Incidental findings on MRI scans of patients presenting with audiovestibular symptoms

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The evaluation of patients presenting with audiovestibular symptoms usually includes MRI of the internal auditory meatus, the cerebellopontine angle and the brain. A significant percentage of these scans will present unexpected, incidental findings, which could have important clinical significance.</p> <p>Objective</p> <p>To determine the frequency and clinical significance of incidental findings on MRI scans of patients with audiovestibular symptoms.</p> <p>Materials and methods</p> <p>A retrospective analysis of 200 serial MRI scans.</p> <p>Results</p> <p>Gender distribution: equal. Age range: 17-82 years. One-hundred and four scans (52%) were normal and 1 scan (0.5%) demonstrated a unilateral vestibular schwannoma. Ninety-five scans (47.5%) demonstrated incidental findings. Sixty-six of these (33%) were considered of ishaemic origin and did not require further action. Five (2.5%) scans demonstrated significant findings which warranted appropriate referral; Two Gliomas (1%), 2 cases of extensive White Matter Lesions (1%), 1 lipoma (0.5%). The remaining scans demonstrated various other findings.</p> <p>Conclusion</p> <p>Investigation of patients with audiovestibular symptoms with MRI scans revealed incidental findings in a significant percentage (47.5%). The majority of these findings were benign warranting no further action and only 2.5% required further referral. It is the responsibility of the referring Otolaryngologist to be aware of these findings, to be able to assess their significance, to inform the patient and if needed to refer for further evaluation.</p

Breast cancer surgery with augmented reality

© 2021 The Author(s). Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).Introduction: Innovations in 3D spatial technology and augmented reality imaging driven by digital high-tech industrial science have accelerated experimental advances in breast cancer imaging and the development of medical procedures aimed to reduce invasiveness. Presentation of case: A 57-year-old post-menopausal woman presented with screen-detected left-sided breast cancer. After undergoing all staging and pre-operative studies the patient was proposed for conservative breast surgery with tumor localization. During surgery, an experimental digital and non-invasive intra-operative localization method with augmented reality was compared with the standard pre-operative localization with carbon tattooing (institutional protocol). The breast surgeon wearing an augmented reality headset (Hololens) was able to visualize the tumor location projection inside the patient's left breast in the usual supine position. Discussion: This work describes, to our knowledge, the first experimental test with a digital non-invasive method for intra-operative breast cancer localization using augmented reality to guide breast conservative surgery. In this case, a successful overlap of the previous standard pre-operative marks with carbon tattooing and tumor visualization inside the patient's breast with augmented reality was obtained. Conclusion: Breast cancer conservative guided surgery with augmented reality can pave the way for a digital non-invasive method for intra-operative tumor localization.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Prevalence, associated factors and outcomes of pressure injuries in adult intensive care unit patients: the DecubICUs study

Funder: European Society of Intensive Care Medicine; doi: http://dx.doi.org/10.13039/501100013347Funder: Flemish Society for Critical Care NursesAbstract: Purpose: Intensive care unit (ICU) patients are particularly susceptible to developing pressure injuries. Epidemiologic data is however unavailable. We aimed to provide an international picture of the extent of pressure injuries and factors associated with ICU-acquired pressure injuries in adult ICU patients. Methods: International 1-day point-prevalence study; follow-up for outcome assessment until hospital discharge (maximum 12 weeks). Factors associated with ICU-acquired pressure injury and hospital mortality were assessed by generalised linear mixed-effects regression analysis. Results: Data from 13,254 patients in 1117 ICUs (90 countries) revealed 6747 pressure injuries; 3997 (59.2%) were ICU-acquired. Overall prevalence was 26.6% (95% confidence interval [CI] 25.9–27.3). ICU-acquired prevalence was 16.2% (95% CI 15.6–16.8). Sacrum (37%) and heels (19.5%) were most affected. Factors independently associated with ICU-acquired pressure injuries were older age, male sex, being underweight, emergency surgery, higher Simplified Acute Physiology Score II, Braden score 3 days, comorbidities (chronic obstructive pulmonary disease, immunodeficiency), organ support (renal replacement, mechanical ventilation on ICU admission), and being in a low or lower-middle income-economy. Gradually increasing associations with mortality were identified for increasing severity of pressure injury: stage I (odds ratio [OR] 1.5; 95% CI 1.2–1.8), stage II (OR 1.6; 95% CI 1.4–1.9), and stage III or worse (OR 2.8; 95% CI 2.3–3.3). Conclusion: Pressure injuries are common in adult ICU patients. ICU-acquired pressure injuries are associated with mainly intrinsic factors and mortality. Optimal care standards, increased awareness, appropriate resource allocation, and further research into optimal prevention are pivotal to tackle this important patient safety threat

