LFTY

Lääketieteellisen fysiikan ja tekniikan yhdistys (LFTY)

Finnish Society for Medical Physics and Medical Engineering

LFT-päivä 7.2.2008, Tietotalo, Oulun yliopisto

Posterikilpailuun osallistuneet

Postereiden abstraktit

Potilaan EKG:n, hengitustaajuuden, asennon ja lämpötilan mittaaminen anturivyöllä sekä signaalien langaton Zigbee-tiedonsiirto
Alamäki Heikki, Oulun yliopisto

Langattoman seurannan mahdollisuuksia sairaalassa on haettu muun muassa WILHO (Wireless Hospital)-hankkeen esipilotointiprojektissa, joka suoritettiin Oulun alueen sairaaloissa. Projektin tulosten perusteella päätettiin kehittää laite, joka kykenisi mittaamaan useita parametrejä samanaikaisesti ja pystyisi lähettämään mittaustulokset langattomasti. Näiden vaatimusten pohjalta muotoutuivat vaatimukset tälle työlle. Laite tulisi olla puettava vyö ja sen tulisi kyetä mittaamaan EKG:tä (Elektrokardiogrammi), hengitystaajuutta, asentoa ja ihon lämpötilaa sekä lähettämään mittausdata langattomasti käyttäen ZigBee-radiotekniikkaa. Kommunikointi tulisi toteuttaa suunniteltavan protokollan mukaisesti, jotta tiedonsiirrosta saataisiin luotettava ja turvallinen.

Laitteessa päätettiin käyttää Polar Electro Oy:n kangaselektrodivyötä ja rakentaa oma elektroniikka ja kotelointi siihen sopivaksi. Vyön kangaselektrodeilla saadaan johdettua heikot EKG-signaalit kehosta piirilevylle vahvistettavaksi. Hengitystaajuuden mittaaminen toteutettiin käyttämällä kolmiakselista kiihtyvyysanturia. Hengitys saadaan mitattua kiihtyvyysanturilta hengityksen ja pallean aiheuttaman liikkeen ja kallistumisen perusteella. Asennon mittaaminen toteutettiin myös kiihtyvyysanturilla sen ulostulojännitteen DC-tason perusteella. Lämpötilan mittaamiseen iholta käytettiin NTC-tyyppistä resistanssianturia, joka integroitiin vyöhön. Anturivyön analogia-elektroniikka suunniteltiin mahdollisimman vähän tilaa vieväksi, vähävirtaiseksi ja siinä hyödynnettiin markkinoilla tarjolla olevista komponenteista kuhunkin kytkentään parhaiten soveltuvia komponentteja. Langaton kommunikointi toteutettiin N120-moduulilla, joka sisältää muun muassa 8051 mikrokontrollerin sekä IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4-standardin mukaisen ZigBee-lähetin/vastaanottimen. Moduulin ja tiedonsiirtoprotokollan ohjelmoiminen toteutettiin Linux-ympäristössä laiteläheistä C-ohjelmointikieltä hyväksikäyttäen.

Vyön testaukset toteutettiin kaksivaiheisina langallisina ja langattomina testauksina. Langallisissa testauksissa keskityttiin testaamaan signaalien laatua ja kytkentöjen onnistumista. Langattomat testaukset sisälsivät ohjelmistotestausta, signaalien laadun havainnointia, kiihtyvyysanturisignaalien vahvistuksen tarpeellisuuden testausta ja lämpötila-anturitestauksia. Sekä langallisia että langattomia testauksia varten kehitettiin LabVIEW:lla omat ohjelmat tulostamaan signaalit graafisesti tietokoneen näytölle. Testituloksista voidaan päätellä langattomuuden parantavan signaalien laatua. Tämä näkyy erityisesti EKG- ja kiihtyvyysanturisignaalien laadussa. Hengitysmittaukset havaittiin pystyttävän tekemään vahvistamattomien kiihtyvyysanturisignaalien perusteella. Lisäksi havaittiin että hengitys pystytään mittaamaan sekä pallean aiheuttaman kiihtyvyyden että kulman muutosten perusteella. Asento -ja lämpötilamittaukset saatiin toteutettua vaatimusmäärittelyn mukaisilla vaatimuksilla, jotka olivat yhden asteen tarkkuus kulmamittauksissa X-, Y- ja Z-akselilla ja 0,1 asteen tarkkuus lämpötilamittauksissa.

Anturivyö saatiin onnistuneesti toteutettua lähettämään langatonta mittausdataa. Langattomuus parantaa signaalien laatua, koska häiriön kytkeytymismahdollisuus pienenee. Suurin hyöty langattomuudesta saadaan kuitenkin sen mobiilisuuden ansiosta. Langattoman anturivyön tekeminen ZigBee-tekniikalla on merkittävä saavutus, sillä vastaavaa tuotetta ei ole olemassa vielä markkinoilla. Suuri määrä anturivyöstä saatavaa mittausdataa sekä uudella ZigBee-tekniikalla varustettu langaton tiedonsiirto tekevätkin vyöstä merkittävän sovelluksen langattoman sairaalan tarpeisiin.

Texture Analysis of Biomedical Images Based on Dual-Tree Complex Wavelet Transform
Dogu Baran Aydogan, Tampereen teknillinen yliopisto

Image textures do not have a strict mathematical definition even though they carry a rich source of visual information about the nature and three dimensional shapes of objects. Textures can be regarded as complex visual patterns composed of entities or sub-patterns that have characteristic brightness, color, slope or size. Texture analysis and synthesis are the two important fields of image processing which have been studied since the later part of 1960’s. In biomedical image processing, texture analysis is used in several applications from tracking structural changes of a tissue to segmentation of anatomical structures.

The core of texture analysis is the extraction of texture features. Among several approaches that have been studied in the literature, a transform based method is chosen for texture feature extraction in this thesis. The transform that has been used, is the dual-tree complex wavelet transform (DT-CWT) which is a recent wavelet method that has proved to give better results for texture analysis applications compared to previously suggested signal processing methods. The goal of this work is to introduce DT-CWT based texture analysis methods for biomedical images. These methods can be used both for 2-D and 3-D processing of biomedical images for several applications. This thesis explains three of them which are classification of tissues, segmentation of anatomical structures and estimation of volume texture orientations.

Methods that are proposed in this study are based on the energies of sub-bands of 2-D DT-CWT decomposition for 2-D images. A similar process is followed for 3-D data; however, instead of using 3-D DT-CWT, once again 2-D DT-CWT is used to increase directional selectivity. In order to use 2-D DT-CWT in 3-D volumes, several 2-D planar slices of 3-D data are calculated. 6th order B-spline interpolators are used during this work to increase the quality of the planar slices. After the methods are explained, their performances are tested and compared based on three applications written above.

The methods are tested on artificial 2-D and 3-D textures as well as on T1 and T2 weighted magnetic resonance images (MRI). The applications based on these methods give promising results. It is demonstrated that a simple classifier that uses DT-CWT based texture features can separate bones from four other different tissues. It is also shown that these features can be used for segmenting textured regions such as cerebellum in brain images; in addition to these 3-D orientations of volume textures can be calculated which is demonstrated by estimating muscle fiber orientations.

With this work, it is verified that DT-CWT is an appropriate choice for texture analysis of both 2-D and 3-D biomedical images. A part of this work that is related to orientation estimation of volume textures is send to be published in IEEE Transactions of Image Processing. Such applications can be extended for further clinical uses. Two of currently planned works are classification of tumors and detection of bone fractures based on texture orientation.

Pääkomponenttipohjainen signaalien ennustaminen liikeanalyysissa
Bragge Timo, Kuopion yliopisto

Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jolla voidaan ennustaa liikeanalyysisovelluksissa käytettäviä signaaleja inertia-antureilla laboratorion ulkopuolella. Liikeanalyysillä tarkoitetaan ihmisen liikkeiden mittaamista ja mallintamista. Liikeanalyysiin käytetään yleensä kamerapohjaista järjestelmää, ja mittauksissa käytetään usein lisäksi voimalevyjä. Perinteisesti näitä mittauksia on voinut tehdä vain tarkoitukseen suunnitelluissa laboratorioissa. Ihmisen liikkeitä voidaan mitata myös inertia-antureiden avulla, joita ovat esimerkiksi kolmiakseliset kiihtyvyysanturit ja gyroskoopit. Liikeanalyysilaboratoriot ovat kalliita ja ovat sidoksissa tiettyyn tilaan, joten inertia-anturipohjaisille liikeanalyysimenetelmille on paljon sovelluskohteita.

