους οι 66 ήταν γυναίκες και οι 6 άνδρες. Ο μέσος όρος ηλικίας των ασθενών ήταν 49.6±9.8 έτη. Όρος επιλογής των προς μελέτη ασθενών ήταν να παρουσιάζουν συμπτώματα και σημεία τέτοια ώστε κλινικά να τίθεται βάσιμα η υπόνοια συνδρομής καρπιαίου σωλήνα, ταυτόχρονα όμως, στον ηλεκτρονευρογραφικό έλεγχο η τιμή του τελικού κινητικού χρόνου να μην υπερβαίνει τα 4.2 msec, ώστε να εξασφαλίζεται το αρχόμενο - μη προχωρημένο της συμπιεστικής συνδρομής. Στην μελέτη χρησιμοποιήθηκαν και 43 μάρτυρες (19 χέρια δεξιά, 24 χέρια αριστερά). Οι μάρτυρες επελέγησαν με κριτήρια την παντελή απουσία συμπτωμάτων και σημείων από το περιφερικό νευρικό σύστημα και με τον περιορισμό της ουδέποτε λήψης νευροτοξικών ουσιών. Από αυτούς οι 31 ήταν γυναίκες και οι 12 άνδρες, είχαν δε μέσο όρο ηλικίας 41.3±16.4 έτη. Τόσο στους ασθενείς όσο και στους μάρτυρες μελετήθηκαν οι αισθητικές αγωγιμότητες με την ορθοδρομική μέθοδο. Σε κάθε χέρι η μελέτη έγινε με ερεθισμό ένα προς ένα όλων των δακτύλων (1ου, 2ου, 3ου και 4ου) και καταγραφή με επιφανειακό ηλεκτρόδιο στον καρπό από το μέσο νεύρο επιπλέον ερεθίστηκε και ο 5ος δάκτυλος και κατεγράφη το αισθητικό δυναμικό στον καρπό από το ωλένιο νεύρο. Τα αποτελέσματα αυτών των καταγραφών αφορούσαν όλες τις παραμέτρους του αισθητικού δυναμικού (λανθάνων χρόνος, εύρος, διάρκεια) καθώς και αλλοιώσεις της μορφολογίας του, από όλους τους δακτύλους. Στη συνέχεια προχωρήσαμε σε πολλαπλές συσχετίσεις κάθε μιας παραμέτρου σε διαφορετικούς δακτύλους, διαφορετικών παραμέτρων στον ίδιο δάκτυλο, αλλά και σε διαφορετικούς δακτύλους καθώς και στην απαρίθμηση των ανώμαλων κυματομορφών όπου αυτές εμφανίζονταν. Η στατιστική επεξεργασία όλων αυτών των δεδομένων κατέληξε στην συγκρότηση μιας κλίμακος ευαισθησίας ως προς την εγκαιρότερη αλλοίωση ηλεκτροφυσιολογιών παραμέτρων σε αρχόμενη συνδρομή καρπιαίου σωλήνα. Συμπερασματικά από τη μελέτη μας προκύπτουν τα εξής: 1) Η ανάδειξη δικόρυφου δυναμικού ενεργείας σε ερεθισμό είτε του 4ου είτε του 1ου δακτύλου είναι συχνό και ισχυρό εύρημα ως προς την τεκμηρίωση αρχόμενης συνδρομής καρπιαίου σωλήνα. 2) Σε αρχόμενη συνδρομή καρπιαίου σωλήνα πρώιμα παρατείνεται ο λανθάνων χρόνος από 4ο και από 1ο δάκτυλο, αλλοιώνονται όλες οι παράμετροι από τον 4ο δάκτυλο και παρατείνεται ο λανθάνων χρόνος από 3ο δάκτυλο. Δεν υπήρξε διαφοροποίηση των παραπάνω αποτελεσμάτων που να συσχετίζονται με το φύλο ή την ηλικία. / The purpose of the present work was to investigate cases with early median nerve entrapment neuropathy (carpal tunnel syndrome) and to identify the most sensitive neurophysiological parameter by which an early diagnosis of the syndrome can be established. We examined 72 patients (42 right hands and 30 left hands) 66 women and 6 men. The mean age was 49.6±9.8 years. The inclusion criteria were symptoms and signs compatible with the diagnosis of carpal tunnel syndrome and the distal motor latency to be less than 4.2msec. We also examined 43 control subjects (19 right hands and 24 left hands) 31 women and 12 men with a mean age 41.3±16.4 years The control subjects were free of peripheral neurological problems. In all patients and control subjects we studied the sensory conduction parameters using the orthodrom method. In all hands we stimulated all five fingers and we recorded the sensory potentials from the wrist for both nerves (the median nerve for the 4 first fingers and the ulnar nerve for the 5th finger). In all patients and controls median distal motor latency, amplitude and duration of compound sensory nerve action potentials and sensory nerve conduction velocity of all five fingers were measured. The statistical analysis of the results showed the following conclusions. 1. Double peak potentials after stimulation of the 4th finger was the most sensitive test for detecting early carpal tunnel syndrome. Double peak potentials after stimulation of the 1st finger was a less frequent finding. 2. In early carpal tunnel syndrome there is a prolongation of the latency of the 4th and 1st finger Also there are changes in all parameters of the 4th finger potential and there is a prolongation of the latency of 3rd finger. Finally there were no differences between male and female measurements.

