309 research outputs found
Security and Privacy for Modern Wireless Communication Systems
The aim of this reprint focuses on the latest protocol research, software/hardware development and implementation, and system architecture design in addressing emerging security and privacy issues for modern wireless communication networks. Relevant topics include, but are not limited to, the following: deep-learning-based security and privacy design; covert communications; information-theoretical foundations for advanced security and privacy techniques; lightweight cryptography for power constrained networks; physical layer key generation; prototypes and testbeds for security and privacy solutions; encryption and decryption algorithm for low-latency constrained networks; security protocols for modern wireless communication networks; network intrusion detection; physical layer design with security consideration; anonymity in data transmission; vulnerabilities in security and privacy in modern wireless communication networks; challenges of security and privacy in node–edge–cloud computation; security and privacy design for low-power wide-area IoT networks; security and privacy design for vehicle networks; security and privacy design for underwater communications networks
Development and Validation of Mechatronic Systems for Image-Guided Needle Interventions and Point-of-Care Breast Cancer Screening with Ultrasound (2D and 3D) and Positron Emission Mammography
The successful intervention of breast cancer relies on effective early detection and definitive diagnosis. While conventional screening mammography has substantially reduced breast cancer-related mortalities, substantial challenges persist in women with dense breasts. Additionally, complex interrelated risk factors and healthcare disparities contribute to breast cancer-related inequities, which restrict accessibility, impose cost constraints, and reduce inclusivity to high-quality healthcare. These limitations predominantly stem from the inadequate sensitivity and clinical utility of currently available approaches in increased-risk populations, including those with dense breasts, underserved and vulnerable populations.
This PhD dissertation aims to describe the development and validation of alternative, cost-effective, robust, and high-resolution systems for point-of-care (POC) breast cancer screening and image-guided needle interventions. Specifically, 2D and 3D ultrasound (US) and positron emission mammography (PEM) were employed to improve detection, independent of breast density, in conjunction with mechatronic and automated approaches for accurate image acquisition and precise interventional workflow. First, a mechatronic guidance system for US-guided biopsy under high-resolution PEM localization was developed to improve spatial sampling of early-stage breast cancers. Validation and phantom studies showed accurate needle positioning and 3D spatial sampling under simulated PEM localization. Subsequently, a whole-breast spatially-tracked 3DUS system for point-of-care screening was developed, optimized, and validated within a clinically-relevant workspace and healthy volunteer studies. To improve robust image acquisition and adaptability to diverse patient populations, an alternative, cost-effective, portable, and patient-dedicated 3D automated breast (AB) US system for point-of-care screening was developed. Validation showed accurate geometric reconstruction, feasible clinical workflow, and proof-of-concept utility across healthy volunteers and acquisition conditions. Lastly, an orthogonal acquisition and 3D complementary breast (CB) US generation approach were described and experimentally validated to improve spatial resolution uniformity by recovering poor out-of-plane resolution. These systems developed and described throughout this dissertation show promise as alternative, cost-effective, robust, and high-resolution approaches for improving early detection and definitive diagnosis. Consequently, these contributions may advance breast cancer-related equities and improve outcomes in increased-risk populations and limited-resource settings
Design of new radiating systems and phase shifters for 5G communications at millimeter-wave frequencies
With the arrival of the new generation of communications, known as
5G, the systems that constitute it must offer better performance in terms
of data speed, latency and connection density than the previous generation
of communications. For 5G, an allocation of the frequency ranges that
will support future wireless communications has been established. This
allocation is formed by a range of frequencies corresponding to bands below 6
GHz and the other range of frequencies includes bands above 24 GHz. In the
latter frequency range, which includes part of the millimeter-wave frequency
band (from 30 GHz to 300 GHz), the development of new radio frequency
(RF) components is necessary because their design and manufacture is a
technological challenge.