Tässä työssä kehitettiin pääkomponenttianalyysiin (PCA) perustuva menetelmä signaalin ennustukseen ja rekonstruointiin, jota voi hyödyntää liikeanalyysisovelluksissa laboratorion ulkopuolella. Menetelmän avulla muodostettiin fenomenologinen malli, jonka avulla ennustettiin kiihtyvyysanturimittausten avulla reaktiovoiman resultanttia. Kehitetyn menetelmän avulla pyrittiin siis ennustamaan voimalevymittauksia laboratorion ulkopuolella tehtyjen mittausten avulla, eli tavoitteena oli estimoida, millaisia reaktiovoimasignaalit olisivat olleet, jos ne olisi pystytty mittaamaan.

Menetelmää testattiin simulaatioin ja mittauksin. Simulaatioiden perusteella voidaan todeta, että ennustusmenetelmä toimii, kunhan ominaisvektorien määrä valitaan sopivasti. Reaalidatan tapauksessa ennustettiin reaktiovoimamittauksen resultanttisignaali kiihtyvyysmittausten avulla ensimmäisen 200 ms ajalta askelkontaktin alusta normaalissa kävelyssä. Kantaiskupiikin ennustaminen onnistui hyvin, kaksoistukivaiheen aikana ennustusvirheet kasvoivat.

PCA:han perustuvan signaaliregressiomenetelmän avulla voidaan mallintaa monimutkaisiakin ilmiöitä ilman ilmiöiden tarkkaa fysikaalista mallintamista. Menetelmää voi periaatteessa soveltaa minkälaisten tahansa toisistaan jollain tuntemattomalla tavalla riippuvien suureiden ennustamiseen.

EKG-kartat sydäniskemian havainnoinnissa
Dabek Juhani, Teknillinen korkeakoulu

Yksi käytetyimmistä ja tarkimmista kajoamattomista menetelmistä sydämen toiminnan arviointiin on elektrokardiografia (EKG). Länsimaissa yleisin kuolinsyy on iskeemiset sydänsairaudet, joilla tarkoitetaan sydämen oman verenkierron estymistä sepelvaltimoissa. Tässä työssä tutkittiin sydäniskemiaa EKG-kartoitusmittauksista johdettujen karttojen avulla. Iskemian havaitsemiseen, paikallistamiseen ja kvantifiointiin tarvitaan uusia analysointimenetelmiä.

EKG-analyysiin kehitettiin 4 uutta tapaa: tyypillisen kartan etsintä; sydämen keskipistevektori (SKV); kartan eksentrisyys; ja kartan sirpaleisuus. Näistä ensimmäisellä samantyyppisten karttojen joukosta voidaan valita yksi edustava tarkasteluun. Muissa lähtökohtana on kartan gradientin laskenta kussakin rintakehän diskretointipisteessä. SKV:n tulos on vektori, eksentrisyyden skalaari ja sirpaleisuuden histogrammi. Iskemian paikantamiseen kehitettiin myös bayesilainen luokittelumenetelmä. EKG-kartoista käytiin läpi kaikki 3 elektrodin kombinaatiot, ja parhaiten 3 sepelvaltimoryhmään luokittelevat kombinaatiot löydettiin. Tutkimuksissa käytettiin pallolaajennusaineiston ST60-amplitudin karttoja. Amplitudi mitataan EKG-käyrästä 60 ms QRS-kompleksin jälkeen ST-segmentissä.

Tyypillisen kartan etsinnän todettiin toimivan hyvin, ja se on sovellettavissa muuhunkin vektorimuotoiseen mittausaineistoon. Tämän diplomityön ohessa kehitettiin myös paljon iskemia-aineiston mittaustulosten läpikäymiseen tarkoitettua Matlab-ohjelmistoa. Laskettuja EKG-karttoja oli noin 100 ja näillä tutkittuja parametreja 47. SKV oli paras, jopa dipolia parempi iskemian tunnistaja T-aaltoamplitudikartoilla (area under ROC curve, eli AUC = 0,839). Kun iskemiasta kehittyneen infarktin vakavuutta mitattiin CKMB-entsyymin konsentraatiolla veressä, SKV oli tutkituista parametreista paras (korrelaatio -0,602; N = 79). Eksentrisyys ja sirpaleisuus eivät toimineet iskemiamäärityksissä yhtä hyvin. Bayesilaisella luokittelulla pallolaajennusaineistossa havaittiin, että perinteisen 12-kytkentä-EKG:n rintakytkentöjen lisäksi arvokasta tietoa saadaan elektrodista selässä.

Menetelmä tyypillisen kartan etsimiseen vähentää asiantuntijan työmäärää. SKV on vektori, kuten perinteisesti sovitettu dipolikin, mutta se saadaan informaatioteoreettisella tarkastelulla. Sen luokittelukyky on osoittautunut dipolien vertaiseksi. Jos taas iskemian paikantamiseen on käytettävissä vain kolme elektrodia, voidaan suositella käytettäväksi kahta elektrodia sydämen etupuolella ja yhtä selässä. Kehitetyillä menetelmillä voidaan entistä paremmin havaita sydäniskemia, paikallistaa se ja kvantifioida mahdollisen tuoreen infarktin suuruutta. Menetelmät ovat sovellettavissa kliiniseen työhön - näin voidaan tehostaa lääkärin työskentelyä.

Kliinisen laboratorion analysaattoriliitäntöjen valvontajärjestelmä
Hakala Heidi, Tampereen teknillinen yliopisto

Abstraktia ei julkaista tekijän toivomuksesta.

MRI texture analysis of non-Hodgkin lymphoma
Harrison Lara, Tampereen teknillinen yliopisto

Abstraktia ei julkaista tekijän toivomuksesta.

Sokeritasapainon häiriintymisen ja fyysisen kunnon vaikutukset ääreishermoston toimintaan ylipainoisilla ihmisillä
Isojärvi Henri, Oulun yliopisto

Tässä työssä tutkittiin, miten sokeritasapainon häiriintyminen sekä fyysinen kunto vaikuttavat ääreishermoston toimintaan ylipainoisilla ihmisillä. Lisäksi tutkimuksen kohteena oli mediaalisen plantaarihermon käyttökelpoisuus hermovaurion indikaattorina.

Tutkimukseen osallistui 47 työikäistä ylipainoista henkilöä. Testihenkilöiltä mitattiin peroneushermon motoriset hermovasteet, johtonopeudet (NCV) sekä F-aallot. Lisäksi testihenkilöiltä mitattiin sensoriset hermovasteet ja johtonopeudet suralis- ja radialishermoista sekä mediaalisesta plantaarihermosta. Heidän sokeri- ja insuliiniarvonsa 75g-sokerirasituskokeesta olivat tiedossa viimeisen 2 - 3 vuoden ajalta (0 kk, 3 kk, 9 kk, 24 kk, 36 kk). Alkoholinkäyttö ja tupakointi olivat tiedossa 2 - 3 vuotta sitten suoritetun ravintokyselyn ja ruokapäiväkirjan kautta. Testihenkilöiltä oli määritetty suhteellinen maksimaalinen hapenottokyky polkupyöräergometritestillä samoihin aikoihin kuin neurografia, eli keväällä 2007.