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.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται μια προσπάθεια αντικειμενοποίησης και μοντελοποίησης του μετεγχειρητικού πόνου συνεπεία προγραμματισμένων ορθοπαιδικών επεμβάσεων στην άρθρωση του γόνατος με την βοήθεια εργαλείων μηχανικής μάθησης. Σκοπός της εν λόγω μοντελοποίησης είναι η δημιουργία ενός ευφυούς συστήματος αξιολόγησης και εκτίμησης του μετεγχειρητικού πόνου και η εξέταση της υπόθεσης του κατά πόσο η χρήση ως παραμέτρου μιας αντικειμενικής τιμής όπως αυτή που προέρχεται από την καταγραφή των σωματοαισθητικών προκλητών δυναμικών μπορεί να επηρεάσει την ακρίβεια του συστήματος μας. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν παράμετροι από το ιστορικό του ασθενούς, τα σωματομετρικά του χαρακτηριστικά, τα δεδομένα του χειρουργείου και της αναλγησίας που δόθηκε σε αυτό, η αυτοαξιολόγηση του ίδιου του ασθενούς μέσω της κλίμακας αυτοαξιολόγησης του πόνου NRS και τέλος αυτό που διαφοροποιεί την παρούσα διπλωματική είναι η προσπάθεια συσχέτισης μιας αντικειμενικής παραμέτρου που τα τελευταία χρόνια έχει συσχετιστεί με τον πόνο, αυτή των σωματοαισθητικών προκλητών δυναμικών. / In this paper we made an attempt of objectification and modeling of postoperative pain as a result of planned orthopedic surgery in the knee joint with the help of machine learning tools. The purpose of this modeling is to create an intelligent system evaluation and assessment of postoperative pain and the case is whether the use as an objective parameter value as derived from the recording of somatosensory evoked potentials may affect the accuracy of the system our. Specific parameters used by the patient's history, the anthropometric characteristics, data of surgery and analgesia given to this, self-evaluation of the patient using the scale of self-assessment of pain NRS and finally what differentiates this thesis is the attempt correlation of an objective parameter in recent years has been associated with pain, that of somatosensory evoked potentials.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η εφαρμογή εξελιγμένων αλγορίθμων ανάλυσης ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος ηρεμίας (rest EEG) και προκλητών δυναμικών (ERP) για την εξαγωγή νευροφυσιολογικών συμπερασμάτων σχετικά με νευρολογικές/ψυχιατρικές ασθένειες. Οι τεχνικές που αναπτύσσονται εφαρμόζονται τόσο σε συνθετικά σήματα όσο και σε πραγματικά σήματα μαρτύρων και ατόμων με δυσλεξία, που υποβάλλονται στην ακουστική δοκιμασία Wechsler. Αρχικά μελετούνται τα συμβατικά χαρακτηριστικά προκλητών δυναμικών που αποτελούνται από τα πλάτη των κορυφώσεων και τους λανθάνοντες χρόνους πραγματοποίησής τους μετά το ερέθισμα. Μέσω στατιστικών αναλύσεων αναδεικνύεται ότι τα άτομα με δυσλεξία παρουσιάζουν σημαντικά μικρότερο πλάτος κορύφωσης N100 το οποίο μάλιστα συσχετίζεται με την απόδοση μνήμης. Επίσης, ο προσυνειδητός χρόνος απόκρισης στα ηχητικά ερεθίσματα παρουσιάζεται σε συγκεκριμένα ηλεκτρόδια σημαντικά παρατεταμένος σε άτομα με δυσλεξία. Οι ενεργειακές διαφοροποιήσεις στα φάσματα EEG/ERP προσφέρουν σημαντική πληροφορία σχετικά με το βαθμό ενεργοποίησης των διαφόρων περιοχών του εγκεφάλου. Η ανάλυση ενεργειακών διαφοροποιήσεων πραγματοποιείται στο πεδίο χρόνου-συχνότητας, αναδεικνύοντας χρονικές μεταβολές του φασματικού περιεχομένου. Στο πλαίσιο αυτό, αξιολογούνται συγκριτικά τεχνικές αναπαράστασης χρόνου-συχνότητας τόσο δεύτερης τάξης όσο και προσαρμοστικές. Ο αλγόριθμος matching pursuit αποδεικνύεται ιδιαίτερα αποτελεσματικός στη μείωση των διαγώνιων όρων και στην ανάδειξη ενεργειακών κορυφών. Για τη στατιστική αποτίμηση των