|
Lääketieteellisen fysiikan ja tekniikan yhdistys (LFTY) Finnish Society for Medical Physics and Medical Engineering |
LFT-päivä 10.2.2011, Aalto-yliopisto, Otaniemi
Posterikilpailuun osallistuneet
1. Antti Ahola, Tampereen teknillinen yliopistoA programmable long term electrical stimulation system for cell cultures on microelectrode arrays
2. Tuomas Alhonnoro, Aalto-yliopisto
Vessel segmentation for ablation treatment planning and simulation
3. Nikolai Beev, Tampereen teknillinen yliopisto
Assessment of Sternal Instability by Vibration
4. Matti Helin, Aalto-yliopisto
Changes in electromyographic amplitude as a measure of adequacy of sedation in critical care patients
5. Aleksi Iho, Helsingin yliopisto/Aalto-yliopisto
Targeting cancer cells: a molecular engineering approach
6. Harri Kokkonen, Itä-Suomen yliopisto
Akuutin nivelrustovamman kuvantaminen varjoainetehosteisella tietokonetomografia-menetelmällä
7. Paula Kölhi, Tampereen teknillinen yliopisto
Effect of heart and respiratory movements to radiation therapy doses
8. Ossi Lehtikangas, Itä-Suomen yliopisto
Utilizing Fokker-Planck equation in optical tomography
9. Mika Mononen, Itä-Suomen yliopisto
Nivelruston kollageenirakenteen vaikutus polvinivelen toimintaan: teoreettinen tarkastelu
10. Mikko Nyrhinen, Helsingin yliopisto
Laskentamenetelmien vaikutus magneettikuvauksen relaksaatioaikoihin maksan ja sydämen rautapitoisuustutkimuksissa
11. Paavo Vartiainen, Itä-Suomen yliopisto
Kalman suotimen ja hierarkkisen mallin käyttö liikelaboratorion mittausdatan analyysissä
Postereiden abstraktit
A programmable long term electrical stimulation system for cell cultures on microelectrode arrays
Antti Ahola, Tampereen teknillinen yliopisto
Diplomityönä tehdyn tutkimuksen tavoitteena oli suunnitella ja rakentaa järjestelmä stimuloituvien solujen pitkäaikaiseen sähköiseen stimulaatioon mikroelektrodijärjestelmille (MEA-levyille). Tarkoituksena oli suunnitella itsenäinen laite, joka kykenisi tuottamaan hallitussa ympäristössä, kuten soluviljelykaapissa, sähköistä stimulaatiota useiden päivien ajan kokonaisille soluviljelmille. Laitteelle oli määrä voida säätää erilaisia stimulaatiomuuttujia, jotta sitä voitaisiin käyttää useiden solutyyppien stimulaatioon. Järjestelmä suunniteltiin Tampereen yliopiston solu- ja kudosteknologiakeskus Regean tutkimuskäyttöön.
Työssä valmistettiin stimulaatiojärjestelmä kokonaisuutena. Tavoitteeseen pääsemiseksi lähdettiin tutkimaan jo aiemmin tehdyistä tutkimuksista sähköiseen stimulaatioon käytettyjä parametreja. Näiden tietojen perusteella simuloitiin sähkökenttiä, joita tuottaisivat soluille sopivan sähköisen stimuluksen. Varsinaiseen laitteeseen kuuluu karkeasti jaoteltuna kolme osa-aluetta: stimulaatiokotelo mikroelektrodilevylle, stimulaatiosignaalin tuottamiseen vaadittava elektroniikka ja stimulaation hallintaohjelma tietokoneelle. Lukuun ottamatta stimulaation aaltomuotojen luomista ja tietokonetta, laite suunniteltiin ja toteutettiin itse tässä työssä. Laitteen toimivuus todennettiin oskilloskooppia ja mikroskooppia apuna käyttäen. Sen soveltuvuutta laboratoriokäyttöön arvioitiin käytön aikana.
Suunniteltu laite kykeni tuottamaan suunnitellut stimulaatiopulssit aina 500 V/m asti 2 ms resoluutiolla useiden päivien ajan. Sen ei havaittu vahingoittavan soluja stimulaatiolla, eikä siinä havaittu olevan soluille myrkyllisiä ainesosia. Laitteen käyttöominaisuudet laboratorio-olosuhteissa todettiin riittäviksi. MEA-levyille suunnitellun stimulaatiokotelon havaittiin olevan vankkarakenteinen ja sopiva soluviljelykäyttöön niin mekaanisten ominaisuuksiensa kuin bioyhteensopivuutensakin puolesta. Laitteen käyttäjät kykenivät luomaan lähes mielivaltaisen muotoisia stimulaatiopulsseja ja ohjelmiston käyttö todettiin helpoksi jopa ilman kattavaa koulutusta. Laite on edelleen käytössä sydän- ja hermosoluviljelmien sähköisessä stimulaatiossa Regealla.
