Το βασικό αποτέλεσμα της παρούσας διατριβής η οποία εντάσσεται στην έρευνα που εκπονείται στο Εργαστήριο Γεωδαισίας και Γεωδαιτικών Εφαρμογών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών είναι ότι το GPS και ο ρομποτικός θεοδόλιχος (RTS), και κυρίως ο συνδυασμός τους, έχουν τη δυνατότητα μέτρησης ταλαντώσεων όχι μόνο μέχρι 1 Hz, όπως τεκμηριώνεται βιβλιογραφικά, αλλά ενός πολύ μεγαλύτερου φάσματος (μέχρι και 4Hz), ως προς ανεξάρτητο σύστημα αναφοράς της μελετούμενης κατασκευής. Η δυνατότητα αυτή καλύπτει μια σημαντική ανάγκη της σύγχρονης μηχανικής στον τομέα του ελέγχου της δομικής ακεραιότητας (Structural Health Monitoring) των κατασκευών (A’ μέρος της Διατριβής). Τα συμπεράσματα αυτά προέκυψαν με βάση πειράματα και αναλυτική επεξεργασία των δεδομένων των πειραμάτων (B μέρος της Διατριβής) και εφαρμογή της τεχνικής σε δύο δύσκαμπτες μεταλλικές γέφυρες (Γ και Δ μέρη της Διατριβής). Ειδικότερα, με βάση μεγάλο (>350) αριθμό πειραμάτων σε συσκευή προκαθορισμένων γραμμικών ταλαντώσεων, έγινε ταυτόχρονη καταγραφή ταλαντώσεων γνωστού εύρους και συχνότητας από γεωδαιτικούς δέκτες GPS και RTS, με το τελευταίο να έχει αναβαθμιστεί για λεπτομερέστερη χρονική ανάλυση των καταγραφών. Εν συνεχεία συγκρίθηκαν οι εκτιμήσεις εύρους και συχνότητας που προέκυψαν από την ανάλυση των καταγραφών των GPS, RTS με τα πραγματικά προκαθορισμένα μεγέθη των ταλαντώσεων. Η επεξεργασία και αξιολόγηση των δεδομένων επέτρεψε να εκτιμηθούν τα όρια εφαρμογής κάθε οργάνου GPS/RTS και η απόδοσή τους. Η ανάλυση βασίστηκε σε στατιστικές μεθόδους (φίλτρα) και ειδικές φασματικές μεθόδους ανάλυσης στο πεδίο συχνοτήτων και χρόνου που επιτρέπουν επεξεργασία χρονικά ανισαπέχοντων και περιορισμένων σε πλήθος δεδομένων (σε αντίθεση με την FFT), αλλά και υπέρβαση των περιορισμών των οργάνων, όπως αστάθεια ρυθμού δειγματοληψίας (‘jitter’) και απώλεια κύκλων ταλάντωσης (“clipping”) του RTS. Διαπιστώθηκε ότι κυρίως σε υψίσυχνες ταλαντώσεις το GPS προσδιορίζει την κυματομορφή και τη συχνότητα των ταλαντώσεων ενώ το RTS προσδιορίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια το εύρος ταλάντωσης. Ο συνδυασμός των δύο οργάνων επιφέρει το πλήρη προσδιορισμό των χαρακτηριστικών (εύρος και συχνότητα) της ταλάντωσης. Η όλη τεχνική εφαρμόστηκε σε δύο σχετικά δύσκαμπτες γέφυρες. Πρώτον, μεταλλική πεζογέφυρα μήκους ~60m στη Λεωφ. Κηφισού στην Αθήνα με προβλεπόμενο εύρος μετακίνησης <30mm και ιδιοσυχνότητα >3Hz. Με χρήση υπερστατικού καταγραφικού δικτύου GPS, RTS κατεγράφησαν οι μετακινήσεις του μέσου του ανοίγματος λόγω περιοδικής διέγερσης από ομάδα ανθρώπων. Από την ανάλυση των καταγραφών των οργάνων και το συνδυασμό των αποτελεσμάτων τους προέκυψε ότι η απόκριση της γέφυρας ήταν 4-6mm και οι συχνότητες που εμφανίστηκαν ήταν 1, 2.3 και 4.3 Hz (κύρια ιδιοσυχνότητα), συμφωνόντας και με καταγραφές επιταχυνσιογράφου που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Η δεύτερη περίπτωση εφαρμογής της μεθόδου αποτελεί η καταγραφή της κίνησης ενός από τα 7 ανοίγματα της σιδηροδρομικής γέφυρας του Γοργοποτάμου. Χρησιμοποιήθηκε υπερστατικό καταγραφικό δίκτυο GPS, RTS για την καταγραφή των μετακινήσεων του άκρου και μέσου ανοίγματος κατά τη διέλευση συρμών. Οι μετρήσεις του GPS επηρεάστηκαν από φαινόμενο πολυανάκλασης κατά τη διάρκεια της διέλευσης του τραίνου, οδηγώντας σε κυματομορφή η οποία χαρακτηρίζεται από σφάλμα κλίμακας το οποίο τεκμηριώθηκε από επεξεργασία των δεδομένων και πειράματα. Από τη συνολική ανάλυση των δεδομένων των δύο οργάνων και το συνδυασμό τους προέκυψε ότι η μετακίνηση της γέφυρας στη διέλευση του τραίνου ήταν ~6-7mm και η κύρια ιδιοσυχνότητα της ~3.1-3.2Hz. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι η κυματομορφή της απόκρισης παρουσιάζει διακριτή μορφή που εκφράζει το πλήθος των βαγονιών του συρμού. Το τελικό συμπέρασμα της διατριβής (Μέρος Ε) είναι ότι η τεκμηρίωση των νέων ορίων εφαρμογής και ποιότητας των καταγραφών GPS, RTS (>5mm, <5Hz) δεν επιτρέπει τη χρήση τους μόνο σε εύκαμπτες κατασκευές (καλωδιωτές γέφυρες, κλπ.) όπως εκτιμάτο μέχρι πρόσφατα, αλλά και σε πιο δύσκαμπτες κατασκευές (δικτυωτές γέφυρες, κλπ.), κάνοντας αυτά πολύτιμο εργαλείο στον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας (Structural Health Monitoring) ευρέως τύπου κατασκευών. Η όλη έρευνα στόχευσε σε όργανα, λογισμικά και τεχνικές προσιτές σε ευρύ φάσμα ερευνητών, ώστε η μέθοδος να μην περιορίζεται σε μερικούς ειδικούς, αλλά εκτιμάται ότι τυχόν χρήση βελτιωμένων λογισμικών, οργάνων εξελιγμένων προδιαγραφών και ειδικών υπολογιστικών τεχνικών θα επιτρέψει στο εγγύς μέλλον βελτίωση της απόδοσης των δύο γεωδαιτικών οργάνων. / The main topic of this dissertation is the assessment of the performance of GPS and RTS in monitoring movements of rigid structures, such as those with main modal frequencies higher than 2Hz. This study was based on experiments of computer-controlled oscillations which were recorded simultaneously by GPS and RTS. These experiments proved that GPS was accurate in definition of the waveform of the oscillation and its frequency, while RTS was more accurate in amplitude definition. The analysis of GPS, RTS data were based on adaptive filter and spectral analysis technique developed in the Geodesy Lab. of PAtras University, which make possible to overcome data problems such as the gaps of GPS data and the jitter and clipping effect of RTS data. In the second part of this study, GPS and RTS and the developed methodology are adopted for the definition of the dynamic characteristics of two rigid structures a steel pedestrian bridge and a steel train bridge. Based on the combination of the results of GPS and RTS data the main vertical movement and the main modal frequencies of the structures were defined, proving that the combination of these instruments and by using appropriate the definition of the dynamic characteristics even of rigid structures is possible

Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε για πρώτη φορά η δυνατότητα επέκτασης του ορίου εφαρμογής της γεωδαιτικής μεθόδου μέτρησης μετακινήσεων σε πλέον άκαμπτες (υψίσυχνες) κατασκευές με τη χρήση οργάνων GPS δειγματοληψίας 100Hz. Τα όργανα αυτά αποτελούν πρόκληση για διάφορους τομείς καθώς έχουν δυνατότητα δειγματοληψίας σχεδόν ίδιας τάξης μεγέθους με όργανα που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για την καταγραφή δυναμικών κινήσεων όπως επιταχυνσιογράφοι, σεισμόμετρα κτλ. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά του θορύβου των οργάνων GPS-100Hz μέσα από συστηματικά πειράματα “supervised learning”, όπου στατικοί δέκτες ή δέκτες κινούμενοι σε γνωστές οριζόντιες και κατακόρυφες τροχιές, επέτρεπαν να καταγραφεί και να αναλυθεί ο στατικός και δυναμικός θόρυβος διαφόρων τύπων. Η περαιτέρω μελέτη του θορύβου έδειξε ότι οι συσχετίσεις και το εύρος του επηρεάζονται σημαντικά από το εύρος συχνοτήτων του βρόχου PLL (Phase-Locked Loop bandwidth) του δέκτη GPS. Η χρήση βρόχου PLL με εύρος συχνοτήτων (bandwidth) 100Hz εξασφαλίζει ασυσχέτιστες μετρήσεις αλλά αυξάνει σημαντικά το εύρος του θορύβου (τυπική απόκλιση περίπου 3mm στους οριζόντιους άξονες και περίπου 6-7mm στον κατακόρυφο). Το φάσμα συχνοτήτων του θορύβου των χρονοσειρών συντεταγμένων GPS-100Hz χαρακτηρίζεται από μη τυχαίο (χρωματισμένο) θόρυβο στις χαμηλές συχνότητες (μέχρι περίπου 0.5Hz) και πρακτικά τυχαίο θόρυβο για τις υψηλές συχνότητες. Επιπλέον λόγω της δυνατότητας υψηλού ρυθμού δειγματοληψίας των οργάνων GPS-100Hz, έγινε δυνατό να διερευνηθεί για πρώτη φορά το φαινόμενο της δυναμικής πολυανάκλασης του δορυφορικού σήματος από κινούμενες ανακλαστικές επιφάνειες (dynamic multipath) και η επίδρασή του στις χρονοσειρές στιγμιαίων συντεταγμένων GPS. Με βάση τα συμπεράσματα της ανάλυσης των πειραματικών δεδομένων αναπτύχθηκε μεθοδολογία απομείωσης του θορύβου των χρονοσειρών στιγμιαίων μετατοπίσεων κατασκευών ενδιαφέροντος Πολιτικού Μηχανικού με βάση ψηφιακά φίλτρα ζώνης. Η μεθοδολογία αυτή επιτρέπει να εκτιμηθούν οριζόντιες και κατακόρυφες μετακινήσεις της τάξης των λίγων χιλιοστών. Η παραπάνω μεθοδολογία εφαρμόστηκε στις καταγραφές των ταλαντώσεων μίας ξύλινης πεζογέφυρας στην περιοχή της Πάτρας. Από αφιλτράριστες μετρήσεις GPS-100Hz εκτιμήθηκε εύρος εγκάρσιας ταλάντωσης της τάξης των 60-70mm και συχνότητα ταλάντωσης 0.92Hz. Στον κατακόρυφο άξονα εκτιμήθηκε συχνότητα ταλάντωσης 6.5Hz ενώ μετά την απομάκρυνση του θορύβου των μετρήσεων εκτιμήθηκε εύρος κατακόρυφης ταλάντωσης της τάξης των 3mm. Η πειραματική και αναλυτική διερεύνηση δείχνουν ότι η υψηλή δειγματοληψία που παρέχουν τα νέα όργανα GPS-100Hz προσφέρει δυνατότητα καλύτερης εκτίμησης των χαρακτηριστικών ταλάντωσης (συχνότητα/εύρος) σχετικά εύκαμπτων κατασκευών αλλά και επέκτασης των ορίων εφαρμογής του GPS σε μέτρηση δυναμικών μετακινήσεων δύσκαμπτων κατασκευών (ιδιοσυχνότητα μεγαλύτερη των 5Hz) με εύρος μέχρι λίγα χιλιοστά. / The possibility of the newly introduced GNSS receivers, with sampling rate up to 100Hz, for broadening the limits of application of GPS technology toward measuring the displacements of stiff (high-frequency) Civil Engineering Structures was studied in the present thesis. The new generation GPS receivers present a great challenge for various applications since they offer a sampling rate similar to the sampling rate of traditional instruments used in vibration measurement/monitoring like accelerometers and seismometers. The noise characteristics of the 100Hz GPS measurements were studied on the basis of systematic “supervised learning” experiments where instantaneous coordinate time-series from stationary receivers or receivers performing motions with known characteristics permitted to study static and