As the frequency that supports wireless communications increases, propagation
losses also increase. Therefore, these losses must be compensated
by the radiating systems in 5G to make these communications possible. The
RF devices that make up these new systems must provide high antenna gain,
be power efficient and offer spatial reconfigurability of the radiated signal.
In this thesis, the main objective is the design of both guided and radiating
RF devices to provide design solutions for future 5G systems at
millimeter-wave frequencies. In particular, the contributions made have
been to the design of phase shifters and antenna arrays. To improve efficiency
at millimeter-wave frequencies, these devices have been designed in
waveguide technology.
Phase shifters are essential RF devices to control the phase shift of the
electromagnetic wave that will be radiated to a certain spatial direction by
an antenna array. The design of beamforming networks requires the implementation
of phase shifters that produce a fixed or variable phase shift value.
However, the design and fabrication of these devices at millimeter-wave frequencies
is a complex task. In this thesis, four designs of waveguide phase
shifters that produce both fixed and variable phase shift are presented. For
phase shifters that provide a fixed phase shift, the value of this phase shift
along the frequency is tuned in a desired manner by using periodic structures
with higher symmetries. These types of configurations provide both
flexibility in the design process and improved electromagnetic performance
such as greater operating bandwidth. All the phase shifters have been implemented
in gap-waveguide technology to demonstrate its effectiveness in
these devices for millimeter-wave frequencies.
Regarding the radiating systems, two feeding strategies have been considered
in the design process. First, the design of a 70 GHz centered antenna
array implemented in gap-waveguide technology combined with the use of
separate waveguides in E-plane is proposed. In this design, the feed is guided
through a waveguide corporate-feed network. Second, the design of a reflectarray
whose unit cells are formed using three-dimensional geometries is
presented. In this case, the feeding is done in free space by radiation from
a source antenna. In the previous designs, the fabrication of the prototypes
was done by 3D printing based on stereolithography. Finally, using unit
cells with three-dimensional geometries, the design of radiating devices with
more complex functionalities such as reflection/transmission with high directivity
and reconfiguration of the reflected radiation by means of graphene
structures are proposed.Con la llegada de la nueva generación de comunicaciones, denominada
5G, los sistemas que la conforman deben ofrecer unas mejores prestaciones en
términos de velocidad de datos, latencia y densidad de conexiones respecto
a la generación de comunicaciones anterior. Para 5G se ha establecido una
asignación de los rangos de frecuencia que van a soportar las futuras comunicaciones
inalámbricas. Esta asignación se compone por un rango de
frecuencias correspondiente a las bandas por debajo de los 6 GHz y el otro
rango de frecuencias engloba a las bandas por encima de los 24 GHz. En
este ´ultimo rango de frecuencias, en el cual están incluidas parte de la banda
de las frecuencias milimétricas (desde 30 GHz a 300 GHz), es necesario el
desarrollo de nuevos componentes de radiofrecuencia (RF) ya que su diseño
y fabricación supone un reto tecnológico.
Al aumentar la frecuencia que soporta las comunicaciones inalámbricas,
las pérdidas por propagación también aumentan. Es por ello por lo que
estas pérdidas deben ser compensadas por los sistemas radiantes en 5G para
que las comunicaciones sean posibles. Los dispositivos de RF que componen
estos nuevos sistemas deben proporcionar una alta ganancia de antena, ser
eficientes en términos de potencia y ofrecer reconfigurabilidad espacial de la
señal radiada.
En esta tesis, el objetivo principal es el diseño de dispositivos de RF
tanto guiados como radiantes para ofrecer soluciones de diseño a los futuros
sistemas 5G en frecuencias milimétricas. De manera particular, las
contribuciones realizadas han sido al diseño de desfasadores y agrupaciones
de antenas. Para mejorar la eficiencia en frecuencias milimétricas, estos
dispositivos han sido diseñados en tecnología en guía de ondas.