Laite osoittautui toimivaksi kokonaisuudeksi. Tietojemme mukaan laite on ensimmäisiä stimulaatiolaitteita, joissa käyttäjä voi luoda soluviljelykaappiin sijoitetuille MEA-levyille pitkiksi ajoiksi ac-muotoisia sähkökenttiä haluamallaan stimulaatioprofiililla. Projekti oli tuotekehitysmuotoinen ja laitetta muokattiin saadun käyttäjäpalautteen mukaisesti soveltumaan entistä paremmin tarkoitukseensa. Tulevaisuudessa laitetta voidaan kehittää elektroniikan osalta jotta saavutettaisiin parempi stimulaation resoluutio sekä pienempi kohina stimulaation ulostulossa. Tulevaisuudessa laitetta voidaan käyttää stimulaatioparametrien vaikutuksen tutkimiseen soluilla. Sydänsolututkimusta varten on pohdittu laitteen käyttämistä mekaanisen stimulaatiolaitteen rinnalla.
Vessel segmentation for ablation treatment planning and simulation
Tuomas Alhonnoro, Aalto-yliopisto
Liver cancer is the fifth most common cancer worldwide and cause of more than 500 000 deaths a year. While only 5-15% of the patients can be treated surgically, there are others who may benefit from ablation treatments. Radiofrequency ablation (RFA) has recently become the standard treatment for non-resectable tumours, and it can achieve survival rates that are comparable to surgical resection. That said, planning, monitoring and assessment of the treatment right after the RFA-procedure is currently difficult or impossible. IMPPACT (Image-based Multi-scale Physiological Planning for Ablation Cancer Treatment) is a multiparticipant research project funded by the Commission of the European Union that addresses to these problems using numerical simulation on a patient specific physiological model. Building this model this work in particular focuses on extraction of the hepatic vascular anatomy.
A novel, semiautomatic hybrid method for vessel extraction was developed. The method resembles the popular skeleton-based approach first introduced by Selle et al., but it was further augmented with multi-scale and matched filter approaches, tracking schemes and mathematical morphology. Many aspects of the original approach were revised; most of all, its sensitivity for small vessels was improved yet within strict algorithm speed margin. Further, a procedure for evaluating vessel segmentation results was reinvented. For detail, vessels are segmented from three-phase contrast enhanced computed tomography (CT) images (arterial, portal venous, hepatic venous). Images are processed using Hessian-based vessel enhancement filters and a fast pyramid implementation. Vessels are then segmented using a combination of wave-front region growing and iterative ridge tracking. Finally, skeletonization revails the tree structure for knowledge-based pruning and, optionally, for manual interaction. Also, skeletons are the backbone of the new landmark-based vessel segmentation evaluation that differs from rare corrosion cast -attempts and more common 'nothing at all'-approach.
The methods was extensively evaluated using four sets of porcine liver CT images. Quantitative evaluation, based on 1024 landmarks, yielded 97% sensitivity for vessels equal or above two voxels in radius, and 75% and 25% accuracy for vessels between 1 to 2 and 0.5 to 1 voxels respectively. In addition, the method showed consistent results with the actual clinical data.
With the methods described, the results showed improved sensitivity over common approaches and the method's suitability for simulation purposes. For detail, the method was proven capable of extracting 97% of vessels equal or above 3.0 mm in diameter, the limit which has been described critical for interference with ablation heat propagation. Furthermore, the accuracy is well below a feasible resolution for subsequential finite element modeling, and does not drop until subvoxel resolution. The comparison to other vessel segmentation methods is challenging, mostly because of lack of evaluation, but also because of different datasets. However, improvements over the only quantitative study published are congruent with visual observations. Finally, the method outcome has been already applied to RFA simulation studies and the project progresses in this respect.
Assessment of Sternal Instability by Vibration
Nikolai Beev, Tampereen teknillinen yliopisto
Objective: The purpose of the study conducted at Tampere University of Technology and Tampere University Hospital was to devise a novel method for detection of instability or abnormal healing in the sternum after open chest surgery. Patients suffering from such postoperative complications are exposed to higher risk of deep wound infection and other severe complications. The proposed method, based on vibration measurement, aims to provide quantitative information on the mechanical stability of the breastbone that cannot be obtained from clinical examination or medical imaging techniques.
Methods and materials: A special measurement system was designed and constructed at the Tampere University of Technology. The system produced controlled vibration with spectral content in the 50-1500 Hz range. The response of the studied breastbone was picked up by an accelerometer and recorded in digital format. The collected data was processed on a personal computer using routines implemented in MATLAB. The mechanical transfer function of the sternum was estimated and several descriptive parameters were extracted from it. Their distributions were studied to determine how they reflect changes occurring in the breastbone.
