A New Method for Determining Acoustic Phase Shift
Caused by the Skull Bone with Pulsed Ultrasound
Jussi Aarnio
University of Kuopio, Department of Applied Physics
Work was done at: Therapeutic Ultrasound Laboratory, Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, Boston, U.S.A.

Trans skull ultrasound therapy has been possible after the development of phased array technology. Variable skull thickness causes phase differences to sound waves as they propagate through skull and therefore phased arrays need phasing information for each of the transducer elements in order to gain a focus in brain. At the moment there are not a simple ultrasound method for determining acoustic phase shift non-invasively. The aim of this work was to develop a simple and completely non-invasive method that can be used to acquire phasing information for phased arrays in trans skull therapies.
In the new method an ultrasound transducer is used to send a short pulse to the skull bone, and reflection is recorded. Spectrum of the received signal shows minima at resonant frequencies of the skull. The phase shift caused by the skull can be calculated from this information. The method was tested with single layer plastic plates, with three layer plastic phantoms and with 3 human ex vivo skullcaps. Results are compared to the hydrophone measured phase shifts. Measurements were done with a single element transducer and with multi-element transducer array designed for transskull therapies. In addition to experiments the effects of water temperature gradient on phase measurements was simulated.
Experiments with single layer plastic plates showed an average difference of 12.2° between pulsed ultrasound method and hydrophone method, and 52.4° with three-layer plastic phantoms. With skulls the average difference between two modalities was 35.1° in measurements done with the single element transducer and 39.0° for the skull measured with the multi-element array.
In simulations it was noted that temperature gradient of 2°C in water temperature can cause up to 23° difference in phase for most distant elements in multi-element transducer array. Results from experiments with plastic plates and skulls show that phase shift can be determined reliably with pulsed ultrasound. In case of plastic phantoms results are promising as well, because the standard deviation of measured phase differences was only 9.6° showing a near equal offset in each case between two modalities. In measurements with multi-element array part of acquired data had to be left outside of analysis because of poor signal. This was mainly a consequence of different geometry between skull and hemisphere array. Two modalities differ the most in skulls, as expected, the standard deviation being 23.3° in single element and 23.6° in multi-element transducer experiments. The main reason for bigger deviation in the case of skull is its complicated structure.

Nonparametric Statistical Analysis of Time-Frequency Representations of Magnetoencephalographic Data
Toni Auranen
Helsinki University of Technology, Laboratory of Computational Engineering

Time-frequency representations (TFR) provide a visually straightforward way to study the time and frequency behaviour of brain functions simultaneously. In science in general, it is of great importance to statistically verify the observed phenomena. The purpose of this study was to develop a nonparametric method for statistically analysing time-frequency representations calculated from magnetoencephalographic (MEG) data. The method was used to analyse the data from a simple MEG experiment.
Time-frequency representations were calculated using wavelet methods. They were further on processed to reveal event-related desynchronization and synchronization of the oscillatory activity in the living human brain during voluntary finger movement and motor imagery task. The statistical analysis was implemented utilizing a nonparametric Quade test by comparing every point in the time-frequency plane of the TFR of one condition with the corresponding points of the TFR in baseline condition. A corrective method was chosen to compensate for the effects on the TFRs caused by the mutual interaction of the different points in the time-frequency plane. The correction was realized by using procedures for testing multiple hypotheses. The presented method offers a workable solution for statistically determining the significant effects on time-frequency representations of magnetoencephalographic data. Confirming some unambiguous findings from previous studies of similar nature showed this statement to be valid.
Time-frequency representations are an excellent way to study brain functions of different cognitive tasks or medical conditions. Before this can be done reliably, the TFRs must be understood and analysed completely. This study provided an ad hoc solution for the problem and demonstrated some of the difficulties of the task. Future work should be directed to statistical modelling of the problem. Bayesian inference and data analysis might provide a powerful tool for statistically analysing time-frequency representations of magnetoencephalographic and electroencephalographic data.

