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.

Σκοπός της εργασίας είναι η ανάπτυξη μεθόδου εντοπισμού εγκεφαλικών ρυθμών στο χρόνο χρησιμοποιώντας περιορισμούς που στηρίζονται στα νευροφυσιολογικά χαρακτηριστικά του κάθε υθμού τόσο στο πεδίο του χώρου (spatial constraints) όσο και στο πεδίο της συχνότητας (frequency constraints). Η μέθοδος στηρίζεται στην τεχνική ανάλυσης σε ανεξάρτητες συνιστώσες (ICA) και δεν απαιτεί πολυκάναλες καταγραφές (MEG). Πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν τον εντοπισμό α-ρυθμού, επιληπτικών κρίσεων, μ-ρυθμού και ρυθμών κυρίαρχων στα στάδια του ύπνου. Η προτεινόμενη μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση καταγραφών ΗΕΓ τόσο σε πραγματικό χρόνο (online) όσο και σε προαποθηκευμένα δεδομένα (offline). / The goal of the present thesis is the development of a method for temporal detection of electrophysiological brain rhythms, using constraints based on neurophysiological, spatial and frequency characteristics of every rhythm. The method is based on Independent Component Analysis (ICA) and does not require multichannel recordings (MEG). Possible applications include temporal detection of α-rhythm, μ-rhythm and sleep dominant rhythms. The proposed method can be used in both online and offline EEG analysis.

Une arithmétique sûre et efficace est un élément clé pour exécuter des calculs rapides et sûrs. Le choix du système numérique et des algorithmes arithmétiques est important. Nous présentons une nouvelle représentation des nombres, les "RN-codes", telle que tronquer un RN-code à une précision donnée est équivalent à l'arrondir au plus près. Nous donnons des algorithmes arithmétiques pour manipuler ces RN-codes et introduisons le concept de "RN-code en virgule flottante." Lors de l'implantation d'une fonction f en arithmétique flottante, si l'on veut toujours donner le nombre flottant le plus proche de f(x), il faut déterminer si f(x) est au-dessus ou en-dessous du plus proche "midpoint", un "midpoint" étant le milieu de deux nombres flottants consécutifs. Pour ce faire, le calcul est d'abord fait avec une certaine précision, et si cela ne suffit pas, le calcul est recommencé avec une précision de plus en plus grande. Ce processus ne s'arrête pas si f(x) est un midpoint. Étant donné une fonction algébrique f, soit nous montrons qu'il n'y a pas de nombres flottants x tel que f(x) est un midpoint, soit nous les caractérisons ou les énumérons. Depuis le PowerPC d'IBM, la division en binaire a été fréquemment implantée à l'aide de variantes de l'itération de Newton-Raphson dues à Peter Markstein. Cette itération est très rapide, mais il faut y apporter beaucoup de soin si l'on veut obtenir le nombre flottant le plus proche du quotient exact. Nous étudions comment fusionner efficacement les itérations de Markstein avec les itérations de Goldschmidt, plus rapides mais moins précises. Nous examinons également si ces itérations peuvent être utilisées pour l'arithmétique flottante décimale. Nous fournissons des bornes d'erreurs sûres et précises pour ces algorithmes.

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.

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).