Altogether 22 elective cardiac surgery patients from the Pirkanmaa district were recruited for the study. Complete datasets are available for 12 patients with uneventful healing. Five patients were diagnosed with sternal instability. Measurements were taken at 3 levels of the sternum: upper, middle and lower. Four measurement sessions were organized for each patient: preoperative, early postoperative (typically 3rd-4th postoperative day), 3rd postoperative week and 3rd postoperative month. In addition to vibration stimulation, manual palpation was applied to provoke movement of the sternal halves and the resulting acoustic emissions in case of instability were recorded and studied.
Results: The middle and lower measurement positions were found to be consistent and yielding useful data, unlike the upper position. The most important changes occur in the higher frequency (600-1500 Hz) band of the studied transfer functions and are reflected by derived parameters such as the integrated transmittance in this band. Significant changes caused by the introduced median incision and subsequent healing processes are observed: shortly after the operation vibration transmittance in the 600-1500 Hz band drops significantly, after which it increases gradually. Measured postoperative values higher than the preoperative suggest auxiliary transmission of vibration, possibly due to the introduced steel wire fixations. The statistical significance of changes in parameter distributions was confirmed by the Wilcoxon signed-rank test. Artifacts produced by provoked instability are clearly identifiable in the time-frequency representation of recorded signals.
Conclusions: The proposed method was implemented using specially built instrumentation and studied in clinical setting. Results confirmed that mechanical changes in the sternal incision are reflected in the vibration response. It was also demonstrated that acoustic emissions caused by provoked instability could be identified. Vibration measurements are painless, safe and do not expose the patient to ionizing radiation. More consistent measurement data from subjects with sternal instability is needed to further develop the technique.
Changes in electromyographic amplitude as a measure of adequacy of sedation in critical care patients
Matti Helin, Aalto-yliopisto
Sedation is a treatment where consciousness level of critical care patients is lowered with sedative drugs in order to help patients to better withstand the strains of intensive care. Too deep or too light sedation can lengthen the time in critical care and raise the risk of complications. In current practice the level of sedation is controlled by different clinical assessment scales. Currently there is no automatic measure of sedation that has been validated for use in critical care. The most promising objective measure is recently developed EMG responsiveness [1]. The goal of this study is to further examine frontal electromyographic (EMG) changes in critical care patients and to find out whether stimulus related responses of EMG correspond to nurse observations of reactions to the stimuli.
Data was collected by research nurses at Surgical Hospital of Hospital District of Helsinki and Uusimaa was used for analysis. Total of nineteen patients (11 females, 8 males) all diagnosed with hepatic encephalopathy were admitted in the study. Physiological signals were continuously recorded. Every day in average of eight hour period patients were given a standard stimulus sequence approximately every three hours and patient response to stimuli was observed. Stimulus sequence was in order are a spoken command played back by earphones, a loud noise and painful electric stimulus. Stimulus related EMG properties were analyzed quantitatively and qualitatively and several different stimulus related parameters were developed based on those properties. The parameters’ applicability as automatic measure of sedation in intensive care patients were estimated with Smith's [2] prediction probability statistics (PK) and receiver operating characteristics (ROC) analysis. Best performing parameter was compared with responsiveness measure.
¨The results show that after a stimulus is given typically a rise in EMG power level occurs when the patient responds to the stimulus. Usually EMG level stays elevated for quite long. However, in some cases only a short but clear rise in EMG amplitude is elicited. This elevation did not occur in cases where patient did not respond to the stimulus except when a painful stimulus was given. These observations were confirmed by Wilcoxon signed rank analysis comparing 30 seconds median power after the stimulus to 30 seconds median before the stimulus. A statistically significant (P < 0.05) rise was measured in all responding cases and in non-responding tetanic cases. Other non-responsive cases did not show any statistically significant change in EMG power. Parameter that corresponded closest to the nurse observations was 30 second maximum EMG power after the stimulus minus 60 second median EMG power before the stimulus. This parameter had prediction probability PK of 0.90 with vocal stimulus, 0.85 with noisy stimulus and 0.79 with tetanic stimulus (P < 0.05 in all cases). This measure also showed much higher PK values (P < 0.01) than responsiveness [1] measurement except with the tetanic stimulus where no statistically significant difference was seen.