Optisten pinsettien käyttö valkosolujen adheesiomittauksissa
Marco Casagrande
Teknillinen korkeakoulu, Lääketieteellinen tekniikka
Diplomityö tehty Turun Yliopistossa

Monet eri adheesiomolekyylit välittävät lymfosyyttien pyörimistä ja pysyvää kiinnittymistä muodostamalla molekyylisidoksia toisten adheesiomolekyylien kanssa. Adheesiovoimien suuruus ja nimenomaan adheesiovoimien suuruuden vertailu erilaisissa fysiologisissa ja patologisissa tilanteissa on tutkimusmielessä ja diagnostisesti hyvinkin mielenkiintoista. Tässä työssä on tutkittu optisten pinsettien soveltuvuutta lymfosyyttien adheesiovoimamittauksiin. Työn perimmäisenä tavoitteena on ollut tutkia, kuinka tarkkoja tuloksia optisilla pinseteillä on mahdollista saada ja rakentaa tai suunnitella optisiin pinsetteihin perustuva adheesiovoimamittausjärjestelmä Adheesiovoimia on tutkittu erilaisilla menetelmillä, mutta juuri lymfosyyttien adheesiovoimia endoteelisolukkoon ei aiemmin ole mitattu optisten pinsettien avulla.
Työn kokeellisessa osassa pinsettien muodostamiseen käytettiin ensin 1064 nm Nd:YAG-laseria. Voimaksi, jonka nämä pinsetit pystyivät lymfosyytteihin kohdistamaan, mitattiin 15 ± 5 pN. Tämä voima ei riittänyt kiinnittyneiden lymfosyyttien irrottamiseen, eikä edes lymfosyyttien pyörimiseen pystytty vaikuttamaan millään tavalla. Pinsettien voiman suurentamiseksi siirryttiin käyttämään 800 nm Ti:Sa-laseria, jonka lähtöteho oli parhaimmillaan noin 10-kertainen Nd:YAG-laseriin verrattuna. Tällä laserilla saatiin aikaan yli 5 kertaa voimakkaammat pinsetit. Lymfosyytteihin kohdistuva voima oli suurimmillaan 80 ± 15 pN.
Optisilla pinseteillä ei kyetty irrottamaan endoteelisolukkoon pysyvästi kiinnittyneitä lymfosyyttejä, mutta käytettäessä laseria täydellä teholla osa pyörivistä lymfosyyteistä pysähtyi niiden osuessa optiseen loukkuun. Tarkoituksena oli tutkia lymfosyyttien lopullisen adheesion dynamiikkaa eli adheesiovoimaa ajan funktiona, mutta adheesiovoimat ylittivät heti pinsettien maksimivoiman. Tämän vuoksi kokeellisen osan lopuksi tehdyissä vertailukokeissa keskityttiin pyörimistapahtuman tutkimiseen. Kokeessa etsittiin pyörimisvoimien eroja kolmen eri solulinjan välillä. Verinäytteestä eristettyjen lymfosyyttien annettiin virrata ja pyöriä vuorotellen sekä VAP-1-negatiivisen, VAP-1-positiivisen että mutantti-VAP-1-positiivisen endoteelisolukon päällä. Näissä mittauksissa, pienillä toistomäärillä ei pyörimisvoimien eroja kuitenkaan pystytty osoittamaan. Mittausten perusteella voitiin kuitenkin arvioida pyörimisvoimien suuruutta. Noin 70 % pyörivistä lymfosyyteistä saatiin pysäytettyä ja napattua optisiin pinsetteihin, kun pitovoima oli noin 65 pN ja 100 %, kun pitovoima oli yli 80 pN.

Monikanavainen impedanssikardiografialaitteisto
Antti Haapalainen
Tampereen teknillinen korkeakoulu, Ragnar Granit instituutti