Askeltavan regressioanalyysin mukaan aterian jälkeisellä insuliinilla (2h-arvo) sekä aterian jälkeisen insuliiniarvojen keskiarvolla on merkitseviä positiivisia yhteyksiä neurografisiin muuttujiin, jokaisessa mitatussa hermossa. Suhteellisella maksimaalisella hapenotolla (VO2max) löytyi myös merkitseviä positiivisia yhteyksiä neurografisiin muuttujiin, lähinnä kuitenkin vain motorisen hermon muuttujiin. Normaalista poikkeavia tuloksia neurografiassa löydettiin neljältä henkilöltä. Kolmella heistä oli heikentyneitä vasteita muissakin kuin mediaalisessa plantaarihermossa. Yhdellä heistä oli heikentynyt vaste ainoastaan mediaalisessa plantaarihermossa.

Aterian jälkeisellä runsaalla insuliinipitoisuudella vaikuttaisi olevan jonkinasteinen parantava vaikutus ääreishermoston toimintaan. Todennäköisesti tämä vaikutus syntyy siitä, että glukoosin metabolian kompensointiin tarkoitettua insuliinia jää normaalia enemmän yli ja ylimääräinen insuliini kulkeutuu hermokudoksiin aiheuttaen edellä mainittuja positiivisia vaikutuksia. Tulostemme perusteella voimme todeta, että kohonnut veren insuliinipitoisuus on yksi varteenotettavista selittäjistä sille, miksi lihavilla on löydetty lyhyempiä latenssiaikoja ja parempia hermonjohtonopeuksia kuin normaalipainoisilla. Fyysisellä kunnolla vaikuttaisi myös olevan positiivinen vaikutus ääreishermoston toimintaan. Tulostemme perusteella mediaalinen plantaarihermo voi olla yhtä käyttökelpoinen hermovaurion indikaattori kuin muut rutiinikäytössä olevat hermot. Toisaalta mediaalisen plantaarihermon heikkoutena on se, että siihen vaikuttavat merkittävästi ikä ja paino, molemmat negatiivisesti.

Biosignaalien analysointi mobiilissa ympäristössä
Kailanto Harri, Tampereen teknillinen yliopisto

Tässä diplomityössä tarkastellaan lääketieteellisten signaalien käsittelyä langattomassa, mobiilissa ympäristössä keskittyen erityisesti elektrokardiografiaan (EKG) sekä kuvataan matkapuhelimeen suunniteltu ja toteutettu EKG-sovellus. Työ on tehty osana Uusi teknologia terveys-, kuntoutus- ja turvallisuuspalveluiden yksilöllisessä toteuttamisessa (UUTE) -projektia. Projektin pyrkimyksenä on toteuttaa niin sanottu "älykoti matkalaukussa" -konsepti, jossa täysin mobiileilla tai helposti kotiin asennettavilla järjestelmillä voitaisiin toteuttaa terveyteen, kotiin tai asukkaan turvallisuuteen liittyviä palveluita.

Tehty työ jakaantuu kahteen osaan, joista ensimmäinen on katsaus jo kehitettyihin langattomiin biosignaalien mittalaitteisiin, niiden datankäsittelyominaisuuksiin ja käytettyihin siirtomenetelmiin. Katsauksen yhteydessä tarkastellaan datan käsittelyn mahdollisuuksia ja ongelmia virrankulutuksen kannalta. Työn jälkimmäinen osa käsittelee suunniteltua ja toteutettua EKG:n siirto- ja analyysisovellusta Nokia 6681 matkapuhelimeen. Sovellus on osa UUTE-projektissa kehitettyä järjestelmää, jolla esimerkiksi rytmihäiriöpotilaiden tilaa voidaan monitoroida koti-oloissa ja mittausdataa voidaan tarvittaessa lähettää lääkärin käyttöön.

Materiaali katsaukseen etsittiin pääosin käyttäen internetissä olevia yleisiä hakukoneita sekä tieteellisten verkkolehtien palveluja. Katsauksessa keskityttiin sairaalan ulkopuolella käytettäviin laitteisiin, joita on tarkoitus käyttää ilman lääketieteellisen henkilökunnan jatkuvaa läsnäoloa. Puhelimeen tehty sovellus toteutettiin Java Platform, Micro Editionilla. Se vastaanottaa EKGmittausdataa erityiseltä mittalaitteelta Bluetooth-tekniikan avulla ja tallettaa sitä jatkuvasti muistikortille. Vastaanotetusta mittausdatasta sovellus määrittää mitattavan henkilön sykkeen ja tekee tämän perusteella analyysin mahdollisesta rytmihäiriöstä. Tunnistettuaan rytmihäiriön sovellus siirtää osan mittausdatasta palvelimelle myöhempää käyttöä varten.

Katsaus osoittaa, että nykyisissä mittalaitteissa yleisin langattomasti mitattu biosignaali on elektrokardiogrammi (EKG). Yksi syy tälle on, että EKG:ta mitataan usein pitkäaikaisesti ja langattomuudesta saatu hyöty on näin suurempi kuin esimerkiksi verenpainemittauksessa, joka tyypillisesti kestää noin minuutin. Langattomassa tiedonsiirrossa puolestaan erilaiset radiotekniikat ovat selvästi useimmin käytössä. Näistä erityisesti Bluetooth-teknologialla on vahva jalansija uusimmissa mittalaitteissa.

Katsauksen tuloksista nähdään, että langattomissa mittalaitejärjestelmissä ei toistaiseksi tehdä juurikaan automaattista diagnoosia mittausdatasta. Tähän on nykytekniikalla mahdollisuuksia mutta ongelmia aiheuttaa etenkin datan tallennuksen ja analysoinnin tehonkulutus. Matkapuhelimeen toteutettu Java-sovellus puolestaan osoitti, että nykyiset älypuhelimet ovat hyvinkin kykeneviä signaalinkäsittelyyn ja hyvien verkottumisominaisuuksiensa myötä ovat siten potentiaalinen osa tulevaisuuden langattomia biosignaalien mittausjärjestelmiä.

Microtomography based modeling of acoustic properties of cancellous bone
Kallioniemi Antti, Tampereen teknillinen yliopisto

Osteoporosis is a common socio-economically important metabolic bone disease in which the bone mineral density and microstructure are disrupted. Quantitative ultrasound is a relatively new method for diagnosing osteoporosis but the effect of bone marrow on ultrasound propagation, i.e. attenuation and scattering, is still poorly characterized. The present study investigates the propagation of ultrasound and the role of bone marrow by the means of microtomography-based three-dimensional finite difference time domain (FDTD) modeling.

Cylindrical samples (n=11, d=16mm, h=8mm) were prepared from three anatomical sites of human cadaver knees. Structure and morphology of the samples were analyzed with a highresolution microtomography system and bone mineral density was estimated with dual-energy X-ray absortiometry. Wave 3000 Pro 2.2 software was used for three-dimensional FDTD simulations. FDTD models were created using segmented micro-CT images of the individual samples. The simulations were repeated before and after substitution of bone marrow with water.

The voxel size of the simulation mesh was found to have a significant effect on the fine structure of the calcified matrix and, thus, on the modeling results. In the FDTD model, substitution of bone marrow with water resulted in a decrease in attenuation (p<0.01) and an increase in the speed of sound (p<0.01). This was expected as ultrasound attenuation in bone marrow is greater, and the speed of sound lower, than in water. Moreover, reflection from the surface of the sample and backscatter from the internal structures increased (p<0.01) along with the removal of bone marrow. The contribution of bone marrow on acoustic properties of the samples was found to be stronger (p<0.01) in samples with low bone volume fraction, probably due to the larger volume of substituted material.

Current simulations were in agreement with earlier experimental investigations which suggest that inter-individual differences in the composition of marrow may have significant effect on the measured ultrasound parameters, especially when investigating osteoporotic low density bone. Also the non-linear relationship between attenuation and bone volume fraction has been reported experimentally and theoretically.

Kaatumisen tunnistaminen kiihtyvyyssignaalista
Kangas Maarit, Oulun yliopisto

Keskimäärin joka kolmas ikääntynyt (yli 65-vuotias) henkilö kaatuu vuosittain. Kaatuminen ja sen pelko vaikuttavat voimakkaasti ikääntyvän väestön elämänlaatuun. Automaattisilla kaatumishälyttimillä voidaan varmistaa avun saapuminen paikalle myös tapauksissa, joissa kaatuja ei itse kykene hälyttämään apua. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kehittää luotettavia automaattisia menetelmiä kaatumisen tunnistamiseen käyttäen kehoon kiinnitettäviä kiihtyvyysantureita.