Stimulus related EMG amplitude changes are very suitable for detecting responses to different stimuli. These responses can be used as a measure of depth of sedation in similar fashion than clinical assessment scales are used. Good performance in measuring responses to vocal stimulus is clinically especially relevant since in most cases it is desirable to sedate patients to the level where patient still responds to speech. No clear reason why EMG response is poor measure of response to a painful stimulus was found. However, it is clear that this phenomenon should be studied more as it may have even implications to some currently used assessment scales. In this study a very specific patient group was studied. Although the measure cannot be generalized to be useful for all intensive care patients, it is very promising and should be investigated with other intensive care patient groups as well. It is especially promising that the measure works so well with encephalopathic patients, a patient group that has proven difficult to other measures. Simplicity of measurement devices required and robustness of the parameters used make the measure clinically viable.
[1] Petteri Lapinlampi. Methods for assessing the depth of natural and drug induced sleep based on electroencephalographic signal. Master’s thesis, Helsinki University of Technology, Espoo, 2005.
[2] Warren D Smith, Robert C Dutton, and Ty N Smith. Measuring the performance of anesthetic depth indicators. Anesthesiology, 84(1):38–51, 1996.
Targeting cancer cells: a molecular engineering approach
Aleksi Iho, Helsingin yliopisto/Aalto-yliopisto
The cellular membrane is a highly complex mixture of lipid molecules and proteins with each molecule playing specific part in the functional role of the cell. Phosphatidylserine (PS) is an anionic lipid, that accounts for up to 20% of the total lipids in a eukaryote cell membrane. The lipid is normally located almost exclusively in the inner leaflet of the lipid bilayer. However, cancerous cells are found to express elevated levels of PS on the outer leaflet of the plasma membrane.
In this study a short peptide (18 residues) was designed with the aim that it could be used as a chemical reporter to target the expression of PS on the outer leaflet of the plasma membrane in cancer cells. The peptide would combine PS binding properties as well as antimicrobial peptide (AMP) -like functionality that would enable it to penetrate and anchor itself to the membrane. The design involves a two-phase targeting strategy, in which click-chemistry reactions are used to introduce imaging moiety to the peptide after the peptide has found the target.
A peptide was designed by modeling random sequences on software available online, and looking for AMP-like structural elements. The sequence was combined with a segment found in literature. A series of biophysical experiments, including peptide intercalation into lipid monolayers and Förster resonance energy transfer (FRET) experiment, were then conducted to study the peptide's properties and to confirm the utility of the two-phase labeling strategy. A cell labeling experiment was carried out with cancerous HeLa cells and healthy mouse fibroblast (3T3) cells to test the peptide’s selectivity with live cells.
The peptide showed significant specificity towards anionic PS and desired AMP-like characteristics in the presence of PS with model membranes. The two-phase labeling strategy was found to be functional. The cell labeling results were promising, showing a degree of selective labeling of HeLa cells, but the results cannot be considered conclusive yet due to some limitations in the experiment.
This study has shown that a molecular engineering approach into designing functional biomolecules is feasible. A peptide was designed from modeling principles and was evaluated to have several of the predesigned, desired features. The results support the hypothesis that PS exposed in cancer cells could be used as a molecular target for sensitive diagnostic imaging of tumors and metastases. Only a single peptide was tested in the present study, and there is reason to believe the design can be iterated to enhance the functionality of the peptide significantly. The future designs of functional peptides will have great potential in various research and clinical applications.
Akuutin nivelrustovamman kuvantaminen varjoainetehosteisella tietokonetomografia-menetelmällä
Harri Kokkonen, Itä-Suomen yliopisto
Tutkimuksen tavoite: Nivelrustoon esimerkiksi onnettomuuden tai urheilusuorituksen yhteydessä kohdistuva mekaaninen isku saattaa vaurioittaa kudosta siten, että se laukaisee nivelrikkokehityksen. Täten olisi hyvin tärkeää pystyä havaitsemaan rustovaurio heti sen syntymisen jälkeen. Aiemmat tutkimukset osoittavat, että mekaanisen iskun aiheuttamat vauriot kasvattavat nivelruston permeabiliteettia, mikä luultavasti lisää varjoaineiden diffuusiota nivelrustoon. Tämän tutkimuksen tavoite oli tutkia voidaanko akuutti rustovaurio havaita mittaamalla varjoainediffuusiota nivelrustoon käyttäen varjoainetehosteista tietokonetomografiaa (Contrast Enhanced Computed Tomography, CECT).
Menetelmät: Rusto-luu-kiekot (d = 6, 0 mm, n = 36) valmistettiin vahingoittumattomista naudan polvilumpioista (n = 9). Kaksi vierekkäistä näyteparia, yhteensä neljä kiekkoa, irrotettiin jokaisesta polvilumpiosta. Kahta näytteistä vahingoitettiin tätä varten rakennetussa pudotustornissa kahden muun toimiessa verrokkinäytteinä. Näytteet kuvattiin ennen varjoaineimmersiota (ioxaglaatti : HexabrixTM tai natriumjodidi : NaI) sekä 1, 2, 5, 7, 10, 15, 20 ja 25 tuntia immersion jälkeen käyttäen korkean resoluution tietokonetomografialaitetta.