Impedanssikardiografiaa on tutkittu useita vuosikymmeniä, koska se tarjoaa mahdollisuuden sydämen pumppaaman verimäärän jatkuva-aikaiseen ei-invasiiviseen seurantaan. Tämän sähkönjohtavuuden muutokseen perustuva sydämen minuuttivolyymin mittaus ei kuitenkaan ole saanut yleistä hyväksyntää kliiniseen käyttöön. Suurimmat syyt tähän ovat mittausmenetelmän epätarkkuus sekä sen vaatima laitteisto. Yksinkertaiset impedanssimenetelmät joita tähän saakka on nähty, mittaavat joko koko kehon tai pelkän rintakehän impedanssin. Saaduista arvoista ei minuuttivolyymia ole voitu tarkasti ja luotettavasti laskea. Lisäksi menetelmät vaativat hoitohenkilökunnalta ylimääräisiä toimenpiteitä.
Ragnar Granit instituuttissa on tutkittu impedanssikardiografiaa useita vuosia. TkT Pasi Kauppinen on väitöskirjassaan tutkinut kehon sähkönjohtavuutta ja ominaisuuksia volyymijohteena. Mallinnuksen tuloksena on nähty mahdollisuus uudelle, monikanavaiselle impedanssikardiografialaitteistolle, jolla kerätään tietoa kehon sähkönjohtavuudesta monesta pisteestä yhtäaikaa. Erityisen kiinnostava on elektrokardiografian mittauksessa käytetyn 12-kytkentäisen mittausjärjestelyn hyväksikäyttö. 12-kytkennästä mitatuista riippumattomista impedansseista voidaan kehon johtavuuskenttää tutkia huomattavasti tarkemmin, mikä lisää impedanssimittauksen herkkyyttä halutulle kehon osalle. Lisäksi 12-kytkentäisen elektrodikytkennän käyttö ei vaadi sairaalahenkilökunnalta minkäänlaista lisätyötä tai ylimääräisiä potilaaseen kytkettyjä mittajohtoja, helpottaen mittaustapahtumaa huomattavasti.
Työn tuloksena on valmistunut monikanavaisen impedanssikardiografialaitteiston prototyyppi, jolla mitattuja tuloksia tutkitaan parhaillaan. Laitteen suurin muutos edellisiin impedanssikardiografialaitteisiin verrattuna on signaalin ja mittauksen ohjaus 12-kytkentäisen elektrodikonfiguraation elektrodista toiseen siten, että kaikki riipumattomat mittaukset saadaan mitattua samanaikaisesti. Tätä ei impedanssikardiografialaitteissa ole ennen toteutettu. Lisätutkimukset selvittävät, täyttävätkö laite ja mittausmenetelmä niihin asetetut ennakko-odotukset sydämen sekä verenkiertoelimistön toiminnan seuraamisen monipuolistumisesta.

Sinogrammin suodatus pinogrammi-muunnoksen avulla
Antti Happonen
Tampereen teknillinen korkeakoulu, Signaalinkäsittelyn laitos

Tomografia on menetelmä, jolla saadaan tietoa kappaleen sisärakenteesta rikkomatta itse kappaletta. Yleisin tomografian sovellusala on lääketiede. Tomografian mittaustulosta kutsutaan sinogrammiksi, joka sisältää tutkittavan kappaleen projektiot tasaisin välein väliltä [0°, 180°]. Matemaattisesti tomografiaa mallinnetaan Radon-muunnoksen avulla. Sinogrammi täytyy rekonstruoida kuvaksi jollakin käänteisen Radon-muunnoksen approksimaatiolla. Kohinattomampi sinogrammi helpottaisi tätä huonosti määriteltyä ongelmaa. Sinogrammin suodatus ei ole helppo tehtävä. Yleisesti käytetyt suodatusmenetelmät aiheuttavat sinogrammitasoon sovellettaessa rekonstruoidun kuvan sumenemista tai eivät täysin hyödynnä sinogrammin vierekkäisten projektioiden spatiaalista riippuvuutta. Diplomityössäni esitetään uusi sinogrammin "pinogrammiin" perustuva suodatusmenetelmä, jolla ei ole kumpaa-kaan edellä mainittua suodatusongelmaa. Pinogrammimenetelmä perustuu siihen, että sinogrammista löydetään ja suodatetaan kaikki siniaallot, joista sinogrammi muodostuu. Tämä saavutetaan muuntamalla sinogrammi kol-miulotteiseksi pinogrammiksi, joka koostuu pinosta päällekkäisistä takaisin projisoiduista projektioista.
Uutta menetelmää on testattu ja vertailtu sinogrammitason suodatukseen simuloiduilla sinogrammeilla käyttäen Gaussin suodinta, sekä PET-sinogrammeilla käyttäen wavelet–suodatusta. Työn tuloksena on julkaistu artikkelit "Sinogram Filtering Using a Stackgram Domain" (Happonen ja Alenius, VIIP02) ja "Discrete Signal Sinc-interpolation in DCT Domain: Fast Algorithms" (Yaroslavsky, Happonen ja Katiyi, SMMSP02), joka liittyy osaltaan pinogrammin käytännön toteutukseen.