Tutkimuksessa mitattiin kiihtyvyyssignaalia päähän, vyötärölle ja ranteeseen kiinnitetyillä kolmisuuntaisilla kiihtyvyysantureilla. Vapaaehtoiset testihenkilöt suorittivat testikaatumisia (56-59 näytettä/kiinnityspaikka) ja päivittäisiä toimintoja (12- 31 näytettä/kiinnityspaikka) laboratorio-olosuhteissa. Kiihtyvyyssignaalista määritettiin erilaisille parametreille, kuten summavektori ja nopeus, raja-arvoja, joilla päivittäiset toiminnot ja kaatuminen voidaan erottaa toisistaan. Tutkimuksessa kehitettiin uusia kaatumisen tunnistavia algoritmeja ja testattiin niiden herkkyyttä ja tarkkuutta eri mittauspaikoissa. Algoritmit perustuvat kaatumisen eri vaiheiden (alun, törmäyksen ja loppuasennon) tunnistamiseen.

Tulosten mukaan kaatumiset tunnistetaan parhaiten vyötäröltä ja pään alueelta mitatusta signaalista. Algoritmi, joka perustuu törmäyksen ja loppuasennon tunnistamiseen, tunnistaa kaatumiset tehokkaimmin 97-98 % herkkyydellä ja 100 % tarkkuudella. Vaikka pään alueelle kiinnitetyn kiihtyvyysanturin herkkyys on joissakin tapauksissa jopa parempi kuin vyötärölle kiinnitetyn, vaatii pää laitteen kiinnityspaikkana enemmän suunnittelua. Ranteeseen kiinnitetty kiihtyvyysanturi soveltuu huomattavasti edellisiä heikommin kaatumisen tunnistamiseen.

Lopputuloksena esitämme vyötärölle kiinnitettävän kolmisuuntaisen kiihtyvyysanturin käyttöä kaatumisen automaattiseen tunnistamiseen. Kaatumisen tunnistava algoritmi perustuu yksinkertaisimmillaan kaatumiseen liittyvän törmäyksen ja asennon tunnistamiseen.

Phase Coupling in EEG Burst Suppression during Propofol Anesthesia
Kapucu Fikret Emre, Tampereen teknillinen yliopisto

This work analyzes the quadratic phase coupling between EEG rhythms during burst suppression period of propofol anesthesia. The main goal is to specify the phase relation between different EEG rhythms and investigate for possible systematic behavior. In order to do so, the presented work focuses on the detection of quadratic phase coupling (QPC) by means of bispectral analysis.

The proposed method also includes the data acquisition criteria and classification of EEG bursts into two groups regarding to their physiological occurrence which are electrically stimulated and spontaneously occurred bursts. Quadratic phase coupling is analyzed for these two burst groups.

The study indicates that frequencies of the dominant components of the bursts vary, so the detection of QPC is practically not as simple as detecting synchrony between couples of well defined rhythms. Consequently, each burst pattern presents distinct phase coupling properties. Average bicoherence results from different burst groups also from different channels demonstrate inadequate results for an interpretation. Bispectral analysis is an impressive method to detect well defined signal components with certain phase coupling however in more complex situations the results are very difficult to interpret.

Methodology for use in ultrasound backscatter-based osteoporosis diagnostics
Karjalainen Janne, Oulun Yliopisto

Introduction: Osteoporosis is a disease characterized by loss of bone mass and a deterioration of tissue structure, exposing individuals with this condition to increased risk of fractures. The initial changes in density and structure are generally understood to occur in trabecular bone. However, the amount of compact bone is also severely diminished in osteoporosis and may be detected as thinning of cortical layer in the shafts of long bones. The goal of this thesis was to assess the applicability of novel ultrasound techniques for use in diagnostics of osteoporosis. The main aim (I.) of this thesis work was to validate a novel dual frequency ultrasound (DFUS) technique for combined determination of soft tissue composition and underlying bone properties by means of an in vivo case study. The DFUS method was further developed towards use of single broadband ultrasound transducer. The second aim (II.) was to design a simple ultrasonic in vivo methodology for determination of the thickness of the cortical bone layer.

Materials and methods:
I. In the first part of this study, the DFUS technique was applied to monitor the changes in soft tissue composition and correction of the errors induced by soft tissues on the measurements of integrated reflection coefficient (IRC). Measurements were conducted on a volunteer body builder during a 21 week training and dieting period, inducing a weight loss of 16.5 kg (18%). For reference, dual energy X-ray absorptiometry (DXA) measurements were conducted to follow the changes in soft tissue composition.
II. In the second part of this study, signal processing techniques for determination of cortical bone thickness were first validated in vitro with six bovine samples. The in vivo measurements were conducted on 20 healthy volunteers. The cortical thicknesses were determined from ultrasound signal with envelope and cepstral methods and compared to the peripheral quantitative computed tomography (pQCT) and caliper measurements in vivo and in vitro, respectively. The accuracy and precision of the ultrasound techniques were assessed.

Results:
I. The DXA measurements indicated that significant changes in quantity and composition of soft tissue, but not in bone density, took place during the diet. As compared with DXA, the single transducer DFUS could determine local soft tissue composition (r^2 = 0.88, n=8, p < 0.01). The change in uncorrected IRC associated significantly with the change in body composition (r^2 = 0.56, n=8, p < 0.05). The IRC values, corrected by DFUS, showed only minor variation (SD = ±1.26 dB) during the diet.
II. Values of cortical thickness, as determined with both techniques, showed high linear correlations (r >= 0.95) with the thickness values obtained from in vitro measurements with a caliper or in vivo measurements by pQCT. No systematic errors that could be related to cortical thickness were found. The in vivo accuracy of the measurements was 6.6% and 7.0% for envelope and cepstral methods, respectively. Further, the in vivo precision for the envelope and cepstral methods were 0.26 mm and 0.28 mm, respectively.

Conclusions: Both of these studies were conducted with the main aim of developing a new approach for pulse-echo based ultrasound diagnostics of osteoporosis. The novel ultrasound techniques were further developed and validated with two separate in vivo studies. These techniques may enable reliable assessment of both, trabecular and cortical bone properties in addition to the determination of the composition of the soft tissue. As verified by this study, simple ultrasound measurement method represents an accurate and feasible means for clinical estimation of cortical bone thickness. Moreover, the DFUS method showed clear potential in the determination of soft tissue composition and therefore could provide a solution for correction of the ultrasound parameters. A combination of these ultrasound techniques could provide a novel approach for multi-site osteoporosis diagnostics using pulse-echo ultrasound. Overall, the techniques presented in this thesis may have significant clinical value. The data gathered during this study will be published in two international peer reviewed papers.

MRI relaxometry of the human brain in vivo at 1.5 T, 3 T, and 4 T
Laurila Maija, Tampereen teknillinen yliopisto

Magnetic resonance imaging (MRI) is a non-invasive, non-ionizing fast developing medical imaging method used mainly for imaging of soft tissue, such as brain. Image contrast depends mostly upon the largely variable relaxation properties of the tissues. The relaxation time constants T1, T2 and T2* can be quantitatively calculated by the development of the signal intensity. The field dependence of the relaxation times has been the interest of several studies. T1 increases with the field strength because the share of the proteins capable of rotating at the Larmor frequency, and thus effective in relaxation, decreases. Both T2 and T2* shorten with the field, which partly derives from water diffusion and molecular exchange in the presence of gradient fields; but is also influenced by increasing field inhomogeneities at high fields. Tissues' relaxation patterns can give information on the molecular basis of relaxation and thus on the structure of the tissue on molecular level. However, no previous study has measured the field dependence of each T1, T2 and T2* in the human brain in vivo using the same sequences, volunteers, and similar hardware.

