Τα τελευταία χρόνια, γίνεται πολύς λόγος για τους καρκινικούς όγκους, καθώς η νόσος αυτή προσβάλλει ολοένα και περισσότερα άτομα κάθε χρόνο. Ιδιαίτερη βαρύτητα έχει δοθεί τόσο ερευνητικά όσο και ιατρικά στην αντιμετώπιση του καρκίνου μέσω θεραπευτικών τεχνικών (χημειοθεραπείες, χειρουργικές επεμβάσεις κλπ) καθώς και στην βελτίωση των συνθηκών διαβίωσης των καρκινοπαθών. Επίσης, αρκετή έμφαση στην έρευνα σχετικά με την ανάπτυξη του καρκίνου σε βιοχημικό επίπεδο και για την βαθύτερη κατανόηση της νόσου. Η έρευνα αφορά ερευνητές πολλών διαφορετικών ειδικοτήτων μεταξύ των οποίων και των μαθηματικών. Από το 1954 με την πρόταση των Armitage και Doll σχετικά με την μαθηματική μοντελοποίηση της γένεσης των καρκινικών όγκων, αρκετοί έχουν ασχοληθεί με την μαθηματική προτυποποίηση των διαφόρων φάσεων του καρκίνου, από την δημιουργία του μέχρι και την αντίσταση του σε φαρμακευτική αγωγή. Η εργασία αυτή πραγματεύεται την μαθηματική θεμελίωση και προτυποποίηση των καρκινικών όγκων όσον αφορά την γεωμετρική τους ανάπτυξη. Με βάση το θεμελιώδες μαθηματικό μοντέλο που προτάθηκε το 1976 από τον H. P. Greenspan, μελετάται η επίπτωση επιφανειακών διαταραχών στην ανάπτυξη σφαιρικών καθώς και ελλειψοειδών όγκων. Στην πρωτότυπη εργασία, η μελέτη περιορίστηκε στην ανάλυση των διαταραχών με μεταβλητή την πολική γωνία των σφαιρικών συντεταγμένων. Στην εργασία αυτή αρχικά μελετάται η γενίκευση του μοντέλου διαταραχών και στις δυο γωνίες του σφαιρικού συστήματος συντεταγμένων (πολική θ και αζιμουθιακή φ). Στην συνέχεια επεκτείνεται η μέθοδος σε τρία μοντέλα που γενικεύουν τις παραδοχές του αρχικού μοντέλου διατηρώντας την παραδοχή της σφαιρικής γεωμετρίας και μελετάται η ευστάθεια των αντίστοιχων επιφανειακών διαταραχών. Τέλος, μελετάται και η ευστάθεια του ίδιου προβλήματος στην ελλειψοειδή γεωμετρία επειδή η ανισοτροπία του ελλειψοειδούς σχήματος καθιστά πιο ρεαλιστική την προσέγγιση του πραγματικού σχήματος του καρκινικού όγκου. / The mathematical analysis of the tumour growth attracted a lot of interest in the last two decades. However, as of today no generally accepted model for tumour growth exists. This is due partially to the incomplete understanding of the related pathology as well as the extremely complicated procedure that guides the evolution of a tumour. Moreover, the growth of a tumour does depend on the available tissue surrounding the tumour and therefore it represents a physical case that is realistically modelled by ellipsoidal geometry. The remarkable aspect of the ellipsoidal shape is that it represents the sphere of the anisotropic space. It provides the appropriate geometrical model for any direction dependent physical quantity. In the present work we analyze the stability of a spherical tumour for four continuous models of an avascular tumour and the stability study of an ellipsoidal tumour. For all five models, conditions for the stability are stated and the results are implemented numerically. For the spherical cases, it is observed that the steady state radii that secure the stability of the tumour are different for each of the four models, and that results to differences in the stable and unstable modes. As for the ellipsoidal model, it is shown that, in contrast to the highly symmetric spherical case, where stability is possible to be achieved, there are no conditions that secure the stability of an ellipsoidal tumour. Hence, as in many physical cases, the observed instability is a consequence of the lack of symmetry.

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.