Αρχικά εξετάζεται η φυσιολογία της καρδιάς και η λειτουργία της ως αντλίας, οι διάφορες φάσεις του καρδιακού κύκλου και τα αίτια των φαινομένων που παρατηρούνται σε αυτόν. Στη συνέχεια μελετώνται οι καρδιακοί ήχοι, η προέλευσή τους και μέθοδοι παρατήρησής τους, το ηλεκτροκαρδιογράφημα, τα χαρακτηριστικά του και οι εφαρμογές του. Ακολούθως εξετάζεται η δειγματοληψία, επεξεργασία και ανάλυση βιολογικών σημάτων. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται οι μέθοδοι και οι αλγόριθμοι με τους οποίους λαμβάνονται τα ηλεκτροκαρδιογραφικά και φωνοκαρδιογραφικά σήματα, απομακρύνεται ο θόρυβος που προστίθεται από διάφορες πηγές και ανιχνεύονται συγκεκριμένα χαρακτηριστικά των κυματομορφών των σημάτων και ιδιότητές τους, για να αναλυθούν και να γίνει διάγνωση δυσλειτουργιών και παθολογιών της καρδιάς. Τέλος, αναπτύσσεται κώδικας συνεχούς δειγματοληψίας τεσσάρων καναλιών και καταγραφής των δεδομένων δειγματοληψίας σε μια κάρτα μνήμης πολυμέσων, προγραμματίζοντας τον μικροεπεξεργαστή MSP430F169 της Texas Instruments. / In the first part, the physiology of the heart and its functionality as a pump are studied, considering the different phases of a heart cycle and the phenomena observed within. Furthermore, heart sounds, their origin and methods of detection are examined, alongwith the electrocardiogram, its characteristics and applications. Secondly, sampling, processing and analysing methods of biosignals are described. In particular,techniques for ECG and PCG signal acquisition, noise reduction and detection of unique properties and characteristics are studied for analysis and diagnosis of heart disorders and pathologies. Finally, a code for continuous sampling of four channels and storing the sampled data into a multimedia memory card is developed, programming the MSP430F169 microcontroller, by Texas Instruments.

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.

This Master Thesis presents a novel classification approach for microcalcifications (MCs) extracted from core biopsy tissue samples digitized using micro-CT, a high-resolution 3D imaging modality. MCs are tiny spots of calcium that may occur in the female breast. Although they are common in healthy woman, they are often an early sign of breast cancer. The shape of the MCs is an important factor used to discriminate between benign and malignant abnormalities. However, the current standard imaging modalities (i.e. mammography) are not efficient for a clear shape based analysis. In case of suspiciousness, a biopsy is conducted and the extracted tissue is anatomopathologically investigated for the presence of cancer cells. Nevertheless, only 20-35% of biopsies turn out to be positive. As such, the question whether some unnecessary biopsies can be avoided if the shape of the MCs could be analysed in more detail has been raised. In addition, the MCs themselves are not analysed, but they are characterised as benign (or malignant) according to whether they were found into a benign (or malignant) tissue. As a result, there is a ground truth for the tissue samples but not for the individual MCs. So, when a classifier of a Computer Aided Diagnosis System will be asked to classify a MC according to its shape, there will be a degree of ambiguity and uncertainty. This master thesis investigates whether the use of a clustering method as a preprocessing step before training the classifier could avoid the ground truth issues and could improve the obtained classification results. / Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία παρουσιάζει μια νέα μέθοδο για την ταξινόμηση μικροαποτιτανώσεων μαστού που έχουν εξαχθεί από βιοψίες και έχουν ψηφιοποιηθεί με χρήση micro-CT, μια υψηλής ανάλυσης, τρισδιάστατη τεχνική απεικόνισης. Οι μικροαποτιτανώσεις (ή αλλιώς μικροασβεστώσεις) αποτελούν μικρά αποθέματα ασβεστίου στον μαστικό αδένα. Παρόλο που μπορεί να εμφανιστούν και σε υγιείς γυναίκες, μπορούν να αποτελέσουν ένα πρώιμο σημάδι καρκίνου του στήθους. Το σχήμα είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες ο οποίος βοηθάει στη διάκριση ανάμεσα σε καλοήθεις και κακοήθεις μικροασβεστώσεις, ωστόσο δεν μπορεί να απεικονιστεί επαρκώς μέσω των στανταρ απεικονιστικών τεχνικών (μαστογραφία). Σε περίπτωση υποψίας κακοήθειας, διεξάγεται βιοψία με σκοπό την απομάκρυνση ιστού από την ύποπτη περιοχή και την ανατομοπαθολογική του εξέταση για την παρουσία καρκινικών κυττάρων. Ωστόσο, μονο το 20%-35% των βιοψιών αποδεικνύονται κακοήθεις. Ως εκ τούτου, έχει τεθεί το ερώτημα κατά πόσο μπορούν να αποφευχθούν οι μη απαραίτητες βιοψίες εάν το σχήμα των μικροασβεστώσεων μπορούσε να μελετηθεί πιο λεπτομερώς. Επιπροσθέτως, οι μικροασβεστώσεις αυτές καθ’ εαυτές δεν αναλύονται αλλά χαρακτηρίζονται ως καλοήθεις (ή κακοήθεις) με βάση το αν βρέθηκαν μεσα σε καλοήθες (ή κακοήθες) ιστό. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει βάση αναφοράς για τα δείγματα ιστού αλλά όχι για τις μικροασβεστώσεις. Έτσι, όταν ζητηθεί από έναν ταξινομητή ενός συστήματος υποβοηθούμενης διάγνωσης με υπολογιστή να ταξινομήσει μικροασβεστώσεις με βάση το σχήμα τους υπάρχει ένα μεγάλο ποσοστό ασάφειας και αβεβαιότητας. Αυτή η μεταπτυχιακή εργασία έχει σκοπό να ερευνήσει εάν η εισαγωγή ενός βήματος συσταδοποίησης πριν αυτού της ταξινόμησης μπορεί να αποφύγει το πρόβλημα έλλειψης βάσης αναφοράς και να βελτιώσει τα αποτελέσματα της ταξινόμησης.