In the present study, twelve healthy volunteers, aged between 23 and 54 years, were each measured at three field strengths for the comparison of the relaxation times at different fields. The measurements were performed with Siemens Avanto (1.5 T); Siemens Trio (3 T); and Siemens/Bruker MedSpec (4 T). The three scanners had nearly identical software and hardware, and the only significant difference was the field strength. At 1.5 T and 3 T a body coil was used for signal transmit, and a 12-channel phased-array head coil for signal reception. At 4 T a head coil was used for both transmit and receive: a birdcage coil for transmission, and an 8-channel phased-array coil for reception. The relaxation times were measured with the TAPIR (T1 mApping with Partial Inversion Recovery), QUTE (QUantitative T2* imagE), and SE-MC (Spin Echo Multi Contrast) sequences at each field.

Each T1, T2 and T2* showed the expected field dependence. T1 increased in selected anatomical structures in the basal ganglia in white matter (WM) by 21-29% from 1.5 T to 3 T, and in grey matter (GM) by 15-17%. The respective changes from 1.5 T to 4 T were 22-43% and 21-30%. Segmentation of the WM and GM of the whole brain gave an increase of T1 from 1.5 T to 3 T of 26% in WM and 16% in GM; and from 1.5 T to 4 T 38% in WM and 26% in GM. In iron-poor structures T2* at 3 T was 69-72% and at 4 T 55-62% of its values at 1.5 T; in iron-rich areas the respective T2* decreases were down to 58–65% and 45-52%. T2 decreased considerably less: in iron-poor structures T2 was 91-99% at 3 T and 81-95% at 4 T; and in iron-rich structures 80-85% at 3 T and 67–72% at 4 T of its values at 1.5 T.

The study gave information on H2O relaxation dispersion in vivo. The T1 contrast was WM-GM specific, whereas T2 and T2* contrast was more dependent on non-haeme iron concentration. The T2* shortening was accompanied with the strongest T2 shortening in putamen and globus pallidus. In these structures the transverse relaxation is significantly enhanced by ferritin. All three relaxation maps gained sharpness and signal-to-noise ratio at high fields, but the gain in contrast was mainly limited to T2 and T2*. More than three fields would still be needed to verify the form of B0 dependence of the relaxation times in vivo, and the study should be extended to abnormal tissue.

Marjojen flavonoidien analysointi plasmasta HPLC-SI-MSMS-menetelmällä
Lehtonen Henna-Maria, Turun yliopisto

Marjat ovat pieniä pyöreitä pohjoisilla leveysasteilla menestyviä hedelmiä, joiden terveellisyys on yleisesti tunnustettu jo pitkään. Kiinnostus marjojen terveyttä edistävien yhdisteiden sekä monien sairauksien välisiin vuorovaikutuksiin on noussut nykyisiin mittoihinsa kuitenkin vasta viime vuosina. Eräs terveyttä edistävien yhdisteiden ryhmä on flavonoidit, joita esiintyy marjoissa huomattavia määriä. Marjojen flavonoidit toimivat sekä antioksidantteina että eri sairauksiin johtavien reaktioteiden säätelytekijöinä. Flavonoidien terveysvaikutuksia on tutkittu runsaasti mm. soluviljelmissä ja niiden on todettu vähentävän esimerkiksi syövän sekä sydän- ja verisuonitautien riskiä, ja hillitsevän tulehdusreaktioita. Flavonoidien terveysvaikutusten kokonaisvaltainen ymmärtäminen vaatii kuitenkin niiden imeytymisen ja reaktiivisuuden tutkimista suoraan ihmiselimistössä. Tämän erikoistyön tavoitteena oli kehittää herkkä ja selektiivinen nestekromatografiaan (HPLC) sekä tandemmassaspektrometriaan (MS/MS) perustuva menetelmä marjojen kuuden flavonoidien analysoimiseksi verinäytteistä.

Erikoistyössä optimoitiin hydrolyysiin ja kiinteäfaasiuuttoon perustuva esikäsittelymenelmä sekä HPLC- ja MS/MS-menetelmät kuuden flavonoidin (isoramnetiini, kversetiini, myrisetiini, kemferoli, (+)-katekiini ja (-)-epikatekiini) yhtäaikaiseksi analysoimiseksi plasmasta. Lisäksi analysoitiin plasmasta mainittujen flavonoidien pitoisuudet neljästä pohjoisen marjasta koostuvan marja-annoksen nauttimisen jälkeen.

Isoramnetiinin, kversetiinin ja kemferolin kohdalla menetelmän herkkyys saatiin toivotulle tasolle. Näiden yhdisteiden osalta menetelmä mahdollistaa kvantitatiivisen analysoinnin myös pienemmillä plasman flavonoidipitoisuuksilla kuin mitä työssä käytettyjen suurehkon marjakerta-annoksen nauttimisen jälkeen otettujen näytteiden pitoisuudet olivat. Myrisetiinin, katekiinin sekä epikatekiinin osalta määritysrajat jäivät kuitenkin liian korkealle johtuen lähinnä niiden tandemmassaspektrometrisesta käyttäytymisestä. Plasman isoramnetiini- ja kversetiinipitoisuudet kasvoivat marjojen syönnin seurauksena, mutta muiden flavonoidien kohdalla selvää eroa ei ollut havaittavissa.

Kemferolin kohdalla tämä johtunee sen rajallisesta esiintymisestä tutkittavissa marjoissa, muilla myrisetiinillä sekä katekiineilla tarvittavan herkkyyden puuttumisesta.

Kaulavaltimon ultraäänikuvien sekä EKG- ja verenpainesignaalin ajastettu analyysi
Lipponen Jukka, Kuopion yliopisto

Opinnäytetyön tavoitteena oli, kehittää menetelmiä yhtä aikaa mitattujen EKG:n, verenpaineen ja kaulavaltimon ultraäänikuvien analysointiin. Signaalit mahdollistivat barorefleksin herkkyyden määrittämisen ja verisuonen elastisuuden määrittämisen. Valtimoiden elastisia indeksejä määrittämällä voidaan saada tietoa alkavista verisuonten rappeumataudeista. Barorefleksin herkkyyttä kuvaavat indeksit antavat tietoa verenpaineen säätelymekanismien toimivuudesta. Tutkimuksen tärkeimpiä tavoitteita oli tutkia elastisuuden vaikutusta barorefleksiin. Menetelmät toteutettiin MATLAB:illa ja käytön helpottamiseksi ne koottiin käyttöliittymän alle.

Opinnäytetyössä käytettiin laajalti singaalianalyysin menetelmiä. Barorefleksin herkkyysindeksien laskemiseen tarvittiin aikasarjojen spektrit sekä niiden välinen koherenssi. Spektri estimoitiin AR-mallin ja periodogrammin avulla. Barorefleksien herkkyyttä kuvaavina indekseinä käytettiin spontaaneista vaihteluista laskettavia spektri- sekä sekvenssimenetelmien antamia indeksejä. Kaulavaltimon ultraäänikuvista määritettiin kuvankäsittely menetelmillä suonen seinämät, joista voitiin laskea suonen halkaisijan muutos. Suonen elastisuutta kuvaavina indekseinä käytettiin Elastista moduulia ja beta-jäykkyysindeksiä.

Ohjelmalla analysoitiin kahden nuoren ja kahden iäkkäämpää diabetesta sairastavan koehenkilön mittaus aineisto. Diabetesta sairastavien koehenkilöiden barorefleksin herkkyys oli selvästi heikentynyt nuoriin koehenkilöihin verrattuna. Elastiset indeksit osoittivat myös nuorten koehenkilöiden verisuonten olevan selvästi elastisempia, kuin diabeetikkojen.

Tulokset osoittivat menetelmien erottelevan vanhat diabeetikot ja nuoret koehenkilöt helposti joten kehitetyt menetelmät ja ohjelma ovat jatkokäytössä Kuopion yliopistollisessa sairaalassa.

