In everyday life, the ability to perform two tasks simultaneously, dual task, is an omnipresent issue. There are several factors that can limit an individual’s ability to dual task, such as neurological pathologies, or physical disabilities. A reduced ability to perform dual task activities can result in decreased gait performance, higher risk of falls, a high probability of reduced participation, as well as contributing to a number of deterioration processes in the body. There are numerous situations in which dual tasking is used in therapy, however, there is no consensus regarding what kind of dual task to train in order to have the most effective outcomes. The aim of this systematic review is to investigate the relative effect of motor versus cognitive dual task on brain activity patterns and gait performance. Ten studies were identified in a systematic literature review in order to provide insight into the current status concerning the topic. The results showed high variations of analysed parameters and a very small amount of studies examining motor dual tasks. However, results indicated that cognitive dual tasks had a greater impact on brain activity. In regard to gait performance, no definite answer was found. Given the importance of dual tasks in everyday life and the numerous groups of people experiencing difficulties while dual tasking, the possibilities of adapting dual tasks in therapy should be a topic of future research. / Die Fähigkeit, zwei Aufgaben gleichzeitig auszuführen, auch dual tasking genannt, ist im Alltag ein allgegenwärtiges Thema. Es gibt verschiedene Faktoren, die die Fähigkeit eines Menschen, dual tasks auszuführen, einschränken, wie beispielsweise neurologische Pathologien oder körperliche Behinderungen. Die Verminderung dieser Fähigkeit kann zu abnehmender Gangleistung, erhöhtem Fallrisiko und einer hohen Wahrscheinlichkeit für reduzierte Partizipation führen, sowie folglich zu einer Anzahl an Abnützungserscheinungen des Körpers beitragen. Obwohl es zahlreiche Situationen gibt, in denen dual tasking als Intervention in Verwendung kommt, gibt es keinen Konsens bezüglich der Frage welche Art von Doppelaufgabe trainiert werden soll, um möglichst wirksame Resultate zu erzielen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die relativen Effekte von motorischen dual tasks im Vergleich zu kognitiven dual tasks auf die Hirnaktivität und die Gangleistung zu untersuchen. Zehn Studien wurden in der systematischen Übersichtsarbeit ermittelt, um einen Einblick in den aktuellen Stand der Forschung in diesem Thema zu gewährleisten. Die Ergebnisse zeigten eine Vielzahl an verwendeten Analyseparametern und eine kleine Anzahl an Studien zur Untersuchung von motorischen dual tasks. Trotzdem zeigte sich eine größere Auswirkung von kognitiven dual tasks auf die Hirnaktivität. In Bezug auf die Gangleistung konnte keine eindeutige Antwort gefunden werden. Aufgrund der Wichtigkeit von dual tasks im Alltag und der Vielzahl an betroffenen Personengruppen, die Schwierigkeiten bei der Ausführung jener erleben, sollte die Möglichkeiten der Anpassung von dual tasks auf verschiedene Therapieziele und Patientengruppen Thema für zukünftige Forschung sein.

Title of thesis: Source analysis and comparation of Feldenkrais inspired movement and visual stimulation using sLORETA Objectives: The thesis aim is to evaluate intracerebral source activity during a simple arm movement inspired by Feldenkrais method and to compare it with a visual stimulation of the same movement presented in a clip and with an imagination of the same movement. The movement inspired by Feldenkrais method was simplified to a repeated flexion of the dominant arm. Source analysis was evaluated from EEG and processed using sLORETA program, Methods: To obtain the data, experimental group was put together containing 12 participants aged 22-60, (mean = 27.2), both genders included. Participants were subjected to one-off measurement by the EEG instrument. Feldenkrais inspired movement of a flexion of a dominant upper right arm was investigated. The experiment constisted of six parts: 1. native EEG record with eyes closed and open, 2. active flexion of the dominant upper arm with eyes closed, 3. active flexion of the dominant upper arm with eyes opened, 4. watching video presenting repeated upper arm flexion, 5. dominant upper arm flexion imagination with eyes closed. Every part lasted for two minutes. Between individuals parts was inserted a pause. Obtained EEG data were processed with...