Tulokset: Kaikissa aikapisteissä molempien varjoaineiden tunkeutuminen rustoon oli merkittävästi (p< 0, 05) suurempaa vaurioitetuissa näytteissä. Ero vaurioitettujen ja verrokkinäytteiden välillä oli suurempi (p < 0, 05, kaikissa aikapisteissä) käytettäessä ioxaglaattia (molekyylimassa M = 1269 g/mol) kuin jodia (M = 126, 9 g/mol).
Johtopäätökset: Merkittävää on, että ero vaurioitettujen ja verrokkinäytteiden välillä oli merkittävä (p < 0, 05) jo yhden tunnin varjoaineimmersion jälkeen. Tämä on tärkeää menetelmän kliinisen käytön kannalta, silla se osoittaa, että diffuusiotasapainon saavuttaminen ei ole diagnoosin kannalta välttämätöntä. Tämä on merkittävä havainto, silla aiempien tutkimusten mukaan diffuusiotasapainon saavuttaminen voi viedä yli 20 tuntia käytettäessä suuria varjoainemolekyyleja, kuten ioxaglaattia.
Effect of heart and respiratory movements to radiation therapy doses
Paula Kölhi, Tampereen teknillinen yliopisto
Taustatietoa: Sädehoito on tärkeä osa monien syöpäpotilaiden hoitoa. Nykyään sädehoito pystytään kohdistamaan paikallaan pysyviin kohdealueisiin hyvin tarkasti kehittyneiden sädehoitotekniikoiden ansiosta. Sädehoidon tahdistuksella voidaan kuitenkin parantaa sädehoidon kohdistusta myös liikkuviin kasvaimiin, erityisesti keuhkojen alueella. Tahdistus on menetelmä, jossa kuvantaminen ja sädehoito toteutetaan liikkeestä saatuun tietoon tahdistettuna. Tahdistusta voidaan käyttää, kun liike on jaksollista, kuten hengitysliike ja sydämen liike usein ovat. Tahdistuksella katkotaan säteilyä siten, että säteilytys on päällä ainoastaan tiettynä liikejakson ajanhetkenä. Hengitystahdistettu sädehoito tahdistetaan hengitysliikkeestä saatuun signaaliin ja sydäntahdistettu sädehoito yleensä sydänsähkökäyrään. Kaksoistahdistettu sädehoito yhdistää hengitystahdistetun ja sydäntahdistetun sädehoidon. Hengitystahdistus on jo kliinisessä käytössä sädehoidossa, sydäntahdistusta ja kaksoistahdistusta sädehoidossa on tutkittu vasta vähän.
Tutkimuksen tavoite: Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää eri tahdistusmenetelmien taustaa ja niiden tämänhetkistä tilannetta sädehoidossa, sekä tutkia hengitystahdistetun ja sydäntahdistetun sädehoidon yhdistämisen vaikutuksia potilaiden sydänten saamiin säteilyannoksiin. Sydämen saama säteily voi myöhemmin aiheuttaa potilaalle sydänsairauden.
Metodit: Opinnäytetyössä tutkittiin kahden kardiologisen potilaan sydäntahdistettuja tietokonetomografiakuvia, jotka oli otettu hengityspidätyksessä hengityksestä johtuvan liikkeen minimoimiseksi. Sydäntahdistetut tietokonetomografiakuvat esittivät kymmentä eri sydämen syklin vaihetta. Kuvien käsittely ja analysointi suoritettiin sädehoidon annossuunnitteluohjelmistolla. Tietokonetomografiakuviin segmentoitiin sydämen jokaiseen vaiheeseen koko sydämen tilavuus, valtimot, laskimot ja sydänläpät. Koko sydämen tilavuutta ja sydämen pinnan liikettä mitattiin kaikissa sydämen vaiheissa. Vasemman puoleisten sepelvaltimoiden ja sydänläppien liikettä seurattiin, ja potilaille suunniteltiin sädehoitosuunnitelmat rinta-, keuhko- ja ruokatorvensyöpähoitoihin sydämen vaiheissa 0%, 30% ja 80%. Sydämen koko tilavuuden, vasemman puoleisten sepelvaltimoiden ja sydänläppien saamia säteilyannoksia analysoitiin annos-volyymi -histogrammien avulla.