ενεργειακών διαφορών στις ζώνες συχνοτήτων δ (0-4 Hz), θ (5-7 Hz), α (8-13 Hz), β (14-30 Hz), προτείνεται μεθοδολογία βασισμένη στο συνδυασμό μεθόδων κανονικοποίησης και διόρθωσης πολλαπλών συγκρίσεων. Η ύπαρξη σημαντικών ενεργειακών διαφοροποιήσεων ενδεχόμενα είναι απόρροια του διαφορετικού τρόπου λειτουργικής συνδεσιμότητας μεταξύ των δύο μελετούμενων ομάδων (μαρτύρων, ατόμων με δυσλεξία). Για το σκοπό αυτό, υπολογίζονται μεγέθη συνδεσιμότητας και αιτιότητας μεταξύ ηλεκτροεγκεφαλογραφικών καταγραφών, με χρήση του μοντέλου πολλαπλής παλινδρόμησης σε συνδυασμό με τις μεθόδους εκτίμησης Yule-Walker, Burg και Least Squares, καταδεικνύοντας την ανωτερότητα των δύο τελευταίων όσον αφορά στην ακρίβεια πρόβλεψης. Μετά από εκτεταμένη συγκριτική αξιολόγηση των μεγεθών αιτιότητας, προτείνεται ένα νέο μέγεθος ανάδειξης των άμεσων ροών δραστηριότητας, το οποίο βασίζεται στο συνδυασμό της μη κανονικοποιημένης κατευθυνόμενης συνάρτησης μεταφοράς και της μερικής κατευθυνόμενης συμφωνίας. Το μέγεθος αυτό αποδεικνύεται ιδιαίτερα αποδοτικό στη μείωση ψευδών ή μη άμεσων ροών και παρουσιάζει φασματικές ιδιότητες παρόμοιες με αυτές των εμπλεκόμενων κυματομορφών. Η εφαρμογή του σε ηλεκτροεγκεφαλογράφημα ηρεμίας, όπου ικανοποιείται η συνθήκη στασιμότητας, οδηγεί στην ανάδειξη διαφοροποιήσεων σε συγκεκριμένες ροές δραστηριότητας. Στην περίπτωση μη στάσιμων χρονοσειρών, όπως είναι τα προκλητά δυναμικά, χρησιμοποιείται δυναμικό μοντέλο πολλαπλής παλινδρόμησης για την εκτίμηση των μεγεθών σύζευξης. Μελετάται η ικανότητας αναπαράστασης γρήγορα μεταβαλλόμενων αιτιακών σχέσεων, με χρήση τόσο της προσέγγισης μικρού χρονικού παραθύρου όσο και προσαρμοζόμενων φίλτρων Kalman. Η μελέτη περιλαμβάνει την επίδραση του επιπέδου θορύβου, του συντελεστή προσαρμογής και της χρονικής μεταβολής των συνδέσεων του προτύπου συνδεσιμότητας. Το φίλτρο Kalman αποδεικνύεται ιδιαίτερα ακριβές στην εκτίμηση της χρονικής εξέλιξης των συντελεστών του μοντέλου τόσο σε συνθετικά όσο και σε πραγματικά ηλεκτροεγκεφαλογραφικά δεδομένα. Επιπλέον, μελετήθηκε η προβλεψιμότητα/πολυπλοκότητα των χρονοσειρών, με χρήση μεγεθών φασματικής και προσεγγιστικής εντροπίας. Η φασματική εντροπία και οι παραλλαγές της αποτελούν μεγέθη που αναδεικνύουν τη φασματική πολυπλοκότητα μιας χρονοσειράς και σχετίζονται με φαινόμενα συγχρονισμού και επικράτησης συγκεκριμένων ζωνών συχνοτήτων. Επειδή χρειάζεται να μελετηθεί η χρονική εξέλιξη της πολυπλοκότητας αυτής, τα μεγέθη αυτά υπολογίζονται τόσο με χρήση μετασχηματισμού κυματιδίου όσο και με χρήση βέλτιστου πυρήνα, καταδεικνύοντας την ανωτερότητα του τελευταίου στο διαχωρισμό μεταξύ των δύο ομάδων (μαρτύρων, ατόμων με δυσλεξία). Η αναπαράσταση με χρήση βέλτιστου πυρήνα επιτρέπει την προσαρμογή του πυρήνα σε κάθε υπό ανάλυση σήμα, κάτι το οποίο έχει ιδιαίτερη σημασία σε περιπτώσεις που παρατηρείται έντονη διακύμανση μεταξύ των καταγραφών. Τέλος, μέσω της προσεγγιστικής εντροπίας μελετάται η ύπαρξη όμοιων προτύπων παρατηρήσεων κατά μήκος των χρονοσειρών τόσο σε συγκεκριμένα ηλεκτρόδια όσο και μεταξύ ηλεκτροδίων. Οι μέθοδοι που παρουσιάζονται στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής συμβάλλουν στην πιο αντικειμενική και αξιόπιστη μελέτη συγχρονισμού, αιτιακών σχέσεων και πολυπλοκότητας κατά την ανάλυση ηλεκτροεγκεφαλογραφικών καταγραφών. / The purpose of the present Ph.D. thesis is to develop and apply advanced algorithms for EEG/ERP signal analysis in order to study neurophysiological alterations associated with dyslexia. The used methods aim at a reliable analysis of synchronization, causal connectivity and complexity of EEG/ERP signals and are evaluated on both synthetic and real