Correction to: Prevalence, associated factors and outcomes of pressure injuries in adult intensive care unit patients: the DecubICUs study

The original version of this article unfortunately contained a mistake

Prevalence, associated factors and outcomes of pressure injuries in adult intensive care unit patients: the DecubICUs study

Funder: European Society of Intensive Care Medicine; doi: http://dx.doi.org/10.13039/501100013347Funder: Flemish Society for Critical Care NursesAbstract: Purpose: Intensive care unit (ICU) patients are particularly susceptible to developing pressure injuries. Epidemiologic data is however unavailable. We aimed to provide an international picture of the extent of pressure injuries and factors associated with ICU-acquired pressure injuries in adult ICU patients. Methods: International 1-day point-prevalence study; follow-up for outcome assessment until hospital discharge (maximum 12 weeks). Factors associated with ICU-acquired pressure injury and hospital mortality were assessed by generalised linear mixed-effects regression analysis. Results: Data from 13,254 patients in 1117 ICUs (90 countries) revealed 6747 pressure injuries; 3997 (59.2%) were ICU-acquired. Overall prevalence was 26.6% (95% confidence interval [CI] 25.9–27.3). ICU-acquired prevalence was 16.2% (95% CI 15.6–16.8). Sacrum (37%) and heels (19.5%) were most affected. Factors independently associated with ICU-acquired pressure injuries were older age, male sex, being underweight, emergency surgery, higher Simplified Acute Physiology Score II, Braden score 3 days, comorbidities (chronic obstructive pulmonary disease, immunodeficiency), organ support (renal replacement, mechanical ventilation on ICU admission), and being in a low or lower-middle income-economy. Gradually increasing associations with mortality were identified for increasing severity of pressure injury: stage I (odds ratio [OR] 1.5; 95% CI 1.2–1.8), stage II (OR 1.6; 95% CI 1.4–1.9), and stage III or worse (OR 2.8; 95% CI 2.3–3.3). Conclusion: Pressure injuries are common in adult ICU patients. ICU-acquired pressure injuries are associated with mainly intrinsic factors and mortality. Optimal care standards, increased awareness, appropriate resource allocation, and further research into optimal prevention are pivotal to tackle this important patient safety threat

Analytical Study of Confined Reinforced Concrete Members using the Three-Dimensional Nonlinear Finite Element Method