Guided wave ultrasound in the assessment of osteoporosis in elderly women
Määttä Mikko, Oulun yliopisto

The prevalence of osteoporosis has increased during last decades and it is causing considerable economical and social costs. At present, osteoporosis is diagnosed by means of bone density measurements. However, this method is incapable of assessing other factors affecting bone strength and fracture risk. Quantitative ultrasound (QUS) axial transmission is proposed to be a suitable method to measure cortical parts of the long bones. Using a centre frequency low enough, so-called Lamb waves can be excited. Lamb waves are guided waves which propagate throughout the cortical layer of the long bone and their velocity is shown to associate to material and geometrical properties of bone.

The aim of this study was to investigate the relationships between guided wave tibial ultrasound, femoral geometry, and femoral and spinal bone mineral density (BMD). We also investigated if the method used is able to differentiate osteoporotic subjects from normal subjects.

A low-frequency (fc=200 kHz) axial transmission prototype was used to measure ultrasound velocity (V) in the mid-tibia. Subjects were 98 elderly women (78-82 years). Femoral shaft diameter and medial and lateral femoral shaft cortex thicknesses were measured from digital radiographs. BMD was measured at the proximal femur and at lumbar vertebrae L1-L4 using dual energy x-ray absorptiometry (DXA).

Statistically significant, however weak, correlations were found between V and femoral shaft cortex thicknesses measured from radiographs (r=0.20-0.23). V also correlated significantly with various bone mineral density and bone mineral content parameters. The strongest correlation was observed between V and Ward's triangle BMD (r=0.40, p<0.001). When comparing mean ultrasound velocities of normal and osteoporotic subjects, V was a significant discriminator of total upper femur BMD.

This study showed that the axial ultrasound measured at the tibia reflected a significant, even if only a limited, proportion of the DXA-based BMD and cortical bone thickness. The method is comparable to other QUS methods in terms of characterizing hip and lumbar spine BMD and it might thus be suitable for skeletal status assessment. Improving the reproducibility of ultrasound measurements from the present is expected to further enhance the capability of V in bone characterization.

Nivelruston kollageenisäikeistön vaikutus T2-relaksaatioaikaan
Nissi Mikko, Kuopion yliopisto

Nivelrikko on vakava kansantauti, joka pitkälle edetessään tuottaa kipua potilaalle ja vie lopulta tämän liikuntakyvyn. Nykyiset nivelrikon diagnoosimenetelmät ovat varsin epäherkkiä, erityisesti varhaisten nivelrikkomuutosten havaitseminen on vaikeaa. Varhainen diagnoosi mahdollistaisi tehokkaamman hoidon, ja siksi uusien herkkien diagnostiikkamenetelmien kehittäminen on tärkeää.

Tässä työssä selvitettiin nivelruston ominaisuuksia magneettikuvantamisen avulla. Magneettikuvantamisesta saatuja ruston ominaisuuksia kuvaavia parametreja verrattiin vastaaviin polarisaatiomikroskopialla mitattuihin parametreihin. Polarisaatiomikroskopia on hyvin tarkka referenssimenetelmä näytteen optisten ominaisuuksien, kuten säiekulman, tutkimiseen, mutta ei sovellu kliiniseen tutkimukseen invasiivisuutensa vuoksi.

Työssä tutkittiin rakenteeltaan ja kypsyysasteeltaan eli maturaatioltaan erilaista polvilumpion nivelrustokudosta. Osa kudoksesta oli peräisin ihmisistä (n = 11), osa naudoista (n = 12) ja sioista (n = 11). Työn tuloksena havaittiin selvä yhteys T2- relaksaatioaikojen ja ruston rakenteellisten ominaisuuksien välillä. Molemmilla menetelmillä havaittiin eri kudoksissa yhtenevästi kolmen tyyppistä rakennetta: kolme-, viisi- ja seitsemänvyöhykkeistä rustoa. T2-kuvantamisen ja polarisaatiomikroskopian avulla määritettyjen rustokudoksen histologisten vyöhykkeiden rajojen välinen korrelaatio oli hyvä (r = 0.952). Lajien välisiä eroja tutkittiin rakenteeltaan samankaltaisissa ruston osissa. Eroja havaittiin lähinnä ihmiskudoksen ja eläinkudoksen välillä, joskin kollageenisäikeistön orientaatiokulmassa oli havaittavissa eroja myös sian ja naudan välillä.

Tämän tutkimuksen tulosten mukaan T2:n avulla voidaan havaita nivelruston vyöhykerakenteen muutokset, jotka kertovat kudoksen kehittymisestä ja ominaisuuksista. Koska T2-mittaus on sangen herkkä nivelruston rakenteellisille ominaisuuksille, on se siten myös potentiaalinen menetelmä varhaiseen nivelrikkodiagnostiikkaan.

Verenkierrollisten ja sähköisten näköherätevasteiden kytkennän mallinnus samanaikaisista NIRS- ja EEG-mittauksista
Näsi Tiina, Teknillinen korkeakoulu

Aivotoiminnan tutkiminen perustuu perinteisesti hermosolujen synnyttämän aivojen sähköisen toiminnan mittaamiseen. Elektroenkefalografialla (EEG) voidaan esimerkiksi rekisteröidä aivotoiminnan synnyttämiä potentiaalieroja pään pinnalta. Toisaalta on olemassa menetelmiä, joiden signaalit syntyvät aivojen verenkierrossa tapahtuvista muutoksista. Näitä niin sanottuja hemodynaamisia muutoksia voidaan mitata esimerkiksi lähiinfrapunaspektroskopialla (NIRS). Tämän työn tavoitteena oli yhdistää EEG- ja NIRSmittaukset, jolloin pystytään tutkimaan aivojen sähköisessä toiminnassa ja hemodynamiikassa tapahtuvia samanaikaisia muutoksia. Lisäksi tavoitteena oli kehittää NIRS- ja EEGsignaalien välille yksinkertainen malli, joka pyrkii kuvaamaan neurovaskulaarista kytkentää (NVK) eli hermosolujen toiminnan ja hemodynaamisten muutosten välistä vuorovaikutusta aivoissa.

Työssä suunniteltiin ja toteutettiin samanaikainen NIRS/EEG-mittaus. Yhdeksältä koehenkilöltä mitattiin sähköisiä ja hemodynaamisia herätevasteita käyttäen 2 Hz:n taajuudella välkkyvää shakkiruudukkoärsykettä, jonka kesto oli 3, 6 tai 12 s. Kutakin ärsykepituutta toistettiin kolmessa sarjassa yhteensä 21 kertaa. Mallinnuksessa käytettiin hyväksi lineaarista mallia, jolla pyrittiin ennustamaan NIRS:n mittaama hemodynaaminen vaste lyhyemmän tai pidemmän ärsykkeen synnyttämän vasteen avulla. Mallissa oletetaan, että vasteet ovat toisistaan riippumattomia ja summautuvia. Lineaarisen mallin tuottamia hemodynaamisten vasteiden ennusteita verrattiin NIRS- ja EEG-signaalien välille kehitetyn NVK-mallin ennusteisiin. NVK-malli toimii kuten lineaarinen malli paitsi, että ennustuksen apuna käytetään sähköisten herätevasteiden integraalia aikaikkunassa 0-70 ms, jolloin ennustetut hemodynaamiset vasteet skaalautuvat aivojen sähköisen aktiivisuuden mukaan.

NIRS- ja EEG-signaaleiden samanaikainen kerääminen onnistui hyvin kyseisessä koeasetelmassa. Joidenkin koehenkilöiden kohdalla hemodynaamisia vasteita ei kuitenkaan nähty, mikä saattaa johtua ihon pinnassa tapahtuneista hemodynaamisista muutoksista eli niin sanotuista pintailmiöistä. Sähköiset herätevasteet näkyivät kaikilla paitsi yhdellä koehenkilöllä. NIRS- ja EEG-signaalien välinen malli toimi tyypillisiä hemodynaamisia muutoksia tuottaneille koehenkilöille ja antoi pääsääntöisesti tavallista lineaarista mallia paremmat ennusteet.