dynamic noise of several types including noise due to dynamic multipath. The last phenomenon has been identified during the measurements of the response of bridges due to excitation by passing vehicles. The study of noise characteristics indicated that the correlations and noise amplitude is highly dependent on the PLL (Phase-Locked Loop) bandwidth used by the GPS receiver. The use of a 100Hz PLL bandwidth ensures uncorrelated instantaneous coordinates but at the cost of high amplitude noise (standard deviation approximately 3mm and 6-7mm along the horizontal and vertical axes respectively). The noise spectrum is characterized by a power-law with colored noise affecting low frequencies up to approximately 0.5Hz and white noise affecting higher frequencies. A methodology for the reduction of noise of the instantaneous coordinate time-series using band-pass filtering has been designed on the basis of the results of the experimental data. Application of the methodology permits the identification of millimeter level dynamic displacements similar to the ones developed during structural vibrations. The methodology was applied on the measurements of the oscillations of a timber bridge in Patras, Greece. Oscillation amplitudes around 60-70mm and a fundamental natural frequency of 0.92Hz were identified along the lateral axis of the bridge on the basis of unfiltered GPS coordinates. The first natural frequency along the vertical axis was estimated at 6.5Hz. After the de-noising of the GPS coordinates vertical oscillation amplitudes of around 3mm were successfully identified. The main result from the experimental and analytical investigation carried out in the present thesis is that the newly introduced GPS receivers with sampling rate up to 100Hz provide the opportunity of more detailed measurement of the oscillations and extraction of the dynamic characteristics of relatively flexible structures as well as the broadening of the limits of applications of GPS toward the measurement of dynamic displacements of stiff (natural frequencies >5Hz) structures.

Η παρούσα διατριβή μελετά τις δυνατότητες υπολογισμού του πεδίου ροής δύο λειτουργικών παραμέτρων συμπεριλαμβανομένων του εκπεμπόμενου θορύβου και των εκπεμπόμενων ρύπων. Εξετάζεται η αλληλεπίδραση της καύσης με το ρευστο-θερμοδυναμικό πεδίο και τις χημικές αντιδράσεις. Περιγράφονται συνοπτικά οι διέπουσες εξισώσεις, οι μέθοδοι και τα μοντέλα της τυρβώδους καύσης και επισημαίνονται τα πλεονεκτήματα του μοντέλου των μεγάλων δινών (LES) το οποίο επιλέχθηκε εδώ. Αναπτύσσεται ένας εύχρηστος, από την ρευστοδυναμική υπολογιστική μεθοδολογία, πολυβηματικός μηχανισμός για δύο καύσιμα άμεσου ενδιαφέροντος το μεθάνιο και το προπάνιο. Προτείνεται, δηλαδή, ένα απλοποιημένο χημικό σχήμα για την οξείδωση των βασικών καυσίμων το οποίο περιέχει τον σχηματισμό του NΟx και της παραγωγής καπναιθάλης. Μετά από ανάλυση του ρόλου της καύσης στην ακουστική διακρίνονται οι δύο χαρακτηριστικοί τύποι: του θορύβου τυρβώδους καύσης (βόμβος – roar) και του θορύβου από τις ταλαντώσεις της καύσης (combustion oscillation). Παρουσιάζεται η κυματική εξίσωση και εισάγεται η έννοια του θερμο-ακουστικού όρου ο οποίος είναι συνάρτηση της