EEG/ERP signals of dyslexics and controls, acquired during Wechsler auditory test. First, the conventional components of ERP waveforms (peak amplitudes, latencies) are studied. Statistical analysis points out that dyslexics’ signals present significantly lower N100 amplitudes which are known to be associated with memory performance. An important parameter in dyslexia is the pre-attentive reaction time to auditory stimuli which is reflected through P50 latency and is found to be significantly prolonged at specific electrodes. Energy differentiations in time-frequency between the two groups (dyslexics and controls) are examined, enabling study of the temporal changes of ERP content. Various second order and adaptive time-frequency methods are comparatively assessed in terms of their accuracy in representing temporally changing spectra. Matching pursuit is proved to be quite effective in cross terms suppression and representation of energy peaks. Significant energy differentiations at delta (0-4 Hz), theta (5-7 Hz), alpha (8-13 Hz) and beta (14-30 Hz) frequency bands are detected, through a methodology of statistical evaluation based on normalization and multiple comparisons correction methods. The presence of significant energy differentiations may be the result of differing functional connectivity patterns between the two groups (controls, dyslexics). In order to study causal connectivity patterns, the multivariate autoregressive model is estimated using the Yule-Walker, Burg and Least Squares methods, with Burg and Least Squares proved to provide superior performance in terms of prediction error. A new measure for the estimation of direct causal interactions is proposed, which is based on the combination of the full frequency directed transfer function and the partial directed coherence, exhibiting spectral properties similar with those of the involved signals, and increased efficiency in suppressing false and non direct flows. Study of rest EEG connectivity patterns, by means of the new connectivity measure, revealed differentiations in specific activity flows between the two groups under study (controls and dyslexics). In order to calculate coupling measures of non-stationary signals, like ERP, the dynamic autoregressive model is used and its ability to accurately represent rapid changes of causal interactions is assessed using short window and adaptive Kalman filter approaches. The superiority of the Kalman filter approach in terms of the accuracy provided in the estimation of the model’s autoregressive parameters is demonstrated on both synthetic and real EEG/ERP signals. Furthermore, the predictability/complexity of EEG/ERP time-series of dyslexics versus controls was studied, using measures of spectral and approximate entropy. Spectral entropy and its modifications quantify the spectral complexity of time-series and are related with synchronization and dominance of specific frequency bands. In order to study the temporal evolution of signals’ spectral complexity, wavelet transform and optimal kernel approaches were used, and the superiority of the latter concerning its ability to discriminate the two groups was demonstrated. The representation through optimal kernel permits the adjustment to each analyzed signal, a property that is quite important in analyzing data characterized by intense variability. Finally, through approximate entropy, the presence of differentiations in predictability of EEG time series related with single electrodes or pairs of electrodes is studied, demonstrating that dyslexics’ signals are characterized by more predictable patterns.