Työn tulosten perusteella NIRS/EEG-yhdistelmämittauksia on helppo toteuttaa ja niiden käyttöä kannattaa jatkaa tulevaisuudessa. NIRS-signaaleissa näkyvien pintailmiöiden poistamiseen tarvitaan kuitenkin hyviä menetelmiä, jotta kaikkien koehenkilöiden mittaukset saataisiin onnistumaan. Tulosten perusteella NVK-mallien kehitystä kannattaa jatkaa tulevaisuudessa.

Optimaaliset elektrodipaikat kasvojen EMG- ja EOG- mittauksiin
Nöjd Niina, Tampereen teknillinen yliopisto

Ihmiset, jotka kärsivät erilaisten sairauksien aiheuttamista motorisista häiriöistä, saattavat kokea tietokoneen näppäimistön tai hiiren käytön hankalaksi. He tarvitsevat avustavia laitteita, jotka mahdollistavat tietokoneen käytön ilman käsiä tai niiden toimivaa hienomotoriikkaa. Olemme olleet mukana projektissa "Wireless Technology and Psychophysiological Computing" kehittämässä mittauspantaa, jolla on mahdollista havannoida otsalihasaktivaatioita ja silmän liikkeitä. Tavoitteena on kehittää pantaa siten, että se soveltuisi tietokoneen käyttöliittymän ohjaukseen: katseella voisi liikuttaa kursoria näytöllä ja jokin kasvolihassupistus voisi vastata klikkausta. Pantaan integroitu langaton tiedonsiirto rajoittaa siinä olevien mittauskanavien määrää: fysiologinen signaali vaatii suuren näytteistystaajuuden ja tiedonsiirron kaistakoko on rajallinen. Nykyisessä mittauspannassa on seitsemän mittauselektrodia. Jotta vähäisellä elektrodimäärällä saataisiin hyvälaatuinen signaali sekä silmien liikkeistä että lihasaktivaatioista, tulee elektrodien paikat otsalla suunnitella hyvin. Tämän työn päätarkoitus on mallintamalla suunnitella optimaaliset elektrodipaikat silmän liikkeiden synnyttämän sähkökäyrän (EOG) ja lihassähkökäyrän (EMG) mittaamiseen.

Työn teoriaosuudessa selvitettiin lihasaktivaation fysiologisia perusteita, silmien anatomiaa ja EMG:n ja EOG:n syntyperiaatteet. Työssä perehdyttiin kehon sähköisten signaalien mittaamiseen, ja siihen, miten eri lähteistä aiheutuvat signaalit voitaisiin signaalinkäsittelyllä, matemaattisilla metodeilla tai mittaustilanteessa erottaa toisistaan. Mallinnuksessa hyödynnettiin anatomisesti realistista pään mallia, joka on ehkä tarkin tähän asti maailmassa käytetty päämalli. Se muutettiin laitoksellamme kehitetyn ohjelmiston avulla kolmiulotteiseksi differenssimenetelmä (FDM) -malliksi, ja mallin avulla simuloitiin supistuvista lihaksista aiheutuvaa lihassähkökäyrää ja EOG:ta otsalla. Optimaalisiksi elektrodipaikoiksi valittiin otsalta kohdat, joissa signaali on vahvin ja erottelukykyinen eri lihasten aktivaatioille tai joissa elektrodit ovat herkkiä havaitsemaan silmien liikkeet niillä katselukulmilla, joita tietokoneen näyttöä katsellessa tarvitaan (± 20°). Käänteisratkaisulla yleensä pyritään määrittämään sähköiset lähteet, jotka ovat aiheuttaneet pinnalla mitatun signaalin. Omassa tutkimuksessamme haimme käänteisratkaisun avulla aktiivista lihasta (yhtä sähködipolia etsittiin) ja katseen suuntaa (yhteensä kahta dipolia molemmista silmistä haettiin). Testasimme käänteisratkaisun toimivuutta pienimmän neliösumman menetelmällä. Lihasten simuloituihin pintapotentiaaliarvoihin lisättiin kohinaa ja arvioitiin sen vaikutusta käänteisratkaisun tarkkuuteen lihaksen paikannuksessa. Myös katseen suunnan määrityksessä syntyvää virhettä tarkasteltiin ja arvioitiin, kuinka paljon virhe vaikuttaa ohjattavan kursorin paikkaan näytöllä.

Tässä tutkimuksessa löydettiin mittauselektrodeille optimaaliset paikat, joiden todettiin eroavan osittain nykyisen mittauspantamme elektrodipaikoista: Vaakasuuntaisen katseen mittaamiseen elektrodien tulisi olla ohimoilla. Pystysuuntaiselle katseelle elektrodien paikat tulisi olla nenänvarren yläosassa ja toisen hiusrajan tuntumassa kulmakarvan yläpuolella. Otsalihasaktivaatiota (frontalis-lihas) mittaavien elektrodien tulisi olla pystysuorassa toisen kulmakarvan päällä: toinen lähellä kulmakarvaa ja toinen ylempänä lähellä hiusrajaa. Corrugator-lihasta (kulmakarvoja yhteen vetävä lihas) mittaavien elektrodien tulisi olla vaakasuorassa: toinen nenänvarren yläosan päällä ja toinen kulmakarvan päällä. Corrugator-lihaksesta saatava signaali olisi mallimme mukaan vahvempi, jos elektrodit sijoitettaisiin kyseisen lihaksen lihassäikeiden suuntaisesti, mutta parempi erottelukyky frontalis- ja corrugator-lihaksessa syntyneiden signaalien välille saadaan tuloksiemme mukaisella elektrodiasettelulla, joissa frontalis- ja corrugator-lihaksia mittavat elektrodiparit ovat likimain kohtisuorassa toisiinsa nähden. Laskettujen käänteisratkaisujen pohjalta voidaan todeta, että pienimmän neliösumman menetelmä toimii heikosti, kun sillä paikannetaan useampia kuin yhtä signaalin synnyttävää dipolilähdettä. Tämä johtuu siitä, että useampaa dipolia paikannettaessa käänteisratkaisu hidastuu, ja jotta esimerkiksi katseen suuntaa voitaisiin seurata reaaliajassa, tulisi paikannusmetelmän olla nopea. Pienimmän neliösumman menetelmällä saimme kuitenkin kohtalaisen tarkasti määritettyä katseen suunnan: virheet olivat 5°:een luokkaa, mikä tarkoittaa noin 4 cm:n osoittimen poikkeamaa tietokoneen näytöllä.

Jatkossa tulisi mittaamalla testata, että mallintamalla saadut elektrodipaikat todella tuottavat paremman signaalin kuin elektrodipaikat, joita yleisesti on tavattu käyttää EOG:n tai kasvolihasten EMG:n mittauksissa. Mittauspantamme mahdollistaa elektrodien käytön vain otsalla, joten esimerkiksi EOG-mittauksissa yleensä silmän alla käytettävää elektrodia ei voida hyödyntää. Mittauksin tulisi myös selvittää, kuinka pienet katseen suunnan muutokset EOG-signaalissa näkyvät, jotta tiedettäisiin, millainen tarkkuus käänteisratkaisulla katseen suunnan määrityksessä on ylipäänsä mahdollista saavuttaa. Tämän jälkeen tulisi erilaisia käänteisratkaisuja testata ja löytää ratkaisu, jolla katseen suunta ja aktiivinen lihas saadaan mahdollisimman tarkasti ja reaaliaikaisesti paikannettua. Päämalli on erittäin tarkka ja mahdollistaa useita jatkotutkimuksia ja pään signaalien mallintamista. Mallintamamme EOG-signaali vaikuttaa luotettavalta mallilta, ja mallin toimivuus testataan vielä siten, että mallinnettua signaalia verrataan mitattuun signaaliin. Tulemme kehittämään lihasaktivaation mallia vielä siten, että mittaamme EMG-dataa, testaamme erilaisia lähdemalleja lihakselle ja vertaamme, millainen lähdemalli tuottaa reaalisimman simulaation signaalista. Anatomiseen malliin perustuvia EOG- ja EMG- mallinnuksia ei juurikaan ole maailmalla vielä tehty. Näitä signaaleja tullaan tulevaisuudessa hyödyntämään yhä enemmän mm. autoilijan väsymistä tarkkailtaessa (EOG) ja lääketieteessä anestesian syvyyden mittaamisessa (kasvojen EMG). Siten kyseisten signaalien tunteminen ja tutkiminen on tärkeää jatkossakin.