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

Η ηλεκτρομαγνητική δραστηριότητα του εγκεφάλου μελετάται με τη βοήθεια των μη παρεμβατικών μεθόδων της Ήλεκτροεγκεφαλογραφίας και της Μαγνητοεγκεφαλογραφίας. Ειδικότερα, κάθε ηλεκτροχημικά παραγόμενο ρεύμα στο εσωτερικό του εγκεφάλου δημιουργεί ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό πεδίο, στο εσωτερικό και στο εξωτερικό του εγκεφάλου αντίστοιχα. Τα πεδία αυτά καταγράφονται στην επιφάνεια και στον εξωτερικό χώρο του κρανίου και δίνουν το Ηλεκτροεγκεφαλόγραφημα (EEG) και το Μαγνητοεγκεφαλόγραφημα (MEG) αντίστοιχα, τα οποία μεταφέρουν πληροφορίες για τη λειτουργία του εγκεφάλου τη χρονική στιγμή της καταγραφής. Η παρούσα διατριβή αφορά στη μαθηματική ανάλυση ευθέων και αντίστροφων προβλημάτων που συνδέονται με τις μεθόδους αυτές με σκοπό τον εντοπισμό και το χαρακτηρισμό της πηγής που παρήγαγε τα μετρούμενα πεδία. Στο Μέρος Ι μελετάται αναλυτικά η δομή και λειτουργία του εγκεφάλου, περιγράφεται το φυσικό πρότυπο που χρησιμοποιούμε και γίνεται αναφορά τόσο στη σφαιρική όσο και στην ελλειψοειδή γεωμετρία που αποτελούν τα γεωμετρικά υπόβαθρα. Στο Μέρος ΙΙ επιλύεται το ευθύ πρόβλημα του Βιοηλεκτρισμού στην περίπτωση του σφαιρικού ομογενούς προτύπου για τον ανθρώπινο εγκέφαλο, όπου η πηγή είναι αυθαίρετη κατανομή ρεύματος. Αποδεικνύεται ό,τι, στο εξωτερικό ηλεκτρικό δυναμικό δεν εμπεριέχεται η συνεισφορά του σωληνοειδούς μέρους της εφαπτομενικής συνιστώσας του ρεύματος και συνεπώς το αντίστοιχο αντίστροφο πρόβλημα είναι μη μοναδικό. Με την απαίτηση το ρεύμα να ελαχιστοποιεί την , το αντίστροφο πρόβλημα επιλύεται μοναδικά και προσδιορίζονται οι συνιστώσες του νευρωνικού ρεύματος από γνωστές μετρήσεις του ηλεκτρικού δυναμικού. Τα κύρια χαρακτηριστικά καθώς και οι περιορισμοί που επιβάλλουν το φυσικό και το γεωμετρικό πρόβλημα αναλύονται λεπτομερώς. Στο Μέρος ΙΙΙ επιλύονται ευθέα προβλήματα του Βιοηλεκτρομαγνητισμού σε ελλειψοειδή γεωμετρία και αντλούμε χρήσιμα συμπεράσματα για την αντιστροφή των προβλημάτων MEG. Συγκεκριμένα υπολογίστηκε η οκταπολική προσέγγιση του μαγνητικού πεδίου που παράγεται στο εξωτερικό του πλέον ρεαλιστικού ομογενούς προτύπου για τον ανθρώπινο εγκέφαλο, που είναι το ελλειψοειδές, συναρτήσει των ελλειψοειδών αρμονικών τρίτου βαθμού. Η βελτίωση αυτή είναι σημαντική καθώς αποδεικνύεται αριθμητικά ότι η μαγνητικά «σιωπηλή» πηγή της τετραπολικής προσέγγισης συνεισφέρει στις μετρήσεις του μαγνητικού πεδίου. Ως εκ τούτου, η νέα αυτή προσέγγιση του μαγνητικού πεδίου παρέχει αρκετές πληροφορίες για την πιθανή αντιστροφή του προβλήματος. Στη συνέχεια επιλύθηκε το ευθύ πρόβλημα του Βιοηλεκτρομαγνητισμού στην περίπτωση που ο εγκεφαλικός ιστός περιλαμβάνει περιοχή υγρού πυρήνα διαφορετικής αγωγιμότητας. Ο πυρήνας αυτός πληρούται από εγκεφαλονωτιαίο υγρό ενώ η πηγή βρίσκεται στον φλοιό του εγκεφαλικού ιστού. Υπολογίζεται το ηλεκτρικό δυναμικό και το μαγνητικό πεδίο στο εξωτερικό του αγωγού και τα αποτελέσματα συγκρίνονται αναλυτικά