H προβολή υποσυνείδητων μηνυμάτων είναι η διαδικασία έκθεσης ερεθισμάτων κάτω από το κατώφλι της συνειδητοποίησης. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να επηρεαστούν οι σκέψεις, τα συναισθήματα και ενέργειες του ανθρώπου. Η υποσυνείδητη αντίληψη συμβαίνει όταν οι πληροφορίες αποθηκεύονται στο ανθρώπινο μυαλό, χωρίς ο δέκτης να έχει συνειδητά επίγνωση του προβλήματος. Οι πληροφορίες φτάνουν στο μυαλό, γιατί ενώ δεν είναι συνειδητά αντιληπτές, γίνονται αντιληπτές από το υποσυνείδητο κομμάτι του εγκεφάλου. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αποτίμηση των πιθανών διαφορών στις καταγραφές ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΕΕG) και προκλητών δυναμικών (ERPs) κατά την υποβολή ενός ατόμου σε οπτικά υποσυνείδητα ερεθίσματα σε σύγκριση με καταγραφές χωρίς ερέθισμα. Στην εργασία χρησιμοποιήθηκε ένα ερευνητικό πρωτόκολλο το οποίο εξετάζει το πώς επηρεάζουν τα υποσυνείδητα ερεθίσματα τη λήψη αποφάσεων και την εγκεφαλική λειτουργία. Στο πρώτο μέρος της εργασίας (κεφάλαια 1 και 2) γίνεται μια συνοπτική αναφορά στις κυριότερες μεθόδους απεικόνισης εγκεφάλου, όπως το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα και την λειτουργική απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού καθώς και στον συνδυασμό τους για πιο ικανοποιητικά αποτελέσματα. Το κεφάλαιο 3 αναφέρεται κυρίως σε θέματα σχετικά τα προκλητά δυναμικά, καθώς και την υποσυνείδητη αντίληψη. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται η πειραματική διαδικασία και η μετρητική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε καθώς και η παρουσίαση της επεξεργασίας των μετρήσεων μέσω του eeglab. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επεξεργασίας σε διαγράμματα προκλητών δυναμικών και φασματικής ισχύος καθώς επίσης και τα συμπεράσματα της εργασίας αυτής. / The display of subliminal messages is the process of stimuli exposure below the threshold of awareness. Through this procedure the thoughts, feelings and actions of a human can be influenced. The subliminal perception occurs when information stored in the human mind without the receiver being consciously aware of it. The information reaching the brain is perceived by the subconscious part of the brain. The object of this diploma thesis is to assess the possible differences in electroencephalogram (EEG) and event - related potentials (ERPs) recordings during the presentation of visual subliminal stimuli compared to non – subliminal conditions. A protocol that examines how subliminal stimuli influence the decision making and the cerebral operation is used. In the first part of the thesis (chapters 1 and 2) there is a brief review of the main brain imaging methods such as EEG and fMRI as well as the combination of them. Chapter 3 reveals issues about event - related potentials and mostly about subliminal perception. In chapter 4, the experiment and the measuring devices used are described, and there is also a presentation of the analysis by using the eeglab. Finally, chapter 5 includes the results of analysis on event - related potential and spectral power graphs, as well as the conclusions of this work.