Tulokset: Diplomityössä saavutetut tulokset osoittavat, että sydämen sisäiset rakenteet saavat erisuuruisia säteilyannoksia riippuen siitä, missä sydämen sykkeen vaiheessa säteilytys on tapahtunut. Annos-volyymi –histogrammi -analyysissa havaitut erot selittyvät sydämen ja sen sisäisten osien muodonmuutoksilla ja sijainnin vaihteluilla.
Johtopäätökset: Johtopäätöksinä voidaan todeta, että optimaalisen tahdistusikkunan valintaan vaikuttavat potilas, sädehoidon kenttäasettelu sekä se sydämen osa, johon mahdollisimman pieni säteilyannos halutaan. Tämän tutkimuksen mukaan syöpäpotilaat voivat hyötyä sydäntahdistetun ja hengitystahdistetun sädehoidon yhdistämisestä. Lisää tutkimusta kuitenkin tarvitaan, jotta saadaan luotettavampia tuloksia ja voidaan kehittää kaksoistahdistetun sädehoidon suunnitteluohjelmistoja ja hoitomenetelmiä, sekä määrittää potilasvalinnan kriteerit.
Utilizing Fokker-Planck equation in optical tomography
Ossi Lehtikangas, Itä-Suomen yliopisto
In (diffuse) optical tomography, light transport theory is used to describe photon propagation inside a turbid medium. A commonly used simplification for the radiative transfer equation is the diffusion approximation due to computational feasibility. However, it is known that the diffusion approximation is not valid close to the sources and the boundary and in low-scattering regions. Fokker-Planck equation describes light propagation when scattering is forward-peaked. This assumption is valid almost everywhere in biological tissues.
In this thesis a finite element approximation for the numerical solution of the Fokker-Planck equation is developed. The approach is validated against Monte Carlo simulation and compared with the diffusion approximation. The results show that the Fokker-Planck equation gives equal or better results than the diffusion approximation in a homogeneous medium and in a turbid medium containing a low-scattering region when scattering is forward-peaked.
In addition, a new coupled Fokker-Planck-diffusion model is introduced. In the coupled model, the Fokker-Planck equation and the diffusion approximation are used as light transport models in different subdomains of the medium. These two models are coupled with boundary conditions on the interface of the subdomains. The coupled model is numerically solved using the finite element method. The performance of the coupled model is tested with a simulation. The model is validated against Monte Carlo simulation and compared with the Fokker-Planck equation and the diffusion approximation. The preliminary results show that the coupled model can describe light propagation accurately in tissues and therefore reduce the computational load of the problem compared to the Fokker-Planck equation.
Nivelruston kollageenirakenteen vaikutus polvinivelen toimintaan: teoreettinen tarkastelu
Mika Mononen, Itä-Suomen yliopisto
TAVOITE: Tämän Pro gradu -tutkielman ensimmäisenä tavoitteena luoda oli mallinnus geometria kliinisiä magneettikuvia hyväksikäyttäen. Seuraavana vaiheena oli isotrooppisen poroelastisen, transversaali-isotrooppisen poroelastisen sekä kollageenisäievahvisteisen poroelastisen mallin kehittäminen teorioiden pohjalta. Tämän tarkoitus oli vertailla eri malleja keskenään ja osoittaa realistisen kollageenivahvisteisen mallin ylivertaisuus muihin malleihin. Vertailun jälkeen realistisella kollageenisäievahvistetulla poroviskoelastisella mallilla suoritettiin kontaktipaineanalyysit muuttamalla eri parametrien arvoja. Seuraavana vaiheena oli tutkia kollageeniorientaation ja myös muiden nivelrustoa heikentävien ominaisuuksien vaikutus eri nivelrikkotilanteisiin. Viimeisenä vaiheena tutkittiin kollageeniorientaation ja sen ominaisuuksien vaikutusta rustokorjatussa nivelrustossa.
METODIT: Polvinivel magneettikuvattiin (1.5 T, tasoresoluutio 0.42 mm, leikepaksuus 1.5 mm) vapaaehtoiselta 34 vuotiaalta miespuoliselta potilaalta, jonka massa ja pituus olivat 70 kg ja 175 cm. Saadusta magneettikuvapakasta valittiin yksi leike, josta erottuivat selkeimmin nivelrusto ja nivelkierukka. Tämän jälkeen valittu leike segmentoitiin manuaalisesti käyttämällä tpsDig2-ohjelmaa. Seuraavaksi segmentaatiosta saatu geometria liitettiin elementtimenetelmää käyttävään mallinnusohjelmaan (Abaqus v6.81), jolla segmentoitu geometria verkotettiin sopivaksi (15982 elementtiä, 17178 solmupistettä) poroelastisia neliöelementtejä käyttäen. Isotrooppinen poroelastinen sekä transversaali isotrooppinen poroelastinen materiaali implementoitiin malleihin käyttämällä Abaqus -ohjelmiston valmiita moduuleita. Kollageenisäievahvisteisen poroviskoelastisen materiaalin implementoimiseen käytettiin Abaqus –ohjelmiston UMAT –aliohjelmaa, joka koodattiin fortran -ohjelmointikielellä. Simuloinnit suoritettiin käyttämällä 700 N:n aksiaalista kuormitusta.