απελευθερωμένης θερμότητας (q) στην φλόγα και εμφανίζεται ως όρος πηγής στην βασική εξίσωση. Στη συνέχεια η φλόγα εξετάζεται ως αυτόνομος πηγή αλλά και ως ενισχυτής θορύβου. Με την προσέγγιση της Προσομοίωσης των Μεγάλων Δινών (Large Eddy Simulation, LES) αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία υπολογισμού του θορύβου που εκπέμπεται από το μέτωπο τυρβωδών φλογών διάχυσης. Στο πλαίσιο της προτεινομένης μεθοδολογίας το αποτέλεσμα ήταν η ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου προγνωστικού υπολογιστικού κώδικα. Στην συνέχεια υπολογίζεται το αεροθερμοδυναμικό τυρβώδες πεδίο ροής μέσω τελειοποίησης κωδίκων του Εργαστηρίου Τεχνικής Θερμοδυναμικής, των κωδίκων που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσης εργασίας αλλά και του εμπορικού κώδικα Fluent. Η μεθοδολογία, που αναπτύχθηκε με την παρούσα ερευνητική εργασία, πιστοποιήθηκε μέσω μιας σειράς πρωτότυπων μετρήσεων, του εκπεμπόμενου θορύβου στις συρρέουσες, εφαπτόμενες και ανυψωμένες και ανακυκλοφορούσες (χαμηλού και υψηλού λόγου καυσίμου/αέρα) φλόγες, σε πρωτότυπες πειραματικές διατάξεις του Εργαστηρίου. Συγκεκριμένα διαμορφώθηκε ένας καινοτόμος αεροδυναμικός φλογοσυγκρατητής πολλαπλών εγχύσεων που διατηρεί μια πλούσια γκάμα φλογών με ιδιαίτερα χαμηλό λόγο καυσίμου/αέρα. Επιτεύχθηκαν πειραματικές μετρήσεις, του ορμικού και θερμοκρασιακού πεδίου διαφόρων μορφών τυρβωδών φλογών, συντάχθηκαν σχετικά διαγράμματα και υπολογίσθηκαν οι αρχικές και οριακές συνθήκες των πειραμάτων. / In the present work the calculation of two parameters, the radiated noise and pollutants are studied. The interaction between combustion, the aerothermodynamical field and the chemical reactions is studied. The equations, the methods and the models of turbulent combustion are described here and the advantages of the large eddy simulation model (LES) which has been chosen for this case, are marked. A multi-step chemistry mechanism is developed for two fuels of great interest: methane and propane. A simple chemical scheme for the oxidation of basic fuels which includes the formation of NOx and soot is suggested in the present work. After analyzing the role of combustion in the acoustics two types of noise are distinguished the turbulent combustion noise and the noise from combustion oscillation. The wave equation is presented and the definition of thermo acoustic term which is a function of the heat release q in flame and it appears as a source term in the basic equation. The flame is examined as an autonomous source as well as a noise amplifier. With the approach of large eddy simulation (LES) a methodology for the noise calculation is developed which noise is from the turbulent diffusion flame front. In the place of the suggested methodology the result was the development of a 3-D computational code. The turbulent aerothermodynamical flow field is computed by codes has been developed in the laboratory of technical thermodynamic and by the commercial code (fluent). The methodology, which has been developed in the present work, has been certificated through a series of original measurements of the emitted noise in coaxial, tangential and lifted flames in original experimentallayouts.

