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 υλοποιήθηκε ένα προγραμματιστικό περιβάλλον σε Matlab το οποίο μας επιτρέπει να μελετήσουμε τη συσχέτιση της δυναμικής βιολογικών νευρωνικών δικτύων με χρήση ομοιοματικών τεχνικών και μαθηματικών μοντέλων. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν προγράμματα που υλοποιούν μαθηματικά μοντέλα της δυναμικής νευρωνικών πληθυσμών και αντίστοιχα ομοιοματικές μέθοδοι. Το περιβάλλον δίνει τη δυνατότητα διερεύνησης της δυναμικής με τους δύο αυτούς τρόπους και παρέχει τρόπους σύγκρισης μεταξύ τους, ώστε να διερευνηθεί αν από τους δύο αυτούς τρόπους προσέγγισης, υπό τις ίδιες αρχικές συνθήκες, προκύπτουν αποτελέσματα συγκρίσιμα μεταξύ τους. Αρχικά, εξομοιώθηκε ένα βιολογικό νευρωνικό δίκτυο στην προσπάθεια προσέγγισης της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου από έναν υπολογιστή. Εξομοιώσαμε ένα νευρωνικό δίκτυο χρησιμοποιώντας μια σχέση η οποία δεδομένων των παραμέτρων του δικτύου και της κατάστασης διεγερσιμότητας του δικτύου αn κάποια χρονική στιγμή n υπολογίζει την κατάσταση διεγερσιμότητας του δικτύου αn+1 την επόμενη χρονική στιγμή n+1. Στη συνέχεια, περιγράφονται και αναλύονται μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν για τη μακροσκοπική (στατιστική) συμπεριφορά των μεμονωμένων – δηλαδή χωρίς εξωτερικές συνδέσεις – νευρωνικών δικτύων (ομάδων αλληλοσυνδεδεμένων νευρώνων) του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος. Μελετώντας κάποιες ξεχωριστές περιπτώσεις των νευρωνικών δικτύων και κάνοντας συγκεκριμένες θεωρήσεις για την κάθε μια, καταλήγουμε σε μαθηματικές εξισώσεις που αφορούν την περιγραφή της δυναμικής των δικτύων. Θα παρουσιαστεί, δηλαδή ένα πακέτο προγραμμάτων υλοποιημένο στο περιβάλλον Matlab που θα δέχεται ως είσοδο παραμέτρους του νευρωνικού πληθυσμού (δικτύου), θα υλοποιεί τις δύο μεθόδους μελέτης της δυναμικής του και θα εμφανίζει και θα συγκρίνει τα λαμβανόμενα αποτελέσματα. Ο σκοπός της εν λόγω διπλωματικής είναι η σύγκριση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν για τη δυναμική νευρωνικών πληθυσμών με χρήση μαθηματικών μοντέλων σε σχέση με τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προκύπτουν με χρήση μεθόδων εξομοίωσης. / -

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 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.

Ο ύπνος αποτελεί ένα από τα πιο μυστήρια φαινόμενα της ανθρώπινης ζωής. Η επεξεργασία και ανάλυση του εγκεφαλογραφήματος με τη χρήση υπολογιστικών μεθόδων και αλγορίθμων μπορεί να δώσει μεγάλη ώθηση στην διερεύνηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Στην παρούσα εργασία υλοποιήθηκε ένα γραφικό εργαλείο για την ανίχνευση ρυθμών και κυμάτων που εμφανίζονται στο εγκεφαλογράφημα ύπνου. Το εργαλείο συνδέεται με το πρόγραμμα καταγραφής Neuroscan του εργαστηρίου Νευροφυσιολογίας της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Το περιβάλλον περιλαμβάνει αλγορίθμους για την αυτόματη ανάλυση του σήματος και την ανίχνευση επιλεγμένων κυμάτων και ρυθμών. Σκοπός του εργαλείου είναι η αποστολή ακουστικού ερεθισμού στην περίπτωση ανίχνευσης του επιλεγμένου κύματος ή ρυθμού. Το εργαλείο περιλαμβάνει γραφικό περιβάλλον για την εύκολη χρήση και παραμετροποίηση των διαθέσιμων επιλογών. Το πρόγραμμα αναπτύχθηκε εξ ολοκλήρου πρωτότυπα με γνώμονα την ταχύτητα ανίχνευσης και επεξεργασίας του ΗΕΓ. Τελικός στόχος του προγράμματος είναι η χρήση του σε πειράματα διερεύνησης της απαντητικότητας του εγκεφάλου σε ερεθισμούς που συμβαίνουν σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές μετά από την στιγμή ανίχνευσης επιλεγμένου κύματος ή ρυθμού. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να εξερευνηθεί ο ρόλος διαφόρων καταστάσεων του εγκεφάλου (π.χ. αφυπνιστικός ή υπναγωγικός κατά τον ύπνο) χαρακτηριζόμενων από τα επιλεγόμενα ΗΕΓ κύματα και ρυθμούς. / One of the greatest human mysteries is the phenomenon of sleep. The use of computing methods and algorithms in the analysis and processing of electroencephalogram can boost the research of brain activity. The present work presents the graphical program that was developed and used at the Neurophysiology Unit of the University of Patras’ Medical School for the support of EEG studies. The program detects specific rythms and waves during the sleep EEG (online). The tool connects with the Neuroscan Systems that the lab uses for the sleep experiments. The program supports several algorithms for the automatic signal analysis and the specific rythms’ and waves’ detection. The target of the tool is to send sound stimulus in the case of rhythm or wave detection. The user-friendly graphical interface of the tool includes all the parameters for the experiments. The program was developed originally from scratch, aiming to make signal processing as fast as possible. The final goal of the program is to explore the nature of specific brain states i.e. in sleep, by probing brain reactivity at precise times after EEG signs characterizing this brain state.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη του αντίστροφου καθορισμού πηγής (inverse source localization problem) και του ρυθμού μ (mu). Έχοντας ως δεδομένο το σήμα του ΗΕΓ γίνεται προσπάθεια µέσω της εφαρμογής της μεθόδου Ανάλυσης Ανεξάρτητων συνιστωσών (ICA) να προσδιοριστούν οι συνιστώσες οι οποίες σχετίζονται με τις περιοχές του εγκεφάλου που ενεργοποιούνται από την κίνηση των χεριών. Με βάση τη λειτουργία της αισθητηριοκινητικής περιοχής του εγκεφάλου και τις ιδιότητες του ρυθμού μ, γίνεται μια μελέτη πάνω στις συνιστώσες που προκύπτουν από την ICA τόσο σε δεδομένα από πραγματική κίνηση, όσο και σε δεδομένα από νοερή κίνηση, καθώς και στην εφαρμογή που μπορεί να υπάρχει σε συστήματα Διεπαφής Εγκεφάλου – Υπολογιστή. / The subject of this diploma thesis is the study of the inverse source localization problem and the mu rhythm. Performing Independent Component Analysis (ICA) on EEG data, we try to specify the components that are related to the brain areas activated by hand movement. By focusing on the function of the somatosensory brain area and the properties or mu rhythm, we study the components resulting from Independent Component Analysis on data of both real and imaginary movement, as well as the possible implementations on Brain – Computer Interface systems.