Los desfasadores son dispositivos RF esenciales para controlar el desfase
de la onda electromagnética que será radiada hacia una cierta dirección espacial
por una agrupación de antenas. Las redes de beamforming tienen la
necesidad de implementar en su diseño desfasadores que producen un valor
de desfase fijo o variable. Sin embargo, el diseño y fabricación de estos
dispositivos en frecuencias milimétricas resulta una tarea de alta dificultad.
En esta tesis se presenta cuatro diseños de desfasadores en guía de onda
que producen un desfase tanto fijo como variable. Para los desfasadores
que proporcionan un desfase fijo, el valor de este desfase a lo largo de la
frecuencia es ajustado de manera deseada mediante el uso de estructuras periódicas con simetrías superiores. Este tipo de configuraciones proporcionan
tanto flexibilidad en el proceso de diseño como una mejora de las
características electromagnéticas como puede ser un mayor ancho de banda
de operación. Todos los desfasadores realizados han sido implementados en
tecnología gap waveguide para demostrar su efectividad en estos dispositivos
para frecuencias milimétricas.
Respecto a los sistemas radiantes, se han considerado dos estrategias de
alimentación en el proceso diseño. En primer lugar, se propone el diseño
de un array centrado a 70 GHz implementado en tecnología gap waveguide
combinado con el uso de guías de onda separadas en plano E. En este diseño,
la alimentación es guiada a través de una red de alimentación corporativa
en guía de onda. En segundo lugar, se presenta el diseño de un reflectarray
cuyas celdas unitarias son formadas mediante geometrías tridimensionales.
En este caso, la alimentación se hace en el espacio libre mediante la radiación de una antena fuente. En los anteriores diseños, la fabricación de
los prototipos se realizó mediante impresión 3D basado en estereolitografía.
Finalmente, a través del uso de celdas unitarias con geometrías tridimensionales,
se proponen el diseño de dispositivos radiantes con funcionalidades
más complejas como la reflexión/transmisión con alta directividad y la reconfiguración de la radiación reflejada mediante estructuras con grafeno.Tesis Univ. Granada
Applications
Volume 3 describes how resource-aware machine learning methods and techniques are used to successfully solve real-world problems. The book provides numerous specific application examples: in health and medicine for risk modelling, diagnosis, and treatment selection for diseases in electronics, steel production and milling for quality control during manufacturing processes in traffic, logistics for smart cities and for mobile communications
Micro/Nano Structures and Systems
Micro/Nano Structures and Systems: Analysis, Design, Manufacturing, and Reliability is a comprehensive guide that explores the various aspects of micro- and nanostructures and systems. From analysis and design to manufacturing and reliability, this reprint provides a thorough understanding of the latest methods and techniques used in the field. With an emphasis on modern computational and analytical methods and their integration with experimental techniques, this reprint is an invaluable resource for researchers and engineers working in the field of micro- and nanosystems, including micromachines, additive manufacturing at the microscale, micro/nano-electromechanical systems, and more. Written by leading experts in the field, this reprint offers a complete understanding of the physical and mechanical behavior of micro- and nanostructures, making it an essential reference for professionals in this field
Diseño y aplicaciones de sistemas de antenas inteligentes para redes inalámbricas en el contexto de la internet de las cosas
[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Las antenas de onda de fuga (LWA) consisten en una estructura de guía de onda que permite la fuga de parte de la potencia a lo largo de la estructura. Por esta razón, la radiación de la antena se produce por la fuga de energía. Para producir una radiación coherente, es necesario controlar esta tasa de radiación a lo largo de la estructura radiante. Así, ajustando con precisión la tasa de radiación, se controla la forma del diagrama de radiación. Las LWAs han sido ampliamente estudiadas por la comunidad científica debido a sus ventajas, tales como, red de alimentación simple, alta directividad y escaneo en frecuencia pasivo. Sin embargo, presentan ciertas desventajas entre las cuales, la más importante a destacar es el efecto de beam-squinting. Éste