This thesis is centered around the development and application of computationally effective solutions based on artificial neural networks (ANN) for biomedical signal analysis and data mining in medical records. The ultimate goal of this work in the field of Biomedical Engineering is to provide the clinician with the best possible information needed to make an accurate diagnosis (in our case of myocardial ischemia) and to propose advanced mathematical models for recovering the complex dependencies between the variables of a physical process from a set of perturbed observations. After describing some of the types of ANN mainly used in this work, we start designing a model for pattern classification, by constructing several local models, for neighborhoods of the state space. For this task, we use the novel k-windows clustering algorithm, to automatically detect neighborhoods in the state space. This algorithm, with a slight modification (unsupervised k-windows algorithm) has the ability to endogenously determine the number of clusters present in the data set during the clustering process. We used this method together with the other 2 mentioned below (NetSOM and sNet-SOM) for the problem of ischemia detection. Next, we propose the utilization of a statistically extracted distance measure in the context of Generalized Radial Basis Function (GRBF) networks. The main properties of the GRBF networks are retained in a new metric space, called Statistical Distance Metric (SDM). The regularization potential of these networks can be realized with this type of distance. Furthermore, the recent engineering of neural networks offers effective solutions for learning smooth functionals that lie on high dimensional spaces.We tested this solution with an application from bioinformatics, one example from data mining of commercial databases and finally with some examples using medical databases from a Machine Learning Repository. We continue by establishing the network self-organizing map (NetSOM) model, which attempts to generalize the regularization and ordering potential of the basic SOM from the space of vectors to the space of approximating functions. It becomes a device for the ordering of local experts (i.e. independent neural networks) over its lattice of neurons and for their selection and coordination. Finally, an alternative to NetSOM is proposed, which uses unsupervised ordering based on Self-organizing maps (SOM) for the "simple" regions and for the "difficult" ones a two-stage learning process. There are two differences resulted from the comparison with the previous model (NetSOM), one is that we replaced a fixed-size of the SOM with a dinamically expanded map and second, the supervised learning was based this time on Radial Basis Functions (RBF) Networks and Support Vector Machines (SVM). There are two fields in which this tool (called sNet-SOM) was used, namely: ischemia detection and Data Mining. / Η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι επικεντρωμένη γύρω από την ανάπτυξη και εφαρμογή, με χαμηλές υπολογιστικές απαιτήσεις, βασισμένες σε Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα, για την Ανάλυση Βιοϊατρικών σημάτων και Data Mining σε Ιατρικά Δεδομένα. Απώτερος σκοπός της παρούσης διατριβής στον τομέα της Βιοϊατρικής Τεχνολογίας είναι να παρέχει στους ιατρούς με την καλύτερη δυνατή πληροφόρηση για να κάνουν μια ακριβή διάγνωση (στην περίπτωση του ισχαιμικού μυοκαρδίου) και να προτείνει αναπτυγμένα μαθηματικά μοντέλα για να ανακάμψει πολύπλοκες εξαρτήσεις μεταξύ τον μεταβλητών μιας φυσικής διεργασίας από ένα σύνολο διαφορετικών παρατηρήσεων. Μετά την περιγραφή μερικών από τους βασικούς τύπους τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων που χρησιμοποιούνται στην παρούσα διατριβή, εμείς αρχίσαμε να σχεδιάζουμε ένα μοντέλο για ταξινόμηση προτύπων κατασκευάζοντας πολλά τοπικά μοντέλα γειτονικά με τον παρόντα χώρο. Για αυτό το σκοπό εμείς χρησιμοποιούμε το αλγόριθμο για clustering k-windows για να ανιχνεύει αυτόματα γειτονιές στον παρόντα χώρο. Αυτός ο αλγόριθμος με μια ελαφριά τροποποίηση έχει την ικανότητα να καθορίζει ενδογενώς την παρουσία του αριθμού τον clusters στο σύνολο τον δεδομένων κατά την διάρκεια της διαδικασίας του clustering. Όταν η διαδικασία του clustering ολοκληρώνεται ένα εκπαιδευμένο Εμπροσθοτροφοδοτούμενο Νευρωνικό Δίκτυο δρα ως ο τοπικός προβλέπτης για κάθε cluster. Εν συνεχεία, προτείνουμε τη χρήση εξαγόμενης στατιστικής μετρητικής απόστασης, μέσα στο γενικότερο πλαίσιο των δικτύων ( GRBF). Οι κύριες λειτουργίες των GRBF (Generalized Radial Basis Functions) δικτύων διατηρούνται στο καινούργιο μετρητικό χώρο. Η δυναμική κανονικοποίηση αυτών των δικτύων μπορεί να πραγματοποιηθεί με αυτό τον τύπο αποστάσεων. Επιπλέον η πρόσφατη τεχνολογία των ΝΝ (Neural Networks) προσφέρει αποτελεσματικές λύσεις για τη μάθηση ομαλών συναρτήσεων που βρίσκεται σε υψηλούς διαστατικούς χώρους. Δοκιμάσαμε αυτή τη λύση σε εφαρμογή βιοπληροφορικής, μία από εμπορικές βάσεις δεδομένων και τέλος με μερικά παραδείγματα χρησιμοποιώντας βάσεις δεδομένων από το UCI (University of California at Irvine) από το ιατρικό πεδίο. Συνεχίζοντας, καθιδρύουμε το δίκτυο NetSOM (network Self-Οrganizing Map), που προσπαθεί να γενικεύσει (generalize) την κανονικοποίηση (regularization) και να δώσει δυναμικές εντολές (ordering) του βασικού SOM από το διανυσματικό χώρο στο χώρο των προσεγγιστικών συναρτήσεων. Αποτελεί μια εντολοδόχο διαδικασία για τους τοπικούς ειδικούς πάνω από το πλέγμα των νευρώνων και για την επιλογή και το συντονισμό τους. Τέλος, αναλύεται μια εναλλακτική λύση του NetSOM, που χρησιμοποιεί μη εκπαιδευμένες εντολές βασισμένες στο SOMs για τις “απλές ” περιοχές και για τις “δύσκολες ” μια διαδικασία μάθησης 2-επιπέδων. Υπάρχουν 2 διαφορές στα αποτελέσματα από την σύγκριση με το προηγούμενο μοντέλο (NetSOM), η πρώτη είναι ότι αντικαταστήσαμε (we replaced) a fixed-size των SOM με ένα πιο δυναμικό ταίριασμα (mapping) και η δεύτερη, η εκπαιδευόμενη εκμάθηση βασίστηκε αυτή τη φορά στην RBF και στις μηχανές υποστήριξης διανυσμάτων (SVM). Αυτό το εργαλείο χρησιμοποιήθηκε στην αναγνώριση των ισχαιμιών και εξόρυξη δεδομένων από βάσεις δεδομένων.

This thesis deals with time-frequency analysis of electrograms measured on isolated guinea pig hearts perfused according to Langendorff. Time-frequency analysis is based on algorithms Matching Pursuit and Wigner-Ville Distribution. The theoretical part describes the basics of electrocardiography, measurement on isolated hearts, the theory of approximation method Matching Pursuit and its combination with the Wigner-Ville distribution spectrum showing the energy density of the signal. Also other common approaches of time-frequency analysis are presented including the theory of continuous wavelet transform. The presented algorithms were tested on a set of electrograms, on which were induced ischemia within measurement followed by reperfusion. The proposed method allows for the fast detection of ischemia without any a priori knowledge of the signal, and also serves as a tool for measurement of EG important points and intervals. In the conclusion efficacy of the method was presented and its possible uses has been discussed.