El balance del cerebro se altera a nivel estructural y funcional por el consumo de alcohol y puede causar trastornos por consumo de alcohol (TCA). El objetivo de esta Tesis Doctoral fue investigar los efectos del consumo crónico y excesivo de alcohol en el cerebro desde una perspectiva funcional y estructural, mediante análisis de imágenes multimodales de resonancia magnética (RM). Realizamos tres estudios con objetivos específicos: i) Para entender cómo las neuroadaptaciones desencadenadas por el consumo de alcohol se ven reflejadas en la conectividad cerebral funcional entre redes cerebrales, así como en la actividad cerebral, realizamos estudios en ratas msP en condiciones de control y tras un mes con acceso a alcohol. Para cada sujeto se obtuvieron las señales específicas de sus redes cerebrales tras aplicar análisis probabilístico de componentes independientes y regresión espacial a las imágenes funcionales de RM en estado de reposo (RMf-er). Después, estimamos la conectividad cerebral en estado de reposo mediante correlación parcial regularizada. Para una lectura de la actividad neuronal realizamos un experimento con imágenes de RM realzadas con manganeso. En la condición de alcohol encontramos hipoconectividades entre la red visual y las redes estriatal y sensorial; todas con incrementos en actividad. Por el contrario, hubo hiperconectividades entre tres pares de redes cerebrales: 1) red prefrontal cingulada media y red estriatal, 2) red sensorial y red parietal de asociación y 3) red motora-retroesplenial y red sensorial, siendo la red parietal de asociación la única red sin incremento de actividad. Estos resultados indican que las redes cerebrales ya se alteran desde una fase temprana de consumo continuo y prolongado de alcohol, disminuyendo el control ejecutivo y la flexibilidad comportamental. ii) Para comparar el volumen de materia gris (MG) cortical entre 34 controles sanos y 35 pacientes con dependencia al alcohol, desintoxicados y en abstinencia de 1 a 5 semanas, realizamos un análisis de morfometría basado en vóxel. Las principales estructuras cuyo volumen de MG disminuyó en los sujetos en abstinencia fueron el giro precentral (GPreC), el giro postcentral (GPostC), la corteza motora suplementaria (CMS), el giro frontal medio (GFM), el precúneo (PCUN) y el lóbulo parietal superior (LPS). Disminuciones de MG en el volumen de esas áreas pueden dar lugar a cambios en el control de los movimientos (GPreC y CMS), en el procesamiento de información táctil y propioceptiva (GPostC), personalidad, previsión (GFM), reconocimiento sensorial, entendimiento del lenguaje, orientación (PCUN) y reconocimiento de objetos a través de su forma (LPS). iii) Caracterizar estados cerebrales dinámicos en señales de RMf mediante una metodología basada en un modelo oculto de Markov (HMM en inglés)-Gaussiano en un paradigma con diseño de bloques, junto con distintas señales temporales de múltiples redes: componentes independientes y modos funcionales probabilísticos (PFMs en inglés) en 14 sujetos sanos. Cuatro condiciones experimentales formaron el paradigma de bloques: reposo, visual, motora y visual-motora. Mediante la aplicación de HMM-Gaussiano a los PFMs pudimos caracterizar cuatro estados cerebrales a partir de la actividad media de cada PFM. Los cuatro mapas espaciales obtenidos fueron llamados HMM-reposo, HMM-visual, HMM-motor y HMM-RND (red neuronal por defecto). HMM-RND apareció una vez el estado de tarea se había estabilizado. En un futuro cercano se espera obtener estados cerebrales en nuestros datos de RMf-er en ratas, para comparar dinámicamente el comportamiento de las redes cerebrales como un biomarcador de TCA. En conclusión, las técnicas de neuroimagen aplicadas en imagen de RM multimodal para estimar la conectividad cerebral en estado de reposo, la actividad cerebral y el volumen de materia gris han permitido avanzar en el entendimiento de los mecanismos homeostático / La ingesta d'alcohol altera el balanç del cervell a nivell estructural i funcional i pot causar trastorns per consum d' alcohol (TCA). L'objectiu d'aquesta Tesi Doctoral fou estudiar els efectes en el cervell del consum crònic i excessiu d'alcohol, des d'un punt