The present thesis entitled "Analytical Study of Confined Reinforced Concrete Members using the Three-Dimensional Nonlinear Finite Element Method" includes an analytical study of reinforced concrete bridge piers of solid and hollow section with various transverse reinforcement arrangements. A variety of confinement patterns is examined, such as closed overlapping hoops and transverse links, and effectiveness of confinement is assessed in each of them. A key issue is to suggest the most convenient confinement arrangements in terms of enhanced strength and ductility, as well as ease of construction and cost effectiveness. Modelling of bridge sections is performed using three dimensional solid (brick) elements for concrete and embedded linear truss elements for reinforcement bars. In this context, direct simulation of the confinement effect is achieved, emanating from the induced restriction of concrete expansion due to axial tension of lateral reinforcement bars, under concentric monotonic compressive loading. For performing the present analysis, the commercial finite element package ATENA was selected and considerably improved, mainly in terms of the standard featured concrete constitutive law, which was revised to account for confinement characteristics that were not captured by the existing model. More specifically, new constitutive equations in terms of the hardening/softening parameter and the plastic potential function were formulated in the context of the plasticity constitutive model for concrete in compression and all model parameters were calibrated upon the uniaxial concrete compressive strength, on the basis of an extensive experimental database. The above improvements were incorporated in the selected finite element software and verification analyses were performed in order to validate the efficiency of the improved concrete constitutive model and the performance of the nonlinear solver in general. Following the above developments, a large parametric analysis was performed on circular and rectangular bridge piers of solid and hollow section, which were taken directly from real constructed bridges in Greece. Various confinement arrangements and transverse reinforcement spacings were examined, as well as the effect of high strength concrete on confinement effectiveness. The analysis results are used as a basis for identifying the most convenient reinforcement arrangements in terms of various performance and economic indices, as well as detecting reduced ductility characteristics in a few cases. The present study clearly shows that three dimensional analysis can be considered as a very powerful analytical tool for investigating the structural performance not only of reinforced concrete members of common configurations, but also of more complex geometries and/or reinforcement patterns, such as those found in hollow bridge piers, wherein standard phenomenological models are generally not applicable.Η παρούσα διατριβή με τίτλο "Αναλυτική Μελέτη Περισφιγμένων Στοιχείων Οπλισμένου Σκυροδέματος με τη Μέθοδο των Μη Γραμμικών Πεπερασμένων Στοιχείων στο Χώρο" περιλαμβάνει μια αναλυτική διερεύνηση της συμπεριφοράς βάθρων γεφυρών οπλισμένου σκυροδέματος, συμπαγούς και κοίλης διατομής, με εναλλακτικές διατάξεις οπλισμού περίσφιξης. Ειδικότερα, εξετάζεται μια σειρά γεωμετρικών διατάξεων εγκάρσιων οπλισμών, όπως οι κλειστοί αλληλοκαλυπτόμενοι συνδετήρες και οι εγκάρσιοι σύνδεσμοι και αποτιμάται η αποτελεσματικότητα της περίσφιξης σε κάθε περίπτωση. O βασικός στόχος είναι ο προσδιορισμός των προσφορότερων διατάξεων, τόσο από πλευράς εξασφάλισης αντοχής και πλάστιμης συμπεριφοράς όσο και από πλευράς κατασκευαστικής ευκολίας και οικονομίας. Η αναλυτική μελέτη των βάθρων γίνεται με τη χρήση πεπερασμένων στοιχείων τριών διαστάσεων για την προσομοίωση του σκυροδέματος σε συνδυασμό με εμφυτευμένα γραμμικά στοιχεία ράβδου για την προσομοίωση των οπλισμών. Με τον τρόπο αυτόν είναι δυνατή η άμεση προσομοίωση της περίσφιξης που προκύπτει από την παρεμπόδιση της εγκάρσιας διόγκωσης του σκυροδέματος του πυρήνα υπό αξονική κεντρική θλίψη. Για τις ανάγκες της αναλυτικής έρευνας χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ΑΤΕΝΑ, στο οποίο υλοποιήθηκαν σημαντικές βελτιώσεις κυρίως σε επίπεδο καταστατικού νόμου πλαστικότητας σκυροδέματος, ο οποίος τροποποιήθηκε κατάλληλα έτσι ώστε να συμπεριλάβει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της περίσφιξης τα οποία δεν ήταν δυνατόν να περιγραφούν από τον υφιστάμενο νόμο. Συγκεκριμένα, ενσωματώθηκαν νέες καταστατικές εξισώσεις όσον αφορά την παράμετρο κράτυνσης/χαλάρωσης και τη συνάρτηση πλαστικού δυναμικού και έγινε βαθμονόμηση όλων των παραμέτρων του υλικού μέσω μιας εκτενούς πειραματικής βάσης δεδομένων. Οι παραπάνω βελτιώσεις ενσωματώθηκαν στο επιλεγμένο πρόγραμμα και πραγματοποιήθηκαν διερευνητικές αναλύσεις με σκοπό την αξιολόγηση της απόδοσης του νέου καταστατικού νόμου και της αριθμητικής διαδικασίας επίλυσης γενικότερα. Στη συνέχεια έγινε μία εκτενής παραμετρική ανάλυση κυκλικών και ορθογωνικών βάθρων κοίλης και συμπαγούς διατομής, τα οποία αντιστοιχούν σε πραγματικές γέφυρες που έχουν κατασκευαστεί στον ελληνικό χώρο. Εξετάστηκαν εναλλακτικές διατάξεις και πυκνότητες εγκάρσιων οπλισμών περίσφιξης καθώς και η επιρροή της ποιότητας του σκυροδέματος στην αντοχή και την πλαστιμότητα των περισφιγμένων στοιχείων. Με βάση τα αναλυτικά αποτελέσματα, αναδεικνύονται από τη μία πλευρά οι προσφορότερες διατάξεις περίσφιξης βάσει συγκεκριμένων δεικτών απόκρισης και κόστους και από την άλλη εντοπίζονται προβλήματα μειωμένης πλάστιμης συμπεριφοράς σε ορισμένες από αυτές. Η παρούσα έρευνα αποδεικνύει ότι η μέθοδος της μη γραμμικής ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων στο χώρο μπορεί να αποτελέσει ένα σημαντικό εργαλείο για τη μελέτη της συμπεριφοράς όχι μόνο στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος συνήθους γεωμετρίας ή/και διατάξεων περίσφιξης αλλά και συνθετότερων μορφών, όπως τα κοίλα βάθρα γεφυρών, όπου οι συνήθεις φαινομενολογικές προσεγγίσεις εν γένει αδυνατούν να επεκταθούν