Το πρόβλημα που αντιμετωπίζει η διατριβή αφορά στη μοντελοποίηση μη-στασίμων τυχαίων ταλαντώσεων επί τη βάσει μετρήσεων του σήματος της ταλάντωσης, μέσω μοντέλων FS-TAR/TARMA. Οι στόχοι της διατριβής περιλαμβάνουν την αποτίμηση της εφαρμοσιμότητας των μεθόδων FS-TAR/TARMA για την μοντελοποίηση και ανάλυση της ταλάντωσης χρονικά μεταβαλλόμενών κατασκευών, καθώς και τη σύγκρισή τους με εναλλακτικές παραμετρικές μεθόδους του πεδίου του χρόνου. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται και στην αντιμετώπιση θεμάτων που σχετίζονται με την εκτίμηση μοντέλων FS-ΤAR/TARMA, καθώς και στην θεωρητική ασυμπτωτική ανάλυση των ιδιοτήτων των εκτιμητριών που χρησιμοποιούνται. Η διατριβή αρχικά παρουσιάζει μια συγκριτική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας στο θέμα της μοντελοποίησης μη-στασίμων ταλαντώσεων μέσω παραμετρικών μεθόδων του πεδίου του χρόνου, η οποία και επιδεικνύει τα πλεονεκτήματα των μεθόδων FS-TAR/TARMA. Στη συνέχεια αντιμετωπίζεται μια σειρά προβλημάτων που εμφανίζονται κατά την εκτίμηση (των παραμέτρων) και την επιλογή της δομής του μοντέλου. Η αποτελεσματικότητα των μεθόδων FS-TAR/TARMA για την μοντελοποίηση και ανάλυση μη-στάσίμων ταλαντώσεων επιδεικνύεται και πειραματικά μέσω εφαρμογής στην οποία πραγματοποιείται επιτυχής εξαγωγή των δυναμικών χαρακτηριστικών μιας εργαστηριακής χρονικά μεταβαλλόμενης κατασκευής. Στη συνέχεια, η διατριβή εστιάζει στην αναζήτηση ακριβέστερων εκτιμητριών, καθώς και στην ασυμπτωτική ανάλυση των ιδιοτήτων των εκτιμητριών «γενικών» (όχι αναγκαστικά περιοδικά μεταβαλλόμενων) μοντέλων FS-TAR/TARMA. Συγκεκριμένα, εξετάζονται οι περιπτώσεις των εκτιμητριών σταθμισμένων ελαχίστων τετραγώνων [Weighted Least Squares (WLS)], μέγιστης πιθανοφάνειας [Maximum Likelihood (ML)], καθώς και μια εκτιμήτρια πολλαπλών σταδίων [Multi Stage (MS)], η οποία αναπτύσσεται στην παρούσα διατριβή και είναι ασυμπτωτικά ισοδύναμη με την εκτιμήτρια ML ενώ ταυτόχρονα χαρακτηρίζεται από μειωμένη υπολογιστική πολυπλοκότητα. Στη διατριβή αποδεικνύεται η συνέπεια (consistency) των εκτιμητριών αυτών και εξάγεται η ασυμπτωτική κατανομή (asymptotic distribution) τους. Παράλληλα, αναπτύσσεται μια συνεπής εκτιμήτρια του ασυμπτωτικού πίνακα συνδιασποράς και μια μέθοδος για τον έλεγχο εγκυρότητας των μοντέλων FS-TAR/TARMA. Η ορθότητα των αποτελεσμάτων της ασυμπτωτικής ανάλυσης επιβεβαιώνεται μέσω μελετών Monte Carlo. / The thesis studies the problem of non-stationary random vibration modeling and analysis based on available measurements of the vibration signal via Functional Series Time-dependent AutoRegressive / AutoRegressive Moving Average (FS-TAR/ TARMA) models. The aims of the thesis include the assessment of the applicability of FS-TAR/TARMA methods for the modeling and analysis of non-stationary random vibration, as well as their comparison with alternative time-domain parametric methods. In addition, significant attention has been paid to the FS-TAR/TARMA estimation problem and to the theoretical asymptotic analysis of the estimators. A critical overview and comparison of time-domain, parametric, non-stationary random vibration modeling and analysis methods is firstly presented, where the high potential of FS-TAR/TARMA methods is demonstrated. In the following, a number of issues concerning the FS-TAR/TARMA model (parameter) estimation and model structure selection are considered. The effectiveness of the FS-TARMA methods for non-stationary random vibration modeling and analysis is experimentally demonstrated, through their application for the recovery of the dynamical characteristics of a time-varying bridge-like laboratory structure. In the sequel, the thesis focuses on the asymptotic analysis of “general” (that is not necessarily periodically evolving) FS-TAR/TARMA estimators. In particular, the Weighted Least Squares (WLS) and Maximum Likelihood (ML) estimators are both investigated, while a Multi Stage (MS) estimator, that approximates the ML estimator at reduced complexity, is developed. The consistency of the considered estimators is established and their asymptotic distribution is extracted. Furthermore, a consistent estimator of the asymptotic covariance matrix is formulated and an FS-TAR/TARMA model validation method is proposed. The validity of the theoretical asymptotic analysis results is assessed through several Monte Carlo studies.