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.

Το φαινόμενο του ύπνου αποτελεί ένα μυστήριο της ανθρώπινης ζωής. Η έρευνα του φαινομένου του ύπνου γίνεται κυρίως μέσω καταγραφών Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος. Η επεξεργασία και η ανάλυση του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος ύπνου με την χρήση υπολογιστικών αλγορίθμων έχει δώσει μεγάλη ώθηση στην διερεύνηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Κατά την διάρκεια του ύπνου παρουσιάζονται χαρακτηριστικοί ρυθμοί και κύματα όπως είναι οι άτρακτοι (spindles) και τα συμπλέγματα Κ (K-Complex). Η ακριβής σημασία και συμβολή των συγκεκριμένων ρυθμών δεν έχει πλήρως διερευνηθεί. Πιστεύεται όμως ότι έχουν σπουδαίο υπναγωγικό ρόλο και συμβάλλουν στις διαδικασίες σταθεροποίησης της μνήμης κατά τον ύπνο. Στην παρούσα εργασία γίνεται μια προσπάθεια εύρεσης της χρονικής συσχέτισης μεταξύ των εμφανιζόμενων ρυθμών και κυμάτων κατά την διάρκεια του ύπνου. Για την ανάπτυξη του προγράμματος χρησιμοποιήθηκε το εργαλείο που έχει αναπτυχθεί και χρησιμοποιείται για επεξεργασία σήματος στο Εργαστήριο Νευροφυσιολογίας του Πανεπιστημίου Πατρών (Flying Circus). Το συγκεκριμένο πρόγραμμα επεκτάθηκε με τις κατάλληλες ρουτίνες έτσι ώστε να παράγονται γραφικές απεικονίσεις των χρονικών στιγμών εμφάνισης των ΗΕΓ χαρακτηριστικών εκ των οποίων να συνάγεται οπτικά αν υπάρχει συσχέτιση μεταξύ τους, το ψηφιδόπλεγμα (raster). Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει είτε την συσχέτιση των ρυθμών στον χρόνο (time raster) είτε την συσχέτιση των ρυθμών στο πεδίο των συχνοτήτων (spectrum raster). Στην εργασία παρουσιάζονται οι γραφικές απεικονίσεις και τα αποτελέσματα από την χρήση του προγράμματος σε καταγραφές ύπνου που έχουν γίνει στο Εργαστήριο Νευροφυσιολογίας. / Sleep is a mysterious phenomenon of human life. Electroencephalogram (EEG) is the main tool that researchers use to explore the physiology of sleep. Advanced analysis of sleep recordings enormously contributed to the research and understanding of brain activity. During sleep we observe some characteristic rhythms and waves such as spindles and K-Complexes. The exact meaning and role of these rhythms has not yet fully discovered. However, it is believed that they play a significant sleep promoting role and partake in cognitive processes of sleep. The present work attempts to find the temporal correlation between those rhythms and waves that appear during the second stage of non-REM sleep i.e. whether any changes in the rate of occurrence of spindles can predict or can be predicted by the occurrence of K-Complexes. A graphic interface tool was developed by adding new processing functions to the tool that is used at the Neurophysiology Unit of the University of Patras’ Medical School (Flying Circus). This program is a raster used to support the EEG studies with the appropriate routines in order to produce graphical representations of the time development of various EEG characteristics and to demonstrate visually any possible correlation between them. The new environment includes methods that can correlate the appearance of rhythms and waves in the time domain or in the frequency spectrum domain using the raster graphical representation. The result of these methods is either a time raster or a spectrum raster depending on the user choices. In this paper we present the results of using these methods in real sleep recordings that have been conducted in the Neurophysiology Unit.

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.