de vista funcional i estructural i per mitjà d'anàlisi d'imatges de ressonància magnètica (RM). Vam realitzar tres anàlisis amb objectius específics: i) Per a entendre com les neuroadaptacions desencadenades pel consum d'alcohol es veuen reflectides en la connectivitat cerebral funcional entre xarxes cerebrals, així com en l'activitat cerebral, vam realitzar estudis en rates msP en les condicions de control i després d'un mes amb accés a alcohol. Per a cada subjecte vam obtindre els senyals de les xarxes cerebrals tras aplicar a les imatges funcionals de RM en estat de repòs una anàlisi probabilística de components independents i regressió espacial. Després, estimàrem la connectivitat cerebral en estat de repòs per mitjà de correlació parcial regularitzada. Per a una lectura de l'activitat cerebral vam adquirir imatges de RM realçades amb manganés. En la condició d'alcohol vam trobar hipoconnectivitats entre la xarxa visual i les xarxes estriatal i sensorial, totes amb increments en activitat. Al contrari, va haver-hi hiperconnectivitats entre tres parells de xarxes cerebrals: 1) xarxa prefrontal cingulada mitja i xarxa estriatal, 2) xarxa sensorial i xarxa parietal d'associació i 3) xarxa motora-retroesplenial i xarxa sensorial, sent la xarxa parietal d'associació l'única xarxa sense increment d'activitat. Aquests resultats indiquen que les xarxes cerebrals ja s'alteren des d'una fase primerenca caracteritzada per consum continu i prolongat d'alcohol, disminuint el control executiu i la flexibilitat comportamental. ii) Per a comparar el volum de MG cortical entre 34 controls sans i 35 pacients amb dependència a l'alcohol, desintoxicats i en abstinència de 1 a 5 setmanes vam emprar anàlisi de morfometria basada en vòxel. Les principals estructures on el volum de MG va disminuir en els subjectes en abstinència van ser el gir precentral (GPreC), el gir postcentral (GPostC), la corteça motora suplementària (CMS), el gir frontal mig (GFM), el precuni (PCUN) i el lòbul parietal superior (LPS). Les disminucions de MG en eixes àrees poden donar lloc a canvis en el control dels moviments (GPreC i CMS), en el processament d'informació tàctil i propioceptiva (GPostC), personalitat, previsió (GFM), reconeixement sensorial, enteniment del llenguatge, orientació (PCUN) i reconeixement d'objectes a través de la seua forma (LPS). iii) Caracterització de les dinàmiques temporals del cervell com a diferents estats cerebrals, en senyals de RMf mitjançant una metodologia basada en un model ocult de Markov (HMM en anglès)-Gaussià en imatges de RMf, junt amb dos tipus de senyals temporals de múltiples xarxes cerebrals: components independents i modes funcionals probabilístics (PFMs en anglès) en 14 subjectes sans. Quatre condicions experimentals van formar el paradigma de blocs: repòs, visual, motora i visual-motora. HMM-Gaussià aplicat als PFMs (senyals de RM funcional de xarxes cerebrals) va permetre la millor caracterització dels quatre estats cerebrals a partir de l'activitat mitjana de cada PFM. Els quatre mapes espacials obtinguts van ser anomenats HMM-repòs, HMM-visual, HMM-motor i HMM-XND (xarxa neuronal per defecte). HMM-XND va aparèixer una vegada una tasca estava estabilitzada. En un futur pròxim s'espera obtindre estats cerebrals en les nostres dades de RMf-er en rates, per a comparar dinàmicament el comportament de les xarxes cerebrals com a biomarcador de TCA. En conclusió, s'han aplicat tècniques de neuroimatge per a estimar la connectivitat cerebral en estat de repòs, l'activitat cerebral i el volum de MG, aplicades a imatges multimodals de RM i s'han obtés resultats que han permés avançar en l'enteniment dels m / Alcohol intake alters brain balance, affecting its structure and function, and it may cause Alcohol Use Disorders (AUDs). We aimed to study the effects of chronic, excessive alcohol consumption on the brain from a functional and structural point of view, via analysis of multimodal magnetic resonance (MR) images. We conducted three studies with specific aims: i) To understand how the neuroadaptations triggered by alcohol intake are reflected in between-network resting-state functional connectivity (rs-FC) and brain activity in