Effect of ionizing radiation on telomerase expression in breast cancer

The aim of this work was to study the effect of ionizing radiation on cell viability and on telomerase expression. The regulatory mechanisms of human telomerase reverse transcriptase (hTERT) expression as well as telomerase activity were investigated in relation with breast cancer cells features. Breast cancer cell lines as well as samples from breast cancer patients, differing in their basic features (presence or absence of estrogen, progesterone and HER2 receptors, presence of wild-type or mutated p53 protein), were used in this study. Methods: hTERT expression and telomerase activity were measured by quantitative real-time PCR and TRAP assay, respectively. Cell viability was measured by MTT assay and cell cycle distribution by flow cytometry. The research of possible mutations within p53 gene was assessed by sequencing analysis and HER2, myc, p53, p21 protein expression analysis by Western blotting. hTERT and c-myc gene promoter activity was assessed by chromatin immunoprecipitation assay and hTERT and HER2 gene silencing by siRNA technology. A significant correlation was found between hTERT expression/telomerase activity and HER2 receptor presence. After irradiation of breast cancer cell lines and of breast cancer cells derived from fresh tissue samples, an increase of hTERT expression and telomerase activity was observed in HER2 positive cells only. hTERT knockdown led to increased radio-sensitivity, while HER2 knockdown led to downregulation of hTERT expression and increased radio-sensitivity. HER2 receptor was found to upregulate hTERT expression through activation of the PI3K/Akt signalling pathway and transcription factors NF-kB and c-myc. In conclusion, the presence of HER2 receptor could be an indicator of increased radio-resistance of breast cancer cells, through activation of oncogenes such as telomerase. The use of methods leading to hTERT or HER2 gene knockdown could help optimize therapeutic schemes.Σκοπός της διατριβής ήταν η μελέτη της επίδρασης ιοντίζουσας ακτινοβολίας στην κυτταρική βιωσιμότητα και την έκφραση της τελομεράσης. Μελετήθηκαν οι μηχανισμοί ρύθμισης της καταλυτικής υπομονάδας της τελομεράσης (hTERT) και η δραστικότητα του ολοενζύμου σε σχέση με τα φαινοτυπικά χαρακτηριστικά των κυττάρων. Χρησιμοποιήθηκαν καρκινικές κυτταρικές σειρές και δείγματα από ασθενείς με καρκίνο μαστού, που διέφεραν στα βασικά χαρακτηριστικά τους (παρουσία υποδοχέων οιστρογόνου, προγεστερόνης και HER2, παρουσία φυσιολογικής ή μεταλλαγμένης πρωτεΐνης p53). Μεθοδολογία: η έκφραση hTERT και η δραστικότητα τελομεράσης πραγματοποιήθηκαν με ποσοτική PCR σε πραγματικό χρόνο και το πρωτόκολο TRAP, αντίστοιχα. Η κυτταρική βιωσιμότητα πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια της δοκιμασίας ΜΤΤ και η κατανομή των κυττάρων στον κυτταρικό κύκλο με κυτταρομετρία ροής. Η ανίχνευση πιθανών μεταλλάξεων του γονιδίου p53 πραγματοποιήθηκε με αλληλούχιση σε γενετικό αναλυτή και η έκφραση των HER2, myc, p53, p21 με ανοσοαποτύπωση κατά Western. Η δραστηριότητα των υποκινητών των γονιδίων hTERT και c-myc πραγματοποιήθηκε με τη δοκιμασία ανοσοκατακρήμνισης χρωματίνης και η γονιδιακή αποσιώπηση της έκφρασης των γονιδίων hTERT και HER2, με την τεχνολογία παρεμβατικών μορίων RNA. Βρέθηκε υψηλή συσχέτιση μεταξύ επιπέδων έκφρασης hTERT και δραστικότητας τελομεράσης και της παρουσίας του υποδοχέα HER2. Μετά από ακτινοβόληση καρκινικών σειρών και δειγμάτων βιοψιών όγκων ασθενών με καρκίνο μαστού, διαπιστώθηκε αύξηση της έκφρασης hTERT και αυξημένη ενεργότητα του ενζύμου, αλλά και αυξημένη ανθεκτικότητα των ακτινοβολημένων HER2 θετικών κυττάρων μόνο. Η αποσιώπηση της έκφρασης της hTERT, οδήγησε σε αυξημένη ευαισθησία των κυττάρων στην ακτινοβόληση, ενώ η αποσιώπηση της έκφρασης του HER2, σε μείωση της έκφρασης hTERT και αυξημένη ευαισθησία των κυττάρων στην ακτινοβόληση. Ο υποδοχέας HER2 βρέθηκε να ρυθμίζει την έκφραση της hTERT, μέσω ενεργοποίησης του σηματοδοτικού μονοπατιού PI3Κ/Akt και των μεταγραφικών παραγόντων NF-kB και c-myc. Συμπερασματικά, προτείνεται ότι η παρουσία του υποδοχέα HER2, θα μπορούσε να αποτελέσει δείκτη αυξημένης ανθεκτικότητας των όγκων στην ακτινοθεραπεία, μέσω της ενεργοποίησης ογκογονιδίων όπως η τελομεράση και ότι η χρήση τεχνολογιών καταστολής της έκφρασης της τελομεράσης ή του υποδοχέα HER2 θα μπορούσαν να συντελέσουν στην αύξηση της αποτελεσματικότητας θεραπευτικών σχημάτων