Η Ηλεκτροεγκεφαλογραφία (ΗΕΓ) και η Μαγνητοεγκεφαλογραφία (ΜΕΓ) αποτελούν δύο από τις πλέον ευρέως χρησιμοποιούμενες μη επεμβατικές μεθόδους μελέτης της λειτουργίας του ανθρώπινου εγκεφάλου, κατά τις οποίες καταγράφονται εξωτερικά του κρανίου, το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο, που οφείλονται στη διέργεση εγκεφαλικών νευρώνων. Oι κύριες βιοηλεκτρικές πηγές των πεδίων που καταγράφονται σ’ αυτά, είναι ομάδες νευρώνων, που προτυποποιούνται με ένα ηλεκτρικό δίπολο. Αρχικά επιλέγεται το πλέον ρεαλιστικό πρότυπο των τριών φλοιών. Δηλαδή ως αγωγός θεωρείται ολόκληρο το κρανίο, συμπεριλαμβανομένου του δέρματος, των κρανιακών οστών, του εγκεφαλονωτιαίου υγρού και του εγκεφαλικού ιστού – περιοχές διαφορετικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας – και υπολογίζεται το ηλεκτρικό δυναμικό και το μαγνητικό πεδίο, επιλύεται δηλαδή τόσο το ευθύ πρόβλημα ΗΕΓ, όσο και το αντίστοιχο ΜΕΓ, στη σφαιρική και στην ελλειψοειδή γεωμετρία. Το δεύτερο πρότυπο αφορά στην επίλυση του ευθέος προβλήματος ΗΕΓ για την περίπτωση όπου ο εγκεφαλικός ιστός θεωρηθεί ως ένα σφαιρικός αγωγός, στο εσωτερικό του οποίου βρίσκεται είτε ομόκεντρα μια σφαιρική περιοχή υγρού, οπότε χρησιμοποιείται για την επίλυση το σφαιρικό σύστημα συντεταγμένων, είτε έκκεντρα, οπότε χρησιμοποιείται αντίστοιχα το δισφαιρικό. Τέλος, ως αγωγός θεωρείται μια ομογενής σφαίρα, περίπτωση όπου η ακριβής και πλήρης αναλυτική λύση για το πρόβλημα του Βιομαγνητισμού είναι γνωστή. Η συνεισφορά όμως της διατριβής για το πρότυπο αυτό είναι στη δημιουργία χρήσιμων εργαλείων για την μετατροπή των αναπτυγμάτων των λύσεων σε σειρές, στις αντίστοιχες κλειστές μορφές μέσω της άθροισης των σειρών, καθώς και στην εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με το αντίστροφο πρόβλημα ΗΕΓ, τα οποία προκύπτουν από τη γραφική επεξεργασία της κλειστής λύσης του ηλεκτρικού δυναμικού, όπως αυτή προέκυψε από τη μέθοδο των ειδώλων. / Electroenchephalography (EEG) and Magnetoenchephalophy (MEG) are common non invansive methods for studying the function of the human brain. Considering that the data of the generated electric potential (Electroencephalogram) and the magnetic field (Magnetoenchephalogram), takes place on or in the surrounding the head, the entire head, including the skin, the bones, the cerebrospinal fluid and the cerebral, regions which are characterizing by different electric conductivity are including. For this model, the direct Bioelectromagnetism problem is solved in both spherical and ellipsoidal geometry. Specifically, the leading terms of the electric potential in the exterior of the conductor and everywhere in the interior, as well as the leading quadrupolic term of the multipole expansion of the exterior magnetic induction field in the ellipsoidal geometry, are obtained. The reduction of the the ellipsoidal results to the corresponding spherical case, which has brought up useful conclusions concerning these two geometrical models, is also presented. The direct EEG problem is described, for the case where the entire cerebral is considered as a spherical conductor, which surrounds a fluid spherical region of different conductivity. When the two spherical regions are concentric, the problem is solved with the spherical geometry, but when these are eccentric the problem is solved with the bispherical geometry. Finally, the exact and complete analytic solution for the forward EEG problem is produced by the Image Theory for the homogeneous spherical conductor and is elaborated graphically. In particular, some electric potential distributions are produced on the surface of the spherical brain, where the equipotential curves are represented by circles. Considering these distributions, a parametric analysis of the position and the orientation o the moment dipole is accomplished for the current dipole that has considered in this thesis. Consequently, when the source is near the surface, the orientation of the moment is directed vertically to the zero equipotential circle to the increase potential, since the position vector of the source tends to become vertical to the maximum equipotential curves. The existence of special position and orientation of the source, for which the contribution in the external magnetic field is zero - and for the spherical case, where the position and the orientation of the sources are parallel - corresponds to parallel equipotential curves.