the onset of alcohol dependence, we performed studies in msP rats in control and alcohol conditions. Group probabilistic independent component analysis (group-PICA) and spatial regression were applied to resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) images to obtain subject-specific time courses of seven resting-state networks (RSNs). Then, we estimated rs-FC via L2-regularized partial correlation. We performed a manganese-enhanced (MEMRI) experiment as a readout of neuronal activity. In alcohol condition, we found hypoconnectivities between the visual network (VN), and striatal (StrN) and sensory-cortex (SCN) networks, all with increased brain activity. On the contrary, hyperconnectivities were found between three pairs of RSNs: 1) medial prefrontal-cingulate (mPRN) and StrN, 2) SCN and parietal association (PAN) and 3) motor-retrosplenial (MRN) and SCN networks, being PAN the only network without brain activity rise. Interestingly, the hypoconnectivities could be explained as control to alcohol transitions from direct to indirect connectivity, whereas the hyperconnectivities reflected an indirect to an even more indirect connection. These findings indicate that RSNs are early altered by prolonged and moderate alcohol exposure, diminishing the executive control and behavioral flexibility. ii) To compare cortical gray matter (GM) volume between 34 healthy controls and 35 alcohol-dependent patients who were detoxified and remained abstinent for 1-5 weeks before MRI acquisition, we performed a voxel-based morphometry analysis. The main structures whose GM volume decreased in abstinent subjects compared to controls were precentral gyrus (PreCG), postcentral gyrus (PostCG), supplementary motor cortex (SMC), middle frontal gyrus (MFG), precuneus (PCUN) and superior parietal lobule (SPL). Decreases in GM volume in these areas may lead to changes in control of movement (PreCG and SMC), in processing tactile and proprioceptive information (PostCG), personality, insight, prevision (MFG), sensory appreciation, language understanding, orientation (PCUN) and the recognition of objects by touch and shapes (SPL). iii) To characterize dynamic brain states in functional MRI (fMRI) signals by means of an approach based on the Hidden Markov model (HMM). Several parameter configurations of HMM-Gaussian in a block-design paradigm were considered, together with different time series: independent components (ICs) and probabilistic functional modes (PFMs) on 14 healthy subjects. The block-design fMRI paradigm consisted of four experimental conditions: rest, visual, motor and visual-motor. Characterizing brain states' dynamics in fMRI data was possible applying the HMM-Gaussian approach to PFMs, with mean activity driving the states. The four spatial maps obtained were named HMM-rest, HMM-visual, HMM-motor and HMM-DMN (default mode network). HMM-DMN appeared once a task state had stabilized. The ultimate goal will be to obtain brain states in our rs-fMRI rat data, to dynamically compare the behavior of brain RSNs as a biomarker of AUD. In conclusion, neuroimaging techniques to estimate rs-FC, brain activity and GM volume can be successfully applied to multimodal MRI in the advance of the understanding of brain homeostasis in AUDs. These functional and structural alterations are a biomarker of chronic alcoholism to explain impairments in executive control, reward evaluation and visuospatial processing. / Pérez Ramírez, MÚ. (2018). Characterizing functional and structural brain alterations driven by chronic alcohol drinking: a resting-state fMRI connectivity and voxel-based morphometry analysis [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/113164