se produce por la propiedad dispersiva inherente a este tipo de antenas. Además, presentan dificultades a la hora de generar radiación coherente en las direcciones broadside y endfire, aumentando la complejidad del diseńo para la radiación en dichas direcciones. Las LWA han sido relativamente poco utilizadas en aplicaciones prácticas hasta la fecha, a pesar de sus ventajas. Las pocas aplicaciones en las que se han utilizado son los radares de onda continua modulada en frecuencia y los sistemas de enfoque controlado en frecuencia de campo cercano. Esta tesis propone el uso de las LWAs en aplicaciones prácticas aprovechando las ventajas mencionadas anteriormente y teniendo en cuenta los inconvenientes de este tipo de antenas para que su uso no sea limitado. Recientemente, las LWAs han sido propuestas para aplicaciones de localización de bajo coste, ya que permiten el diseńo de estructuras planas con haces directivos. Además, debido al aumento exponencial del uso de la tecnología, es necesario encontrar nuevas tecnologías para una transmisión de datos mayor, más rápida y más eficiente, manteniendo bajos costes de fabricación. Por lo tanto las LWAs pueden ser una solución crucial al mezclar bajos costes de fabricación, alta integrabilidad en diferentes sistemas debido a su tecnología impresa planar y alta directividad al mismo tiempo que se aprovecha su característica dispersiva que proporciona un escaneo pasivo en frecuencia. En este contexto, la principal aportación de esta Tesis consiste en el estudio, análisis, diseńo e integración de LWAs en aplicaciones reales y prácticas. Esta Tesis presenta las siguientes tres contribuciones principales, definidas en los tres bloques principales de este documento: • Estudio y análisis de LWAs para su uso en sistemas de estimación de dirección de llegada basados en técnicas de amplitud de monopulso. Comparar las características y prestaciones de las LWAs junto con las antenas comerciales más utilizadas. Para ello, diseńar y fabricar las HWM-LWAs con el fin de comparar sus prestaciones con las antenas de panel adquiridas comercialmente. Dado que cada aplicación requiere el diseńo de una HWM-LWA nueva y diferente, estudiar y proponer una técnica eficiente de análisis y diseńo de antenas para obtener fácilmente diagramas de radiación monopulso escaneados en frecuencia. • Una vez analizado que las HWM-LWA son una solución factible para su uso en aplicaciones reales de localización debido a sus diversas ventajas. Integrar las HWM-LWAs diseńadas en sistemas digitales para estimación del ángulo de llegada en interiores. Por lo tanto, diseńar, desarrollar, configurar e integrar las LWAs en diferentes sistemas basados en las bandas de frecuencia Wi-Fi ISM de 2,4 GHz y 5 GHz. Finalmente, comparar los resultados de estimación obtenidos con otras soluciones propuestas para corroborar que los LWAs pueden ser utilizados en aplicaciones reales. • Asimismo, debido a su bajo coste de fabricación y a su principal propiedad de escaneo en frecuencia. Ampliar el uso de las LWAs para la localización angular en redes de sensores inalámbricas (WSN) utilizando la banda de frecuencias UHF de 900 MHz. Utilizando así etiquetas RFID pasivas. También estudiar su aplicabilidad en WSNs utilizando etiquetas LoRa activas. Este documento se presenta como una Tesis por compendio, por lo que se presentarán y explicarán brevemente los 4 artículos de revistas que se han publicado durante el programa de doctorado. Además, también se presentarán algunos artículos de conferencias y otros trabajos en revisión para exponer algunas de las investigaciones que no han sido publicadas en revistas hasta la fecha de depósito de tesis. El documento está organizado como se indica a continuación: En la Introducción, se presenta una contextualización del estado del arte y una explicación rigurosa sobre las LWAs y las aplicaciones anteriormente mencionadas. Las dos partes siguientes se vi dedican a presentar y explicar brevemente los trabajos publicados que contribuyen a esta Tesis. En la parte II, se presentan los cuatro artículos que conforman el compendio. Esto es, el análisis de las LWAs para la estimación de la dirección del ángulo de llegada y la integración de las LWAs en sistemas de localización digital usando el protocolo Wi-Fi en el Capítulo 1, la banda de frecuencias ISM UHF 900 MHz se utiliza junto con los HWM-LWAs en el Capítulo 2, luego se implementa en un sistema en tiempo real para la estimación de la dirección de llegada de múltiples tags pasivos en el Capítulo 3 y la integración de LoRa en el Capítulo 4. Finalmente, en la Parte III, se discuten las conclusiones generales y las futuras líneas de investigación. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Leaky-Wave Antennas (LWA) consist on a waveguide structure which allows the leakage of part of the power along the structure. For this reason, the radiation of the antenna is produced by the leakage of power. In order to produce coherent radiation, it is necessary to control this leakage rate along the radiating structure. Thus, precisely adjusting the leakage rate, the shape of the radiation pattern is controlled. LWAs have been widely studied by the scientific community due to their advantages, such as, simple feeding network, high directivity and passive frequency-scanning performance. However, they present certain disadvantages among which, the most important to highlight is the beam-squinting effect. TThis is due to the inherent dispersion property of this type of antenna. In addition, LWAs present difficulties when generating coherent radiation in broadside and endfire directions, increasing the complexity of the design for radiation in these directions. LWAs have been relatively unused in practical applications to date, despite of their benefits. The few applications in which they have been used are frequency modulated continuous wave radars and near-field frequency controlled focusing systems.This thesis proposes the use of LWAs in practical applications by exploiting the advantages mentioned above while taking into account the drawbacks of this type of antennas so that their use is not limited. Recently, LWAs have been proposed for low-cost localization applications, as they allow the design of planar structures with directive beams. In addition, due to the exponential increase in the use of technology, it is necessary to find new technologies for higher, faster and more efficient data transmission while maintaining low manufacturing costs. Therefore, LWAs can be a crucial solution mixing low manufacturing costs, high integrability in different systems due to their planar printed technology and high directivity while taking advantage of their dispersive characteristic that provides passive frequency scanning. In this context, the main contribution of this Thesis consist of the study, analysis, design and integration of LWAs in real and practical applications. This Thesis presents the following three main contributions, defined in the three main blocks of this document: • Study and analysis of LWAs for its use in direction of arrival estimation systems based on monopulse amplitude techniques. Compare the characteristics and performance of LWAs along with widely used commercial antennas. For this purpose, design and manufacture the HWM-LWAs in order to compare their performance with commercially acquired panel antennas. Since each application requires the design of a new and different HWM-LWA, a main objective of this block is to study and propose an efficient antenna analysis and design technique to facilitate obtaining frequency-scanned monopulse patterns. • Once analyzed that LWAs are a feasible solution for its use in real localization applications due to their several advantages, integrate the designed half-width microstrip (HWM-LWAs) in digital indoor angle-of-arrival estimation systems. Therefore, design, develop, configure and integrate LWAs in different systems based on the Wi-Fi ISM 2.4 GHz and 5 GHz frequency bands. Finally, compare the obtained estimation results with other proposed solutions to corroborate that LWAs can be used in real applications. • Extending the use of antennas for angular localization in sensor networks using the 900 MHz UHF frequency band: the main properties of low manufacturing cost and passive frequency beam scanning can be used in other applications. Thus, the localization estimation of passive RFID tags is studied, as well as their application in Wireless Sensor Networks (WSNs) using active tags with LORA technology. This document is presented as a Thesis by compilation, so the 4 journal articles that have been published during the Ph.D program will be presented and briefly explained. Besides, some conference articles and other work under review will be also presented to expose some of the research that has not been published in journals. The document is organized as outlined hereafter: In Part I, a state-of-the-art contextualization, a rigorous explanation about LWAs and the previous