και αριθμητικά με τα αντίστοιχα αποτελέσματα του ομογενούς προτύπου του εγκέφαλου. Από την σύγκριση αυτή προκύπτει ότι τόσο η ανομοιογένεια εντός του εγκεφαλικού ιστού όσο και η θέση της πηγής υπεισέρχονται με καθοριστικό τρόπο στο μαγνητικό πεδίο του υπό μελέτη προτύπου. / The electromagnetic activity of the human brain is studying via the non invasive methods of Electroencephalography and Magnetoencephalography. It is well known that an electrochemically generated current in the interior of the brain generates an electric and a magnetic field, both in the interior and exterior of the brain. The resulting electric and magnetic fields are measured on the surface and the exterior of the head via the EEG and MEG, respectively. In the present thesis we study direct and inverse EEG and MEG problems in order to identify and characterize the source. In the First Part we describe the morphology and the functionality of the human brain and we state the physical and geometrical models that we use. In the Second Part we solved the direct problem of EEG for the spherical homogeneous model of the brain in the case of a continuously distributed neuronal current. It turns out that the electric potential is independent of the solenoid part of the tangential component of the neuronal current. Consequently, the corresponding inverse problem is not uniquely solvable. Hence, we demand that the current has minimum and in this case we ended up with the complete expansions of the visible part of the current from the knowledge of the electric field. In the Third Part we studied direct problems of MEG in ellipsoidal geometry. In particular we evaluated the octapolic term of the magnetic induction field which it’s produced in the exterior of the ellipsoidal model of the brain-head system. This term provides the highest order terms that can be expressed in closed form. It is shown numerically that the silent source of the quadrupolic term of the magnetic induction field does contribute to the octapolic term. Therefore, the knowledge of the quadrupolic and octapolic terms provides enough data to construct an effective algorithm for inversion. Finally, the direct problem of MEG is presented, in the case where the cerebral tissue is considered as an ellipsoidal conductor and surrounds a fluid ellipsoidal core of different conductivity. The fluid core is occupied by the cerebrospinal fluid and the source lies in the cerebral shell. The electric field in every region and the exterior magnetic induction field are obtained. Furthermore, we compare analytically and numerically the results of the inhomogeneous model with the homogeneous ellipsoidal model. We observed that both the inhomogeniety inside the cerebral tissue and the location of the source appear in the magnetic induction field of the inhomogeneous model. Τhe existence of the fluid core effects the monotonicity of the components of the magnetic field as well as its magnitude.