Καθώς η εξέλιξη της βιοϊατρικής επιστήμης και τεχνολογίας είναι συνεχής και ραγδαία, η έρευνα επικεντρώνεται τόσο στη βελτίωση των κλινικών τεχνικών όσο και στην ανάπτυξη νέων με κυριότερο σκοπό την ακριβέστερη και ασφαλέστερη διάγνωση και θεραπεία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετάται η χρήση δύο περιοχών του φάσματος, των μικροκυματικών και των ηχητικών συχνοτήτων για διαγνωστικές λειτουργικές εφαρμογές εγκεφάλου. Παρόλο που η χρήση των υπερήχων έχει αξιοποιηθεί στην κλινική εφαρμογή, οι αναφορές για τη χρήση των ηχητικών κυμάτων στις βιοιατρικές εφαρμογές είναι περιορισμένες στη διεθνή βιβλιογραφία. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται η ανάπτυξη ενός συστήματος για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου στις ηχητικές συχνότητες. Στα δύο πρώτα κεφάλαια περιγράφονται οι βασικές αρχές που διέπουν την επιστήμη του ήχου (ακουστική) αλλά και οι φυσικές αρχές αλληλεπίδρασης των ηχητικών κυμάτων με τους βιολογικούς ιστούς (δημιουργία και εξέλιξη των φυσικών φαινομένων ανάκλασης, διάθλασης, μετάδοσης και απορρόφησης της ηχητικής δέσμης). Πιο συγκεκριμένα μοντελοποιείται και μελετάται θεωρητικά το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης των ηχητικών κυμάτων με τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση και οι βασικές αρχές της προτεινόμενης μεθόδου για μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας στις ηχητικές συχνότητες καθώς και τα βασικά στοιχεία της πρακτικής της υλοποίησης που περιλαμβάνουν ανάλυση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και των αντίστοιχων μετατροπέων καθώς και το αντίστοιχο σύστημα λήψης ηχητικών σημάτων. Τα μικροκύματα έχουν χρησιμοποιηθεί σε πλήθος διαγνωστικών και θεραπευτικών τεχνικών τόσο σε επίπεδο έρευνας όσο και στην κλινική πράξη. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται θεωρητική μελέτη δύο πολυσυχνοτικών κυρτών προσαρμόσιμων μικροταινιακών τυπωμένων κεραιών για χρήση τους με συστήματα ευαίσθητων δεκτών μικροκυματικής ραδιομετρίας. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφονται η βασική τεχνολογία και οι βασικές αρχές λειτουργίας της παθητικής μεθόδου διάγνωσης με μικροκύματα, της μικροκυματικής ραδιομετρίας. Οι προτεινόμενες κυρτές κεραίες μοντελοποιήθηκαν (κεφάλαιο 5) και μελετήθηκαν με τη βοήθεια του ηλεκτρομαγνητικού προσομοιωτικού λογισμικού πακέτου HFSS που χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι ιδιότητες εστίασης των κεραιων αυτών σε δύο διαφορετικά μοντέλα κεφαλιού στος εύρος συχνοτήτων 2 – 3.5 GHz. / As the evolution in the field of biomedical science and technology is continuous, the research focuses mainly on the improvement of existent clinical techniques and the development of new ones, aiming to the most accurate and safe diagnosis and treatment. In the present thesis, the usage of two frequency bands is investigated, the microwave and sound frequencies for diagnostic functional brain applications. Despite the fact that ultrasounds have been utilized in clinical practice, the references regarding the application of sound frequencies in medical diagnosis are restrained in international literature. In the present thesis the development of a system for diagnostic brain applications operating at sound frequencies is studied. In the first two chapters the basic principles of acoustics and the physical principles of the interaction of sound waves with biological tissue (including physical phenomena of reflection, diffraction, transmission and absorption of sound) are described. More specifically, the problem of the interaction of sound waves with the human brain tissues is theoretically modeled and studied. In the third chapter theoretical analysis and basic principles of the suggested method are given together with the basic points of its practical implementation that include analysis of the piezoelectric phenomenon, the respective piezoelectric transducers and sound signal receiver. Microwaves have been used in many diagnostic and therapeutic techniques both at research level and in clinical practice. Herein, a theoretical study of two multi-frequency conformal microstrip patch antennas is performed, in order to use them in conjunction with sensitive microwave radiometry receivers. In chapter 4 the basic technology and the basic operation principles of the passive diagnostic method with microwaves (microwave radiometry) are described. The suggested conformal antennas are modeled (chapter 5) and studied using the electromagnetic simulation tool HFSS that implements the finite element method (FEM). The properties of these antennas and their focusing ability on specific brain areas are presented at 2 – 3.5 GHz in two different head models.