applications mentioned above is presented. The next two parts are dedicated to present and briefly explain the published works included in this Thesis and their main contributions. In Part II the explanation of the four papers which compose the compendium are presented. This is, LWAs analysis for direction of arrival estimation and the integration of LWAs in digital Wi-Fi localization systems in chapter 1, the UHF 900 MHz ISM frequency band is used in conjunction with HWM-LWAs in chapter 2, then, it is implemented in a real time system for direction of arrival estimation of multi RFID tags in chapter 3 and LoRa integration in chapter 4. Finally, in Part III, the overall conclusions and the future research lines are discussed.Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de cuatro artículos. Article 1.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, J. A. Lopez-Pastor, J. C. Sanchez-Aarnoutse and J. L. Gomez-Tornero, Wi-Fi Direction Finding with Frequency-Scanned Antenna and Channel Hopping Scheme IEEE sensors Journal, , vol. 22, no. 6, pp. 5210-5222, 2022. DOI: 10.1109/JSEN.2021.3122232. Article 2.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, D. Cañete-Rebenaque, and J. L. Gomez-Tornero, Frequency-Scanned Monopulse Antenna for RSSI-based Direction Finding of UHF RFID tags IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,, vol. 21, no. 1, pp. 158-162, 2022. DOI: 10.1109/LAWP.2021.3122232. Article 3.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, J. Garcia-Fernandez, M. Campo-Valera, D. Cañete-Rebenaque, and J. L. Gomez-Tornero, Direction Finding of RFID tags in UHF Band Using a Passive Beam-Scanning Leaky-Wave Antenna IEEE Journal of Radio Frequency Identi cation, doi: 10.1109/JRFID.2021.3122233. Article 4.-: J. L. Gomez-Tornero, A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia and D. Cañete-Rebenaque, ARIEL: Passive Beam-Scanning Antenna TeRminal for Iridiscent and E cient LEO Satellite Connectivity in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, doi: 10.1109/LAWP.2022.3193040.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicacione
Exploring Animal Behavior Through Sound: Volume 1
This open-access book empowers its readers to explore the acoustic world of animals. By listening to the sounds of nature, we can study animal behavior, distribution, and demographics; their habitat characteristics and needs; and the effects of noise. Sound recording is an efficient and affordable tool, independent of daylight and weather; and recorders may be left in place for many months at a time, continuously collecting data on animals and their environment. This book builds the skills and knowledge necessary to collect and interpret acoustic data from terrestrial and marine environments. Beginning with a history of sound recording, the chapters provide an overview of off-the-shelf recording equipment and analysis tools (including automated signal detectors and statistical methods); audiometric methods; acoustic terminology, quantities, and units; sound propagation in air and under water; soundscapes of terrestrial and marine habitats; animal acoustic and vibrational communication; echolocation; and the effects of noise. This book will be useful to students and researchers of animal ecology who wish to add acoustics to their toolbox, as well as to environmental managers in industry and government
Detección no invasiva mediante microondas de tejido tumoral en estadios tempranos en casos de cáncer de mama
En la actualidad, las técnicas de imagen médica por microondas están despertando un gran interés dentro del sector sanitario y científico. Este interés tiene como objetivo principal poder realizar imágenes médicas de forma no invasiva para el cuerpo humano. Es ampliamente conocido que los sistemas actuales, como pueden ser los rayos X, son perjudiciales para la salud a largo plazo e incómodos para las pacientes, y por este motivo se busca un sistema que complemente a los ya existentes para en un futuro poder reemplazarlos con seguridad. Con los sistemas de imagen médica por microondas se obtienen imágenes muy claras para la detección de tejido biológico, debido a la diferencia de las propiedades dieléctricas de los tejidos. Son sistemas más rápidos y que se adaptan mejor a la morfología del cuerpo, lo que mejora la atención sanitaria. Finalmente, es importante destacar la notable diferencia en los costes derivados en el desarrollo e implantación de este tipo de sistemas en entornos sanitarios comparados con los actuales.