The current research work aims at the development of Biomedical Neuroengineering tools (Biotechnologies) for the in-depth functional study, rapid diagnosis, continuous monitoring and well-timed management of acute and chronic brain disorders, of individuals that are subjected to or suffer from any kind of systemic hypoxaemia or more localized brain hypoxia; as well as the functional assessment and continuous control of adaptability during the training of “altinauts” and generally of individuals that practice activities and function within environments of increased visual-cognitive-motor response demands (a type of brain “stress test”). For this purpose, we subject the entire visuocognitive system, from the elementary sensory to the most complex cognitive level, to an experimental test of categorical discrimination of complex visuocognitive stimuli, following ultra-rapid visual stimulation that leads to a motor response upon categorization of targets (images of animals elicit productive responses) and to its suppression upon categorization of nontargets (images of nonanimals elicit inhibitory responses). The oscillatory electro-physiological responses that are concurrently recorded at the occipital-temporal-parietal brain areas are analyzed in the time-domain (<20Hz) and in the joint time-frequency domain broadband (1-60Hz) with the Continuous Wavelet Transform that optimizes the multiresolution analysis of the high frequency (≥20Hz) γ-band oscillatory activity. This visuocognitive categorization test takes place in normoxaemic as well as hypoxaemic conditions (monitored reduction in the blood oxygen saturation from ≥97% to around 80% under conditions of hypobaric hypoxia within a hypobaric chamber), in order to assess electrophysiological markers that can detect and capture in the most sensitive and dynamic way even so transient, short-living and rather mild changes in brain function. The statistical parametric analysis of the time-frequency maps and the generalized, statistically safer, method of analysis of variance have established as the most sensitive and reliable the following markers: the major deflections of the evoked potentials, the phase-coherence factor of the oscillations across single-trials and the elicited energy of the evoked/phase-locked and the induced/total oscillatory activity. These electrophysiological markers in conjunction with psychometric tests allow for the investigation of the stages/levels of the decline as well as of the compensatory reserves in the visual-perceptive and cognitive-mental brain functions in order to determine the functional sensitivity thresholds of different brain functions to hypoxia. They open up the way for the functional characterization, the diagnosis and monitoring of brain insults or other acute and chronic pathological brain conditions. / Η παρούσα ερευνητική εργασία στοχεύει στην ανάπτυξη εργαλείων