Resolution study of transcranial optoacoustic imaging of veins - a modelling study
Pulkkinen Aki, Kuopion Yliopisto

Optoacoustics is the study of sound generated by the absorption of light. Optoacoustical imaging is a method which combines the contrast of optical imaging to the spatial resolution of ultrasound. Goals of this work are to develop an inhomogeneous computation model to describe the optoacoustical phenomena in human tissue, and to use this model to investigate the feasibility of optoacoustics to transcranial imaging of veins.

The developed two-dimensional computation model uses the finite element method (FEM) and the finitedifference timedomain (FDTD) method. FEM is used to solve the radiative transfer equation describing the optical part of the problem and FDTD is used to solve the optoacoustical waveequation describing the acoustical part of the problem. The model is used in a geometry representing the back of the head. The effects of varying multiple parameters describing the problem are investigated based on the acoustical output of the computation model.

Typical peak amplitudes of the acoustical signal emitting from the vein are found to vary between 2544 kPa as a function of blood oxygen saturation (SO2). The peak amplitude of the whole signal is found to be in the order of 930 kPa. Hence the signal to noise ratio (SNR) is between 2.7-4.7 %. In order to detect at least 10 % variations in the SO2 the measuring system should have noise levels less that 0.2 %.

Based on the simulations of this work it is concluded that the transcranial imaging of veins via optoacoustics is very difficult, if not even impossible due to the tough requirements laid on the accuracy of the measuring system.

Integration of zigbee and rfid technologies into hospital environment
Sliz Rafal, Oulun Yliopisto

Patient management in critical care is a highly dynamic and complex process because the state of the patient, therapeutic goals and therapeutic actions change over time. The need for better quality of service, unique identification of health records, and efficient monitoring and administration of patient, personnel and equipment require an extensive assistance from software and identification technology domains. Previous efforts to improve hospital workflow have been focused on implementing electronic medical records and patient identification separately. This effort addresses a concept of merging wireless transmission technology and positive patient identification. In addition, to confirm the usability of this concept in hospital environments a prototype device (ID-Beacon) has been built. This concept is based on the identification algorithm which does not allow the transfer of medical records without a patient identification. In practice, only intended patient misidentification may occur. This solution clearly defines hospital procedures and explicitly indicates the staff responsibilities - makes possible to identify the nurse responsible for healthcare of a certain patient and track medical equipment. The developed prototype acquires data through medical device port RS232 but the solution is intended to be implemented into the device itself and therefore work as an internal communication module.

The hardware of ID-Beacon prototype is based on the N120 platform that is composed of CC2430 - System on Chip (SoC) made by Texas Instruments. The CC2430 combines in one Integrated Circuit (IC) the 2.4 GHz IEEE 802.15.4 radio transceiver and an industry standard enhanced 8051 microprocessor. Furthermore, ID-Beacon encloses a RFID reader that is capable to read Mifare 1K, Mifare 4K and UltraLight RFID tags. To achieve the maximum performance of the reader, the PCB antenna circuit has been tuned to the operating frequency of 13.56 MHz. Used, ISO 14443A standard provides a consistent basis for proximity coupling tags. The software element is mostly based on Nanostack, an IP-based wireless sensor networking protocol solution. In addition to the default 6LoWPAN protocols, it also allows the composition of new protocol layer combinations.

Tests performed show that an 802.15.4 radio transponder is definitely not sufficient enough to transfer data. The developed prototype acquires data through RS232 port of personal medical devices with a speed of 19.2 kbps which is equal to 40 packets per second of radio transmission. For a single device, the packet lost ratio is on a satisfactory level but enlarged amounts of transmitting devices make the transmission unreliable and somewhat unacceptable even in small hospital wards. The radio signal tests show that the range for a stable transmission is limited to 20 meters and in some cases (i.e. transfer patient between hospital units) is not enough. Employment of IPv6 protocol allows the supervision of personal medical monitoring devices from every internet-connected place around the world. The implemented RFID technology allows the patient, personnel and equipment identification process to surpass the limitations of the bar code and other identification technologies (line-of-sight not required, tag can withstand a harsh environment, multiple tag read/write, etc.). Implementation of ISO14443 standard and passive tags do not allow to perform real-time tags tracking due to limited readability range (5 cm).

This information system is an important step towards the creation of an electronic medical record that would enable an efficient consolidation of multiple records. This system can definitely aid physicians to avoid patient's misidentification and to get an accurate and timely picture of a patient's condition. For example, ID-Beacon allows each ward to check the availability of beds remotely without physically inspecting the premises. However, the prototype device is not yet efficient enough. It is still evident that more studies are needed and that some fields need to be improved (i.e. transmission data rate and range). Also, to improve the prototype, other technologies should be implemented. In conclusion, by merging the positive patient identification and wireless medical records transmission, ID-Beacon solution opens up a new avenue for the implementation of wireless technologies in the hospital's units.

Estimating running performance from physiological data
Varanka Matti, Oulun yliopisto

Running performance can be assessed in a laboratory environment by running an exhausting maximal treadmill test while wearing a gas analyser mask. This may not be a convenient method for a hobbyist runner, since he may not have access to costly treadmill testing. Because of this, simple submaximal measurement methods are needed which can assess the daily running performance reliably and do not depend on the laboratory environment.

In this work, a multiple linear regression model is created which can estimate the daily running performance as an endurance time. Endurance time is defined as the time until exhaustion when the subject runs on the treadmill whose speed is increased by half a kilometer per hour each minute. The initial speed is eight kilometers per hour. This test measures the aerobic system, running economy, and neuromuscular properties. The model uses the Running Index developed by Polar Electro Oy and mean RR interval while standing as the predictor variables.

The model can estimate the daily fitness level in this data set with a mean estimation error of ±6.5%, and the standard estimate of the error is 77 seconds. The data contained measurements from 27 subjects whose endurance time varied from 665 to 1260 seconds. As a second step, the created model was used to estimate the daily running performances in a four week training intervention. The performance of the model remained constant when the estimated values were compared to interpolated endurance times. Also, in the majority of cases (18 of 27), the estimated fitness trends were similar to the interpolated endurance times.

The model created can estimate the daily running performance fairly reliably by using variables obtained with a heart rate meter and a running speed sensor. Also, long-term changes of the running performance can be assessed by fitting trendlines to the daily fitness estimates.

Near-infrared spectroscopy in measuring changes of cerebral haemoglobin concentrations during natural sleep
Virtanen Jaako, Teknillinen korkeakoulu

Near-infrared spectroscopy (NIRS) shows promise as a relatively inexpensive, non-invasive medical imaging modality for haemodynamic measurements. In this thesis NIRS is applied in a sleep study to assess its applicability for monitoring haemodynamic changes in the brain during all-night sleep. Possible future applications of the technique include monitoring the quality of sleep and diagnosing sleep apnea.

Concentration changes of cerebral oxygenated (HbO2) and deoxygenated haemoglobin (HbR) are estimated in a series of 30 all-night sleep measurements and compared to neurophysiologically determined sleep stages and arterial oxygen saturation and pulse rate measured with a finger pulse oximeter. A method for removing motion artefacts from NIRS signals is presented and applied.

Results show that haemoglobin concentration levels are on average lower in deep sleep than in rapid-eye-movement (REM) sleep. Apneic sleep is found to be associated with a decrease in HbO2 and an increase in HbR concentrations, with cerebral tissue taking longer to recover from the apnea-induced oxygen deficit than surface tissue.

The thesis shows that NIRS can be used in monitoring cerebral circulation during normal and apneic sleep. However, there are still problems involved in long term NIRS sleep measurements, such as the stability of the NIRS signal over long periods of time, and the effects of surface tissue haemodynamics on cerebral signals. Further research is also needed to analyse the effect of apneic sleep on cerebral circulation.