En esta Tesis Doctoral, se realiza una contribución en el estudio de las técnicas de imagen médica por microondas centrando el trabajo en la detección temprana de cáncer de mama. Para ello, se presentan dos sistemas de medida de tejido biológico para la detección y ubicación de materiales biológicos y su uso en tres aplicaciones, que han dado como resultado tres publicaciones en revistas de investigación internacionales. En las dos primeras aplicaciones se usa un sistema de imagen médica con medidas en un solo plano; estas aplicaciones están orientadas a la detección de material biológico ligada a la detección temprana de cáncer de mama y al seguimiento de herramientas quirúrgicas en cirugías teleoperadas. La tercera aplicación está ligada también a la detección temprana de cáncer de mama, pero para este caso se ha desarrollado un nuevo sistema de medida en curvas adaptado completamente a la morfología de la mama. Ello nos lleva a utilizar antenas de forma ajustable o flexibles, por lo que se ha realizado un estudio completo de las posibilidades de fabricación de este tipo de antenas en el rango de las microondas con técnicas aditivas de depositado de tinta conductora. Este sistema adaptado a la mama es la contribución principal de la Tesis Doctoral, donde también se presentan modelos realistas de mama biocompatibles para realizar medidas en laboratorio.
Los artículos comentados anteriormente son la justificación de la presentación de esta Tesis Doctoral por compendio de publicaciones, cumpliendo la normativa de Doctorado de la Universidad Miguel Hernández de Elche. Por este motivo, este documento tiene un total de cuatro capítulos en los que se presenta el trabajo realizado, que ha dado lugar a las publicaciones. Los cuatro capítulos se resumen en: un primer capítulo de introducción para hablar sobre las motivaciones, objetivos y métodos; un segundo capítulo del estado del arte del tema estudiado; un tercer capítulo donde se explican las líneas de investigación llevadas a cabo; y un cuarto capitulo donde se exponen las conclusiones y líneas futuras. Por último, el documento finaliza con un anexo donde se incluyen los artículos científicos
Assessing brain connectivity through electroencephalographic signal processing and modeling analysis
Brain functioning relies on the interaction of several neural populations connected through complex connectivity networks, enabling the transmission and integration of information. Recent advances in neuroimaging techniques, such as electroencephalography (EEG), have deepened our understanding of the reciprocal roles played by brain regions during cognitive processes. The underlying idea of this PhD research is that EEG-related functional connectivity (FC) changes in the brain may incorporate important neuromarkers of behavior and cognition, as well as brain disorders, even at subclinical levels. However, a complete understanding of the reliability of the wide range of existing connectivity estimation techniques is still lacking. The first part of this work addresses this limitation by employing Neural Mass Models (NMMs), which simulate EEG activity and offer a unique tool to study interconnected networks of brain regions in controlled conditions. NMMs were employed to test FC estimators like Transfer Entropy and Granger Causality in linear and nonlinear conditions. Results revealed that connectivity estimates reflect information transmission between brain regions, a quantity that can be significantly different from the connectivity strength, and that Granger causality outperforms the other estimators. A second objective of this thesis was to assess brain connectivity and network changes on EEG data reconstructed at the cortical level. Functional brain connectivity has been estimated through Granger Causality, in both temporal and spectral domains, with the following goals: a) detect task-dependent functional connectivity network changes, focusing on internal-external attention competition and fear conditioning and reversal; b) identify resting-state network alterations in a subclinical population with high autistic traits. Connectivity-based neuromarkers, compared to the canonical EEG analysis, can provide deeper insights into brain mechanisms and may drive future diagnostic methods and therapeutic interventions. However, further methodological studies are required to fully understand the accuracy and information captured by FC estimates, especially concerning nonlinear phenomena
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