Les douleurs vertébrales sont fréquentes et incapacitantes. La manipulation vertébrale peut soulager certaines de ces douleurs. Cependant, les mécanismes neurophysiologiques sous-jacents à ces effets hypoalgésiques restent à élucider. La littérature scientifique actuelle suggère que la manipulation inhibe des processus nociceptifs relatifs aux fibres C (sommation temporelle), alors que les processus nociceptifs liés aux fibres Aδ demeurent inchangés. Toutefois, cela n’a jamais été démontré à l’aide de mesures neurophysiologiques. L’objectif de ce mémoire était donc de clarifier comment la douleur et l’activité des fibres nociceptives sont modulées par une manipulation vertébrale. Pour ce faire, un laser infrarouge a été utilisé afin d’activer les fibres nociceptives et d’induire une douleur au dos chez des participants sains. Ceux-ci étaient aléatoirement distribués en quatre groupes : manipulation vertébrale appliquée sur la zone douloureuse, manipulation vertébrale appliquée distalement à la zone douloureuse, intervention placébo appliquée sur la zone douloureuse et aucune intervention. L’activité cérébrale liée à l’activation des fibres nociceptives et les évaluations de douleur des participants ont été mesurées puis comparées dans le temps entre les groupes. Les résultats démontrent qu’une manipulation vertébrale appliquée au site douloureux diminue significativement la douleur au dos induite par le laser. De plus, cette hypoalgésie est indépendante de processus nociceptifs relatifs aux fibres Aδ. Il est possible que la diminution de douleur observée soit due à une inhibition de l’activité des fibres nociceptives C, toutefois cela n’a pas pu être confirmé dans ce mémoire. Ces connaissances pourraient éventuellement servir à mieux guider l’utilisation du traitement. / Spine pain is a common and debilitating condition. The management of back pain by spinal manipulative therapy is recommended by several clinical practice guidelines. However, the neurophysiological mechanisms underlying the hypoalgesic effects of spinal manipulation are still unclear. The current literature suggests that spinal manipulation inhibits nociceptive processes related to C-fiber activation (temporal summation) while nociceptive processing related to Aδ- fiber activation is unaffected. Yet, this has never been examined with neurophysiological measurements. Therefore, the aim of this thesis was to determine how nociceptive fiber activity is modulated by spinal manipulation. In healthy participants, an infrared laser was used to activate nociceptive fibers and induce back pain. Participants were randomized into four groups: spinal manipulation applied to the painful area, spinal manipulation applied remotely to the painful area, placebo intervention applied to the painful area, and no intervention. Brain activity related to the activation of nociceptive fibers as well as pain ratings were compared over time between groups. The results indicate that spinal manipulation applied to the painful area significantly reduced laser-evoked back pain. This hypoalgesia occurred independently of nociceptive processes related to Aδ fibers, as indicated by the lack of significant change in laser evoked- potential amplitude. It may be caused by the inhibition of the C fiber activity, but this remains to be clarified in future studies. These results could provide scientific bases for the management of back pain with spinal manipulative therapy.

Καθώς η εξέλιξη της βιοϊατρικής επιστήμης και τεχνολογίας είναι συνεχής και ραγδαία, η έρευνα επικεντρώνεται τόσο στη βελτίωση των κλινικών τεχνικών όσο και στην ανάπτυξη νέων με κυριότερο σκοπό την ακριβέστερη και ασφαλέστερη διάγνωση και θεραπεία. Στην παρούσα διατριβή, μελετάται η χρήση δύο περιοχών του φάσματος, που ανήκουν στο πεδίο των μη ιοντιζουσών ακτινοβολιών, των μικροκυματικών και των ακουστικών συχνοτήτων, για διαγνωστικές λειτουργικές εφαρμογές εγκεφάλου. Παρόλο που η χρήση των υπερήχων έχει αξιοποιηθεί στην κλινική εφαρμογή, οι αναφορές για τη χρήση των ακουστικών κυμάτων στις βιοϊατρικές εφαρμογές είναι περιορισμένες στη διεθνή βιβλιογραφία. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η ανάπτυξη ενός συστήματος για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου στις ακουστικές συχνότητες. Στα δύο πρώτα κεφάλαια περιγράφονται οι βασικές αρχές που διέπουν την επιστήμη του ήχου (ακουστική) αλλά και οι φυσικές αρχές αλληλεπίδρασης των ακουστικών κυμάτων με τους βιολογικούς ιστούς (δημιουργία και εξέλιξη των φυσικών φαινομένων ανάκλασης, διάθλασης, μετάδοσης και απορρόφησης της ηχητικής δέσμης). Πιο συγκεκριμένα, μοντελοποιείται και μελετάται θεωρητικά το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης των ακουστικών κυμάτων με τον ανθρώπινο εγκέφαλο ενώ τέλος παρουσιάζονται βασικές και σύγχρονες εφαρμογές ακουστικής στην ιατρική. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθεται η θεωρητική ανάλυση και οι βασικές αρχές της προτεινόμενης μεθόδου για μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας στις ακουστικές συχνότητες και πραγματοποιούνται προσομοιώσεις, με τη βοήθεια του λογισμικού MATLAB, παραθέτοντας τα αντίστοιχα αριθμητικά αποτελέσματα. Ολοκληρώνοντας το πρώτο μέρος της διατριβής, στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πρακτική υλοποίηση του προτεινόμενου συστήματος, περιλαμβάνοντας ανάλυση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και των αντίστοιχων αισθητήρων, εκτενής μελέτη του κάθε τμήματός του καθώς και πειραματικές μετρήσεις με ομοιώματα. Τα μικροκύματα έχουν χρησιμοποιηθεί σε πλήθος διαγνωστικών και θεραπευτικών τεχνικών τόσο σε επίπεδο έρευνας όσο και στην κλινική πράξη. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιείται θεωρητική μελέτη και υλοποίηση πολυσυχνοτικών κυρτών προσαρμόσιμων μικροταινιακών τυπωμένων κεραιών και χρήση τους με σύστημα ευαίσθητου δέκτη μικροκυματικής ραδιομετρίας. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφονται η βασική τεχνολογία και οι βασικές αρχές λειτουργίας της παθητικής μεθόδου διάγνωσης με μικροκύματα, της μικροκυματικής ραδιομετρίας ενώ στο κεφάλαιο 6 μοντελοποιούνται οι προτεινόμενες κυρτές κεραίες και μελετούνται με τη βοήθεια του ηλεκτρομαγνητικού προσομοιωτικού λογισμικού πακέτου HFSS που χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Επίσης, παρουσιάζονται αναλυτικά οι ιδιότητες εστίασης των κεραιών αυτών σε δύο διαφορετικά μοντέλα κεφαλιού στο εύρος συχνοτήτων 2 – 3.3 GHz. Τέλος, οι κεραίες που μελετήθηκαν θεωρητικά, κατασκευάζονται και χρησιμοποιούνται ως κεραίες λήψης ραδιομέτρου τύπου διακόπτη Dicke (Dicke switch) για πειραματικές μετρήσεις σε ομοιώματα (κεφάλαιο 7). Ο συνδυασμός των δύο συστημάτων σε μια κοινή υλοποίηση και η πραγματοποίηση κοινών πειραματικών μετρήσεων και στις δύο περιοχές συχνοτήτων είναι μια πολύ σημαντική προοπτική που μπορεί να βελτιώσει τα πιθανά μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου αλλά και να τις επαληθεύσει, με την παροχή και το συνδυασμό διαφορετικού είδους πληροφορίας για το ίδιο αίτιο. / As progress in the field of biomedical science and technology is continuous, the research focuses mainly on the improvement of existing clinical techniques and the development of new ones, aiming at the most accurate and safe diagnosis and treatment. In the present thesis, passive diagnosis in the non ionizing radiation regime and especially two frequency bands, microwave and acoustic frequencies, are used for diagnostic functional brain applications. Despite the fact that ultrasounds have been utilized in clinical practice, the references regarding the application of acoustic waves in medical diagnosis are restrained in international literature. In the present thesis the development of a system for diagnostic brain applications operating at acoustic frequencies is studied. In the first two chapters the basic principles of acoustics and the physical principles of the interaction of acoustic waves with biological tissue (including physical phenomena of reflection, diffraction, transmission and absorption of sound) are described. More specifically, the problem of the interaction of acoustic waves with the human brain tissues is theoretically modeled and studied. In the third chapter theoretical analysis is carried out and the basic operation principles of the suggested method for monitoring brain activity in acoustic frequencies are described. Simulations are performed using the MATLAB software and the respective numerical results are presented. Completing the first part of the thesis, the fundamentals of the system’s practical implementation are introduced in the fourth chapter. All system modules are described and the results of the implementation study through experiments using phantoms are presented. Microwaves have been used in many diagnostic and therapeutic techniques both at research level and in clinical practice. Herein, a theoretical study and implementation of various multi-frequency conformal microstrip patch antennas are performed, and finally they are used in conjunction with a sensitive microwave radiometry receiver. In chapter 5 the basic technology and the basic operation principles of the passive diagnostic method with microwaves (microwave radiometry) are described, while in chapter 6 the suggested conformal antennas are modeled and studied using the electromagnetic simulation tool HFSS that implements the finite element method (FEM). Moreover, the properties of these antennas and their focusing ability on specific brain areas are presented at 2 – 3.3 GHz in two different head models. Finally, a few are materialized in Rogers 4350B dielectric substrate and two of them are used together with a Dicke switch type radiometer for experimental measurements with phantoms (chapter 7). The combination of the aforementioned systems in a common implementation and the realization of common experimental measurements in both frequency bands is a very significant prospective which can optimize the performance of each methodology, by collecting and combining different types of information originating from the same event.