H TMS διακρίνεται έναντι άλλων εργαλείων απεικόνισης λόγω της ικανότητάς της να ενεργοποιεί νευρώνες σε επιλεγμένες φλοιϊκές περιοχές. Η παρούσα μελέτη προσπαθεί να διερευνήσει το νευροφυσιολογικό προφίλ της μυικής προκλητής απάντησης διάμεσου διακρανιακής μαγνητικής διέγερσης (TMS) σε ένα σεβαστό αριθμό ασθενών με σχιζοφρένεια υπό φαρμακευτική αγωγή. Σε 51 ασθενείς υπό φαρμακευτική αγωγή και διάγνωση σχιζοφρένειας και 51 υγιείς μάρτυρες απόλυτα σύμφωνους ως προς το φύλο, το ύψος και την ηλικία με τους ασθενείς που συμμετείχαν καταγράφηκαν κινητικά προκλητά δυναμικά (ΜΕΡ) από τον απαγωγό μυ του αντίχειρα μετά τον ερεθισμό του αντίπλευρου κινητικού φλοιού με ένα κυκλικό πηνίο. Μετρήθηκαν: w RMTh (resting motor threshold): Ο ουδός κινητικής ηρεμίας w SI-max (stimulus intensity for maximum MEP): Η ένταση ερεθίσματος που χρειάζεται για την καταγραφή του μέγιστου κινητικού προκλητού δυναμικού w Post-stimulus silent period: Την ανερέθιστη περίοδο που επάγεται μετά από ένα ερέθισμα που προκαλεί συγκεκριμένη μυική δραστηριότητα w MEP Latency: Λανθάνον χρόνος των κινητικών προκλητών δυναμικών MEP amplitude: Το εύρος των κινητικών προκλητών δυναμικών. Τα βασικά ευρήματα είναι η σαφώς υψηλότερη από τις φυσιολογικές τιμές, τιμή των RMTh και SI-max και τα δύο, ενδείξεις νευρωνικής ευοδωτικής δραστηριότητας στους ασθενείς σε σύγκριση με τους μάρτυρες. Ειδικότερα στην ομάδα των ασθενών που βρίσκονται σε θεραπεία με ζιπρασιδόνη παρουσιάστηκε το υψηλότερο SI-max και στα δύο ημισφαίρια και το υψηλότερο RMTh στο αριστερό ημισφαίριο. Οι ασθενείς στην ομάδα που ελάμβαναν ολανζαπίνη παρουσίασαν το χαμηλότερο RMTh για το αριστερό ημισφαίριο και αυτοί σε θεραπεία με κουατιεπίινη παρουσίασαν τιμές ανάμεσα στις τιμές των δύο προηγούμενων ομάδων. Όταν χρησιμοποιήθηκε ένταση ερεθίσματος (SI) σχετικής τιμής με το RMTh, η ανερέθιστη περίοδος βρέθηκε μεγαλύτερη στους ασθενείς από ότι στους μάρτυρες ενώ δεν παρατηρήθηκε καμία διαφορά ανάμεσα στις δύο μεγάλες ομάδες ασθενών και μαρτύρων όταν χρησιμοποιήθηκε σταθερής έντασης ερέθισμα (SI). Συμπεράναμε, ότι οι αλλαγές στις παραμέτρους που μετρήθηκαν, μπορούν να εξηγηθούν από βασικές μεταβολές της ενδοφλοιϊκής ευοδωτικής κινητικής δραστηριότητας που ακολουθείται από διαφοροποιήσεις της φλοιϊκής αναστολής, οι οποίες μπορούν να αποδοθούν είτε στην σχιζοφρένεια είτε στην φαρμακευτική αγωγή ή στην αλληλεπίδρασή τους. / Trancranial magnetic stimulation (TMS) provides a non-invasive means for exploring physiological alterations of central motor control in a variety of neuropsychiatric diseases. The present study aimed to assess the neurophysiological profile of muscle evoked responses to a standard TMS procedure in a considerable number of medicated patients with schizophrenia. Fifty-one patients with diagnosis of schizophrenia and 51 sex- and age-matched healthy subjects were enrolled in the study. Motor evoked potential (MEP) from abductor pollicis brevis muscle was elicited by stimulation of the contralateral motor cortex with a circular coil. The hot-spot was marked. Were measured: ¨ the resting motor threshold (RMTh), ¨ the stimulus intensity for maximum MEP (SI-max), ¨ the post-stimulus silent period of voluntary muscle activity and ¨ MEP latency and amplitude. The main findings were the significantly higher than normal values for RMTh and SI-max, which are both indices of neuronal excitability. In particular, patients who had ziprasidone in their therapeutic regimen demonstrated the highest SI-max for both hemispheres and highest RMTh for left hemisphere, patients receiving olanzapine demonstrated the lowest RMTh for left hemisphere and those on quetiapine showed intermediate values. Silent period was longer in the patients as opposed to controls when a RMTh-related SI was used and did not differ between the two groups when a fixed SI was used. We concluded that the observed TMS changes could be interpreted by primary alterations of intracortical motor excitability followed by defects of cortical inhibition and should be attributed to schizophrenia, antipsychotic medication or the interaction between both factors.