Heat shock protein expression and neoangiogenesis in salivary gland neoplasms

IntroductionSalivary gland neoplasms comprise a wide group of tumors with diverse histology and broad biologic behavior, often presenting difficulties in their definitive diagnosis and treatment. In the last decades, the prominent role of angiogenesis in the neoplastic process has been recognized, and alterations of its promoters and inhibitors have been investigated in most human tumors. However, angiogenesis in salivary gland neoplasms has not been thoroughly studied.Material and MethodsWe evaluated the immunohistochemical expression of various angiogenesis-related molecules and the vascularity of 61 malignant (16 adenoid cystic carcinomas, 12 mucoepidermoid carcinomas, 11 polymorphous low grade adenocarcinomas, 9 adenocarcinomas NOS, 6 salivary duct carcinomas, 3 carcinomas ex-pleomorphic adenomas, 2 lymphoepithelial carcinomas, 1 myoepithelial carninoma, 1 clear cell carinoma NOS) and 18 benign salivary gland neoplasms (13 pleomorphic adenomas, 5 Warthin tumours).The evaluated molecules were: angiogenesis-promoter vascular endothelial growth factor (VEGF). angiogenesis-inhibitor Endostatin. angiogenesis related molecule collagen angiogenesis related molecule HSP47. endothelial marker FVIIIR:Ag. Vascularity was assessed by calculation of MicroVessel Density (MVD) and by FVIIIR:Ag immunostaining intensity.ResultsVEGF was expressed in 83.6% of malignant and 94.44% of benign neoplasms. Endostatin was expressed in 91.8% and 100% of malignant and benign cases respectively. Collagen XVIII was expressed in 100% of both benign and malignant neoplasms. HSP47 was expressed in 78.68% of malignant and 100% of benign neoplasms.All markers predominantly showed a diffuse pattern of immunostaining (more than 50% positive cells). VEGF immunostaining intensity varied widely among cases, ranging from weak to strong for both malignant and benign cases. Endostatin, Collagen XVIII and HSP47 presented varying immunointensity for malignant cases, whereas benign cases mainly presented strong immunostaining.Statistical analysis correlated VEGF expression in malignant neoplasms with TNM stage and extraparenchymal infiltration (p=0,0005 and 0,00063 respectively). The total score of immunoreactivity for Endostatin, Collagen XVIII and HSP47 was significantly higher in benign compared to malignant cases (p=0.01, p=0.02, and p=0,00996 respectively). Furthermore, HSP47 positivity and intensity was statistically higher in benign neoplasms, compared to malignant (p=0,0067 and p=0.0249 respectively). Additionally Endostatin immunoexpression correlated with Collagen XVIII expression in benign cases (p<0.001). No association was found regarding tumor MVD. However, immunostaining intensity of the endothelial marker FVIIIR:Ag was higher in malignant tumours (p=0,013).ConclusionsOur results show that benign compared to malignant salivary gland neoplasms express higher levels of Endostatin, Collagen XVIII and HSP47. Ιn malignant neoplasms an increase in the ratio of angiogenic to angiostatic elements is observed. It suggested that enhanced angiogenesis may contribute to salivary gland carcinogenesis

Τεχνικές σχεδίασης και βελτιστοποίησης οπτικών ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων

During the 20th century, radio was established as the primary means when wireless communications were mentioned. To its credit, in the last century, but especially in the last 20-30 years, radio-frequency (RF) wireless communications developed from a military or niche, at best, application, to a mature and crucial technology in daily life. The integration of myriad of devices with a different set of requirements drove the research of RF to new heights. On the other hand, optical communications were established as the primary driver for tethered communications. Now, to achieve the goals of the next generations of wireless access and to avoid a potential “spectrum crunch”, where there is no bandwidth availability to serve new devices in the network, optical wireless communications (OWC) emerged as complementary technology to RF. In general, OWC refers to the optical transmission of data in unguided media, most commonly through the atmosphere. While OWC has been examined in many forms over the centuries, advancements in photonics and digital signal processing have made them a particularly attractive technology not only to increase the performance of current networks but also to increase their energy efficiency, leading to greener networking. In this thesis, the design and optimization of OWC systems is presented and the possible integration ways with existing RF networks or future advanced technologies. Depending on the application, OWC can be divided into three major categories, free space optics (FSO), visible light communications (VLC), and optical camera communications (OCC), which are presented in the first chapter. Following that, in the second chapter, the resource allocation in a hybrid VLC/RF under practical constraints, such as a common backhaul link and imperfect channel state information (CSI) at the transmitter, is examined to ensure user fairness. This is of paramount importance because in such heterogeneous networks, a standard rate maximization approach yields a severely degraded performance for the users with weak channel conditions. In order to provide a tractable solution to the formulated problem, which is non-convex, it is transformed into an equivalent convex one. Moreover, a simplified power allocation problem is solved, which provides comparable results with substantially lower complexity. Finally, extensive simulations illustrate the validity and effectiveness of the proposed analysis, and provide valuable insights on the impact of the imperfect CSI on the overall network performance. In the third chapter, a novel general closed-form expression is derived for the outage probability of non-orthogonal multiple access (NOMA) downlink in cellular networks with randomly deployed users, which can be used for any fading distribution and can reveal useful insights for the system design. Then, this is utilized to provide a closed-form analysis for the important case of Nakagami-$m$ fading. Following that and based on NOMA, a set of multiple access protocols are proposed, called hierarchical multiple access (HiMA), optimized for the hierarchical network scenario, and can be efficiently utilized in various network configurations with an hierarchical form, such as relay networks, cloud-radio access networks (C-RANs), and fog-radio access networks (F-RANs). Furthermore, the resource allocation problem is formulated for each protocol with respect to the timeslot duration and power to maximize max-min rate fairness and proportional fairness. Finally, numerical results reveal the effectiveness of the joint design in the hierarchical network and an interesting trade-off is identified between fairness and achievable rate. Interestingly, despite NOMA being a very promising alternative to conventional multiple access schemes, the protocol that is solely based on NOMA does not always outperform the rest. After establishing the usefulness of NOMA, in the fourth chapter, it is utilized in a hybrid VLC/RF network. However, the optimal user grouping in NOMA is a combinatorial NP-complete problem, which calls for low complexity techniques, in order to be solved efficiently. To this end, coalitional game theory is considered, where the users served by the same access point (VLC or RF) form a single coalition, while the users can switch through coalitions based on their payoff. A novel utility function is proposed that takes into account the peculiarities of the NOMA hybrid VLC/RF network. Finally, a coalition formation algorithm is presented as well as an efficient power