L'ectrostimulation dite conventionnelle (CONV) est délivrée par des impulsions électriques de basse fréquence (≤ 50 Hz), de courte durée (< 400 μs) et de haute intensité. Ce type d'ESNM permet ainsi d'évoquer une contraction musculaire grâce à l'activation directe des axones moteurs et est associé à une fatigue musculaire exagérée par rapport aux contractions volontaires (VOL). Au contraire, lors de l'utilisation d'impulsions de longues durées (1 ms), de hautes fréquences (≥ 80 Hz) et de faibles intensités (i.e. protocole « Wide-Pulse, High-Frequency » (WPHF)), une partie de la force musculaire évoquée aurait pour origine des mécanismes centraux. En effet, une augmentation de la force produite en réponse à WPHF a été rapportée alors que l'intensité de stimulation était constante. Cette « extra force » (EF) refléterait le recrutement par voie réflexe des motoneurones spinaux. L'objectif de ce travail de thèse était de mieux appréhender les mécanismes neurophysiologiques à l'origine de l'EF et d'évaluer les conséquences métaboliques et corticales du protocole WPHF (1 ms - 100 Hz) par rapport à des protocoles d'exercices VOL et de type CONV (50 μs - 25 Hz). Les réponses musculaires des fléchisseurs plantaires et les réponses cérébrales ont été évalué par résonance magnétique nucléaire (la spectroscopie par résonance magnétique du phosphore 31 du muscle et l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle du cerveau) et électrophysiologie (EMG). Ces résultats constituent une première étape importante vers une meilleure prise en charge des pathologies liées à des atteintes du neuromusculaire. / Conventional neuromuscular electrical stimulation (CONV) is delivered via surface electrodes at short pulse duration (< 400 μs), low frequencies (≤ 50 Hz) and high current intensities. The motor unit recruitment pattern of CONV, however, is different from the pattern of voluntary contractions (VOL) and leads to a hastened onset of muscle fatigue. The use of wide-pulses (1ms), high frequencies (100 Hz) (WPHF) and low current intensities might approach the natural activation pattern of VOL by enhancing the neural contribution to force production. Previous studies investigating WPHF reported progressive and unexpected force increments ("Extra Forces") despite a constant stimulation intensity which might reflect the more pronounced activation of sensory pathways within the central nervous system. The objective of this thesis was to investigate this "Extra Force" (EF) phenomenon and to evaluate the efficiency of WPHF (1 ms pulse duration at 100 Hz) in terms of metabolic demand and neural contribution to force production in comparison to CONV NMES (0.05 ms pulse duration at 25 Hz) and VOL. Our experiments comprised electrophysiological (EMG) and nuclear magnetic resonance techniques (31P spectroscopy of the muscle, functional imaging of the brain). The findings should be considered in future studies investigating the potential of NMES in a clinical context as a treatment for neuromuscular pathologies.

The aim of this work is describe common methods of biological feedback therapy that is used to treat some psychosomatic diseases. Subsequently, the description is focused on minimal brain dysfunction treatment by the help of EEG biofeedback. Properties and technical requirements for this therapy are concretized. The last part of this thesis is dedicated to the design and realization of practical software tool for EEG biofeedback therapy which is made in LabView 7.1. The M535 acquisition unit and NI USB-6221 measuring device are used for hardware solution.