Βιοϊατρικής Νευρομηχανικής (Βιοτεχνολογίες) για την σε βάθος λειτουργική μελέτη, ταχεία διάγνωση, συνεχή παρακολούθηση και έγκαιρη αντιμετώπιση οξέων και χρόνιων εγκεφαλικών διαταραχών, ατόμων που υπόκεινται σε ή πάσχουν από οιαδήποτε μορφή συστηματικής υποξαιμίας ή πιο εντοπισμένης εγκεφαλικής υποξίας, καθώς και για την λειτουργική αξιολόγηση και το συνεχή έλεγχο της προσαρμοστικότητας κατά την εξάσκηση των «υψιβατών», και γενικότερα ατόμων που ασκούν δραστηριότητες και λειτουργούν μέσα σε περιβάλλοντα αυξημένων οπτικο-γνωστικο-κινητικών απαιτήσεων (ένα είδος «στρες τεστ» για τον εγκέφαλο). Για το σκοπό αυτό υποβάλλουμε ολόκληρο το οπτικογνωστικό σύστημα, από το στοιχειώδες αισθητηριακό έως το πιο πολύπλοκο νοητικό επίπεδο, σε μια πειραματική δοκιμασία κατηγορικής διάκρισης σύνθετων οπτικογνωστικών ερεθισμάτων, μετά από υπερταχεία οπτική διέγερση που οδηγεί στην έκλυση κινητικής απάντησης κατά την κατηγοριοποίηση στόχων (εικόνες «ζώων» εκλύουν παραγωγικές αποκρίσεις) και στην καταστολή της κατά την κατηγοριοποίηση μη-στόχων (εικόνες «μη-ζώων» εκλύουν ανασταλτικές αποκρίσεις). Οι ταλαντωτικές ηλεκτροφυσιολογικές αποκρίσεις που συγχρόνως καταγράφονται στις ινιακές-κροταφικές-βρεγματικές περιοχές του εγκεφάλου αναλύονται στο πεδίο του χρόνου (<20Hz) και στο συζευγμένο χρονοφασματικό πεδίο ευρυζωνικά (1-60Hz) με το συνεχή μετασχηματισμό του κυματίου που βελτιστοποιεί την πολυφασματική ανάλυση της υψίσυχνης (≥20Hz) γ-ταλαντωτικής δραστηριότητας. Αυτή η δοκιμασία οπτικογνωστικής κατηγοριοποίησης λαμβάνει χώρα τόσο σε νορμοξαιμικές όσο και υποξαιμικές συνθήκες (ελεγχόμενη μείωση στον κορεσμό του αίματος σε οξυγόνο από ≥97% γύρω στο 80% για 15 λεπτά κάτω από συνθήκες υποβαρικής υποξίας μέσα σε υποβαρικό θάλαμο), προκειμένου να ελέγξουμε ηλεκτροφυσιολογικούς δείκτες που μπορούν να ανιχνεύσουν και να συλλάβουν με τον πιο ευαίσθητο και δυναμικό τρόπο ακόμη και τόσο βραχύβιες και σχετικά ήπιες μεταβολές της εγκεφαλικής λειτουργίας. Η στατιστική παραμετρική ανάλυση των χρονοφασματικών χαρτών και η γενικευμένη, στατιστικά πιο ασφαλής, μέθοδος ανάλυσης των διακυμάνσεων ανέδειξαν ως πλέον ευαίσθητους και αξιόπιστους τους ακόλουθους δείκτες: τις κύριες αιχμές των προκλητών δυναμικών, τον παράγοντα φασικής συνάφειας των ταλαντώσεων μεταξύ των μοναδιαίων καταγραφών και την εκλυόμενη ενέργεια των προκλητών/φασικά-κλειδωμένων και επαγόμενων/ολικών ταλαντώσεων. Οι ηλεκτροφυσιολογικοί αυτοί δείκτες σε συνδυασμό με ψυχομετρικές δοκιμασίες επιτρέπουν τη διερεύνηση των σταδίων/επιπέδων κάμψης καθώς και των αποθεμάτων αντιρρόπησης των οπτικο-αντιληπτικών και γνωστικών-νοητικών λειτουργιών του εγκεφάλου για τον καθορισμό των λειτουργικών ουδών ευαισθησίας διάφορων εγκεφαλικών λειτουργιών στην υποξία. Ανοίγουν μάλιστα το δρόμο. για το λειτουργικό χαρακτηρισμό, τη διάγνωση και την παρακολούθηση εγκεφαλικών προσβολών ή άλλων οξέων και χρόνιων παθολογικών καταστάσεων του εγκεφάλου.