allocation policy. Computer simulations validate the presented analysis and reveal the effectiveness of the proposed user grouping scheme compared to an opportunistic approach. Chapter 5 investigates the use of simultaneous lightwave information and power transfer (SLIPT). First, the impact of the channel statistics on the average harvested energy when directive lightwave power transfer (DLPT) is used for both indoor and outdoor environments. For both scenarios, closed-form expressions are extracted for the average harvested power, validated via Monte Carlo simulations. Following that, the application of SLIPT for the fronthaul link of an aerial base station (ABS) is studied. In general, large receiver areas can be utilized by a SLIPT system to enhance both its data rate and the harvested power, as they balance out the geometric spreading of the beam. However, a larger solar cell area naturally leads to a heavier load for the ABS increasing its power consumption and, in turn, lowering its expected lifetime. Therefore, it is crucial to study the ensuing trade-off between the size of the solar cell and the performance of the ABS. Moreover, SLIPT performance is heavily influenced by the transmission parameters such as direct current (DC) bias. To that end, a joint optimization problem is designed to maximize the energy efficiency on an ABS based on the transmission parameters and the size of the solar cell. Simulation results validate the proposed analysis as they illustrate a great performance gain over benchmark schemes. Finally, the sixth chapter summarizes the main conclusions of the thesis and presents possible future extension the proposed research.Τον 20ο αιώνα τα ραδιοκύματα καθιερώθηκαν ως ο κυρίαρχος τρόπος ασύρματης επικοινωνίας. Χάρη σε αυτά, κατά τη διάρκεια του τελευταίου αιώνα, αλλά ιδιαίτερα τα τελευταία 20-30 χρόνια, οι ασύρματες επικοινωνίες ραδιοκυμάτων εξελίχθηκαν από μία στρατιωτική και με μικρή απήχηση εφαρμογή σε μία ώριμη τεχνολογία, ζωτικής σημασίας για την καθημερινότητα. Η ενσωμάτωση τεράστιου αριθμού συσκευών με διαφορετικές απαιτήσεις οδήγησε την έρευνα στα ραδιοκύματα σε νέες διαστάσεις. Από την άλλη μεριά, οι οπτικές επικοινωνίες καθιερώθηκαν ως ο κυρίαρχος τρόπος ενσύρματης επικοινωνίας. Οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες αναδύθηκαν ως μία συμπληρωματική τεχνολογία στα ραδιοκύματα, για να επιτευχθούν οι στόχοι των νέων γενεών ασύρματης πρόσβασης και για να αποφευχθεί μία “κατάρρευση” του φάσματος, κατά την οποία δε θα υπάρχει διαθέσιμο εύρος ζώνης ώστε να συνδεθούν νέες συσκευές στο δίκτυο. Εν γένει, οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες αναφέρονται στην οπτική διάδοση μέσω μη οδηγούμενων μέσων, συνηθέστερα μέσω της ατμόσφαιρας. Ενώ οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες έχουν γίνει αντικείμενο εξέτασης σε διάφορες μορφές μέσα στα χρόνια, η πρόοδος στη φωτονική και στην ψηφιακή επεξεργασία σήματος τις καθιστά μία ιδιαίτερα ελκυστική τεχνολογία, καθώς θα αυξήσουν όχι μόνο την επίδοση των σημερινών δικτύων, αλλά και την ενεργειακή αποδοτικότητα των τελευταίων, οδηγώντας, έτσι, σε μία πιο “πράσινη” δικτύωση. Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζεται η σχεδίαση και η βελτιστοποίηση των οπτικών ασύρματων επικοινωνιακών συστημάτων και οι τρόποι ενσωμάτωσής τους στα υπαρκτά δίκτυα ραδιοσυχνοτήτων ή ο συνδυασμός τους με νέες τεχνολογίες δικτύωσης. Ανάλογα με την εφαρμογή, οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: την οπτική ελευθέρου χώρου (FSO), τις επικοινωνίες ορατού φωτός (VLC), και τις οπτικές επικοινωνίες κάμερας (OCC), οι οποίες παρουσιάζονται στο πρώτο κεφάλαιο. Στο δεύτερο κεφάλαιο, μελετάται ο διαμοιρασμός πόρων σε ένα υβριδικό σύστημα επικοινωνιών ορατού φωτός/ραδιοσυχνοτήτων υπό πρακτικούς περιορισμούς, όπως η κοινή σύνδεση backhaul και η ατελής πληροφορία καναλιού (CSI), ώστε να υπάρχει δικαιοσύνη ανάμεσα στους χρήστες. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, διότι σε τέτοια ετερογενή δίκτυα οι καθιερωμένες μέθοδοι για τη μεγιστοποίηση του ρυθμού δεδομένων θα οδηγούσαν σε χαμηλή επίδοση για τους χρήστες με κακές συνθήκες καναλιού. Για την εύρεση μίας λύσης αυτού του μη-κυρτού προβλήματος σε πολυωνυμικό χρόνο, το αρχικό πρόβλημα μετασχηματίζεται σε ένα ισοδύναμο κυρτό. Επιπλέον, ένα απλοποιημένο πρόβλημα διαμοιρασμού της ισχύος επιλύεται επιφέροντας παρόμοια απόδοση με χαμηλότερη πολυπλοκότητα. Τέλος, η εγκυρότητα και η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης ανάλυσης επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων, ενώ παράλληλα αντλούνται πολύτιμα συμπεράσματα για την επίδραση της ατελούς πληροφορίας καναλιού στις επιδόσεις του δικτύου. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η τεχνική μη ορθογώνιας πολλαπλής πρόσβασης (non-orthogonal multiple access - NOMA) και υπολογίζεται μία νέα σχέση κλειστής μορφής για την πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας κάτω ζεύξης σε κυψελωτά συστήματα με τυχαία τοποθετημένους χρήστες. Η σχέση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί με κάθε κατανομή διαλείψεων που μπορεί να εμφανίζονται στο σύστημα και προσφέρει σημαντικές πληροφορίες για τον τρόπο σχεδίασης του δικτύου. Η έκφραση αυτή χρησιμοποιείται προκειμένου να αναλυθεί η σημαντική περίπτωση των διαλείψεων Nakagami-$m$. Έπειτα, προτείνεται ένα σετ πρωτοκόλλων πολλαπλής πρόσβασης που βασίζονται στο ΝΟΜΑ, με τίτλο ιεραρχική πολλαπλή πρόσβαση (hierarchical multiple access - HiMA). Τα πρωτόκολλα αυτά είναι σχεδιασμένα για χρήση σε δίκτυα με ιεραρχική δομή όπως τα δίκτυα με αναμεταδότες, cloud-radio δίκτυα πρόσβασης και fog-radio δίκτυα πρόσβασης. Επιπλέον, το πρόβλημα του διαμοιρασμού πόρων στο δίκτυο διαμορφώνεται για κάθε πρωτόκολλο σε σχέση με τη διάρκεια των χρονοθυρίδων και της ισχύος προκειμένου να μεγιστοποιηθούν οι μετρικές του max-min ρυθμού δεδομένων και του proportional fairness. Τελικά, τα αριθμητικά αποτελέσματα αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα της προσέγγισης της από κοινού σχεδίασης του ιεραρχικού δικτύου και φανερώνουν ένα ενδιαφέρον trade-off μεταξύ της δικαιοσύνης και του ρυθμού μετάδοσης. Παραδόξως, ενώ το ΝΟΜΑ γενικά θεωρείται μία πολύ ελκυστική μορφή πολλαπλής πρόσβασης, το πρωτόκολλο του HiMA που βασίζεται μόνο στο ΝΟΜΑ δεν ξεπερνά πάντα σε επίδοση τα υπόλοιπα πρωτόκολλα. Εφόσον αποδείχθηκε η αξία του ΝΟΜΑ, στο τέταρτο κεφάλαιο, αυτό εφαρμόζεται σε ένα υβριδικό δίκτυο επικοινωνιών ορατού φωτός/ραδιοσυχνοτήτων. Όμως, ο βέλτιστος τρόπος ομαδοποίησης των χρηστών στο ΝΟΜΑ είναι ένα NP-complete πρόβλημα συνδυαστικής που χρειάζεται νέες μεθόδους χαμηλής πολυπλοκότητας για να λυθεί αποδοτικά. Για αυτόν τον σκοπό αξιοποιείται η συνεργατική θεωρία παιγνίων, σύμφωνα με την οποία οι χρήστες που εξυπηρετούνται από το ίδιο σημείο πρόσβασης θεωρείται ότι σχηματίζουν ένα συνασπισμό (coalition) και μπορούν να εναλλάσσονται μέσα στους συνασπισμούς με βάση το κέρδος τους. Προτείνεται μία νέα συνάρτηση κέρδους που συνυπολογίζει τις ιδιαιτερότητες του υβριδικού δικτύου με ΝΟΜΑ. Τέλος, προτείνεται ένας αλγόριθμος σχηματισμού συνασπισμών που εμπεριέχει και την πολιτική διαμοιρασμού της ισχύος στο δίκτυο. Η αξία των αποτελεσμάτων του αλγορίθμου για την ομαδοποίηση των χρηστών επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων όταν η προτεινόμενη μέθοδος συγκρίνεται με μία καιροσκοπική περίπτωση κατά την οποία κάθε χρήστης προσπαθεί να μεγιστοποιήσει το δικό του κέρδος. Το πέμπτο κεφάλαιο ερευνά την ταυτόχρονη μετάδοση πληροφορίας και ισχύος μέσω οπτικού σήματος (simultaneous lightwave information and power transfer - SLIPT). Πρώτα, μελετάται η επίδραση της στοχαστικότητας του καναλιού στη μέση ισχύ συγκομιδής σε κατευθυντικά συστήματα και σε εξωτερικούς και σε εσωτερικούς χώρους. Και στις δύο περιπτώσεις εξάγονται σχέσεις κλειστής μορφής για τη μέση ισχύ συγκομιδής που επιβεβαιώνονται με Monte Carlo προσομοιώσεις. Έπειτα, σχεδιάζεται μία εφαρμογή του SLIPT, συγκεκριμένα, η fronthaul ζεύξη ενός εναέριου σταθμού βάσης. Γενικά, αν χρησιμοποιηθεί ένας δέκτης με μεγάλη ενεργή επιφάνεια στο SLIPT σύστημα μπορεί να αυξηθεί η ενέργεια συγκομιδής και ο ρυθμός δεδομένων μιας και θα ελαχιστοποιούνται οι γεωμετρικές απώλειες του οπτικού σήματος στο επίπεδο του δέκτη. Ένα μεγάλο ηλιακό πάνελ-δέκτης όμως, θα αποτελούσε μεγαλύτερο φορτίο για τον εναέριο σταθμό βάσης και θα μείωνε το χρόνο πτήσης του. Έτσι, δημιουργείται ένα trade-off, όσον αφορά το μέγεθος του δέκτη. Επιπλέον, η επίδοση του συστήματος SLIPT επηρεάζεται σημαντικά από τις παραμέτρους της κυματομορφής εκπομπής, όπως η DC πόλωση. Για αυτόν το σκοπό, σχεδιάζεται ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, ώστε να μεγιστοποιηθεί η ενεργειακή αποδοτικότητα του εναέριου σταθμού βάσης σε σχέση με τις παραμέτρους εκπομπής και του μεγέθους του δέκτη. Αποτελέσματα προσομοιώσεων επιβεβαιώνουν την αξία της προτεινόμενης ανάλυσης, η οποία παρουσιάζει μεγάλη βελτίωση σε σχέση με benchmark σχήματα. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα κύρια συμπεράσματα της διατριβής και παρουσιάζονται μερικές πιθανές μελλοντικές επεκτάσεις της προτεινόμενης έρευνας