TULOKSET: Mallien vertailussa kävi selkeästi ilmi kollageenivahvistetun mallin ylivertaisuus muihin malleihin. Kollageenivahvisteinen malli käyttäytyi kuten teoria antoi ymmärtääkin. Muiden mallien tulokset eivät vastanneet kovinkaan hyvin teoreettisia olettamuksia. Kontaktipaineeseen havaittiin vaikuttavan eniten kollageenisäikeen jäykkyys. Mitä pienempi oli säikeiden jäykkyys, sitä pienempiä olivat myös kontaktipaineet. Muiden parametrien muutoksilla oli alle 5 %:n vaikutus kontaktipaineisiin. Nivelrikkosimulaatiossa havaittiin selkeästi orientaatiolla olevan suuri merkitys kuormitusjakaumiin. Myös vesipitoisuuden alentamisen ja nivelruston säiettömän matriisin jäykkyyden alentamisen yhteisvaikutuksilla oli merkittävää vaikutusta kuormitusjakaumiin. Rustokorjauksessa havaittiin korjauskudoksen kollageenisäieorientaatiolla ja kollageenisäiejäykkyyksillä olevan myös merkittävät roolit kuormitusjakaumissa.
JOHTOPÄÄTÖKSET: Rustomallinnuksen päätavoite on sen hyödyntäminen kliiniseen käyttöön. Tällainen lähestymistapa tulee tarjoamaan tulevaisuudessa oivan keinon arvioida mahdollisia hoitokeinoja nivelrikon eri vaiheista kärsiville potilaille. Se tulee tarjoamaan myös hyvän apuvälineen rustokorjausoperaation jälkeiseen monitorointiin. Kehittämällä käytettyä kollageenisäievahvistettua mallia eteenpäin, tulevaisuudessa on mahdollista mallintaa mahdolliset muutokset rustokudoksen sisällä sekä niiden vaikutukset kuormitusjakaumiin.
Laskentamenetelmien vaikutus magneettikuvauksen relaksaatioaikoihin maksan ja sydämen rautapitoisuustutkimuksissa
Mikko Nyrhinen, Helsingin yliopisto
Eräiden sairauksien sekä jatkuvien verensiirtojen seurauksena potilailla saattaa esiintyä poikkeuksellista rau-dan kertymistä elimistöön. Raudan kertyminen elinten peruskudoksiin voi aiheuttaa rautaperäisiä pysyviä kudosvaurioita.
Magneettikuvauksen (MK) gradienttimonikaikusekvensseistä saaduista kaikukuvista laskettujen T2*-relaksaatioaikojen on havaittu lyhenevän elimistön rautapitoisuuden kasvaessa. Nykyään ei kuitenkaan ole vielä varmuutta parhaasta tavasta analysoida näitä kuvia.Työn tarkoituksena oli vertailla kirjallisuudessa esiteltyjä analyysitapoja T2*-relaksaatioaikojen määrittämiseksi. Työssä tarkasteltiin, onko eri analyysime-netelmillä, ROI-alueilla, sekvensseillä sekä sovitusmalleilla tilastollisesti merkittäviä eroja. Työssä tutkittiin myös maksan ja sydämen septumin rautapitoisuuden spatiaalista vaihtelua.
Maksan ja sydämen potilasaineisto oli kuvattu käyttäen kahta 1,5 T magneettikuvauslaitetta: Siemens Avanto sekä Philips Achieva. Kaiken kaikkiaan työssä oli käytettävissä 57 leikesarjaa maksasta ja 9 leikesarjaa sy-dämestä. Työssä vertailtiin kahta erilaista sovitusalgoritmia: lineaarista pns-sovitusta sekä epälineaarista Levenberg-Marquardt-algoritmia. Työssä vertailtiin yhteensä viittä erilaista sovitusmallia: monoeksponentti-, pohjatason vähännys -, kohinan korjaus -, katkaisu- sekä tasoitusmallia. ROI-pohjaisen analyysin lisäksi suoritettiin analyysi myös pikselikohtaisella menetelmällä käyttäen 3x3 sekä 5x5 keskiarvoistusta kohinan ja liikeartefaktojen vähentämiseksi. Pikselikohtaisesta menetelmästä tulokseksi saatuja T2*-karttoja vertailtiin ROI-pohjaisesta menetelmästä saatuihin tuloksiin.
Tasoitusmallista saatiin parhaimmat sovitukset, kun taas monoeksponenttimallista lineaarisella sovituksella saatiin huonoimmat sovitukset. Sekä monoeksponenttimalli lineaarisella sovituksella että tasoitusmalli poik-kesivat tilastollisesti merkittävästi muista sovitusmalleista. Työssä ei havaittu tilastollisesti merkittäviä eoja ROI-pohjaisen eikä pikselikohtaisen menetelmän välillä. Myöskään keskiarvoistuksella ei havaittu olevan tilastollisesti merkittävää vaikutusta.Työssä ei havaittu tilastollisesti merkittäviä eroja eri ROI-alueiden eikä eri sekvenssien välillä.
Työssä havaittiin monoeksponenttimallin lineaarisella sovituksella olevan huonoin sovitusmalli. Muilla sovi-tusmalleilla saatiin toisiaan lähellä olevia tuloksia kliinisesti mielenkiintoisilla T2*-relaksaatiajoilla. Työssä havaittiin T2*-karttojen olevan hyödyllinen apuväline maksan rautapitoisuuden määrittämiseksi. Sydämen tapauksessa ROI-pohjainen menetelmä havaittiin pikselikohtaista menetelmää paremmaksi. Jatkotutkimuk-sissa menetelmää voitaneen kehittää parantamalla sovitusalgoritmeja, sovitusmalleja sekä pikselikohtaista menetelmää.
Kalman suotimen ja hierarkkisen mallin käyttö liikelaboratorion mittausdatan analyysissä
Paavo Vartiainen, Itä-Suomen yliopisto
Liikeanalyysillä tarkoitetaan ihmisen liikkeen, esimerkiksi kävelyn, tutkimusta. Liikeanalyysia käytetään mm. neurologisiin sairauksiin sekä tuki- ja liikuntaelinsairauksiin liittyvässä tutkimuksessa. Myös viihdeteollisuudesssa ja ergonomian tutkimuksessa hyödynnetään liikeanalyysiä.
Opinnäytetyön tavoitteena oli ihmisen kävelyliikkeen mallintaminen sekä kävelyn aikana jalkapohjaan kohdistuvan voiman estimoiminen käyttäen kamerajärjestelmällä kuvattua dataa.
Liikelaboratoriossa kuvataan koehenkilön liike IR-kameroita sekä koehenkilön ylle kiinnitettyjä heijastinpalloja käyttäen. Heijastinpalloja kiinnitetään esimerkiksi polvinivelen ja nilkkanivelen kohdalle. Kuvaamalla heijastinpallojen liike usealla kameralla saadaan tallennettua henkilön liike kolmiulotteisesti. Havainnoissa on kuitenkin usein puutteita, mm. käsi voi peittää lantiolle kiinnitetyn heijastinpallon.
Liike mallinnettiin käyttäen mittausdatan seurannassa ns. hierarkkista kehomallia sekä Kalman-suodinta ja Kalman smoother –algoritmia. Mallia ja Kalman suodinta käyttämällä liikkeen mallinnus onnistuu, vaikka havainnoissa on hetkellisiä puutteita. Mallin avulla voidaan estimoida kehonosan paikkaa vaikka paikasta ei saada riittävästi havaintoja paikan suoraan määrittämiseen.
Kehomalli koostuu jäykistä kappaleista, jotka liittyvät toisiinsa nivelillä. Mallin nivelet vastaavat kehon niveliä. Näin ollen mallia voidaan käyttää esimerkiksi nilkka-, polvi ja lonkkanivelten liikkeen tarkasteluun. Malliin määritellään kiinteät pisteet anatomisiin paikkoihin, jotka vastaavat heijastinpallojen paikkoja.
Kalman suotimella saadaan estimaatit kehomallin nivelkulmille sekä nivelten kulmanopeuksille ja kulmakiihtyvyyksille. Kulmakiihtyvyysestimaatteja ja kehomallin osien massoja käyttäen voidaan estimoida malliin liittyviä voimia Newtonin toisen lain perusteella. Työssä estimoitiin jalkapohjan alustaan kohdistama voima, ns. reaktiovoima, kehonosien liiketilaa käyttäen. Reaktiovoimaestimaattia verrattiin voimalevyllä mitattuun voimaan.
Mallia ja Kalman suodinta käyttäen mallintaminen on mahdollista, vaikka havainnoissa on puutteita. Lisäksi Kalman suotimen parametreja säätämällä voidaan vaikuttaa estimoidun liikkeen tasaisuuteen. Reaktiovoiman estimoinnissa pystysuuntaisen komponentin estimointi onnistui varsin hyvin, muiden komponenttien estimaatit ovat virhealttiimpia.