Ultrasound Stimulated Acoustic Emission (Usage) Method - Modeling And Simulations
Janne Heikkilä
Kuopion yliopisto, sovelletun fysiikan laitos

Fysiikan pro gradu -tutkielmani aiheena oli USAE -menetelmän mallintaminen ja simulointi. USAE -menetelmä on uusi ultraäänimenetelmä, jota voidaan käyttää materiaalien karakterisoimiseen ja kuvantamiseen. USAE -menetelmä perustuu kahden eritaajuisen fokusoidun ärsytyskentän aiheuttamaan stimulaatiovoimaan niiden yhteisessä fokuspisteessä. Tämä voima aiheuttaa fokuspisteeseen kenttien erotustaajuisen värähtelyn, jonka aiheuttama emissiokenttä voidaan mitata kohteen ulkopuolelta käyttäen hydrofonia. Työn keskeisimmät tavoitteet oli selvittää kuinka paljon epähomogeeniset rakenteet kohdealueessa vaikuttavat menetelmän stimulaatiokenttään ja kuinka hyvin erilaiset pehmytkudokset voidaan erotella USAE menetelmällä.
Tutkielmaan sisältyvät simulaatiot on laskettu kaksiulotteisessa alueessa käyttäen äärellisten elementtien menetelmää (FEM). Simulaatioissa laskettujen akustisten kenttien on oletettu olevan aikaharmonisia. Laskenta-alue, jonka kokonaishalkaisija oli 1 cm, muodostui kolmesta sisäkkäisestä kiekosta, joille kaikille voitiin asettaa halutut kudosparametrit: tiheys, ultraäänen nopeus ja absorptiokerroin. Käytetyn laskenta-alueen geometria esittää pehmytkudoksen ympäröimää verisuonta. Menetelmän mallintamisessa on käytetty joitain yksinkertaistuksia. Näistä tärkein on stimulaatiokentällä kohdemateriaaliin aiheutetun voiman ja kohdemateriaalin välisen vuorovaikutuksen mallintaminen mahdollisimman yksinkertaisesti. Toinen merkittävä yksinkertaistus on verisuonen seinämän rakenteen mallintaminen vain yhtenä homogeenisena kerroksena, vaikka se todellisuudessa koostuu kolmesta kerroksesta.
Työssä lasketut simulaatiot voidaan jakaa kolmeen pääryhmään: ärsytyskenttien simulaatiot, epähomogeenisuuksien vaikutukset ja kudosten eroteltavuus USAE -menetelmällä. Ärsytyskenttien simulaatioista havaittiin, että käytetyllä perustaajuudella ja lähteen koolla on suuri vaikutus stimulaatiokentän ominaisuuksiin fokuspisteessä. Tästä seuraa myös se, että näiden parametrien avulla voidaan stimulaatiokentän ominaisuuksia helposti muokata sovelluskohteeseen soveltuviksi. Simulaatioista, joissa tutkittiin epähomogeenisuuksien vaikutuksia, voidaan havaita, että epähomogeenisten rakenteiden vaikutukset ovat huomattavia varsinkin silloin, kun ärsytyskentät läpäisevät erilaiset rakenteet. Tulokset simulaatioista, joissa tutkittiin menetelmän käytettävyyttä kudosten karakterisointiin, osoittavat selvästi kuinka hyvin eri pehmytkudokset (esim. terve ja kalkkiutunut kudos) voidaan erotella USAE -menetelmällä.
Tutkielman tärkein johtopäätös on se, että epähomogeenisten rakenteiden aiheuttamiin vaikutuksiin tulee kiinnittää huomiota menetelmää simuloitaessa ja käytettäessä, koska nämä rakenteet vaikuttavat merkittävästi syntyneeseen simulaatiokenttään. Materiaalien karakterisointia ajatellen menetelmä näyttäisi olevan hyvin potentiaalinen uudeksi kliiniseksi menetelmäksi esim. kaulavaltimoiden kalkkeutuneisuuden havaitsemiseen.

Bioresorbable Material for Spinal Surgery
Mikko Huttunen
Tampereen teknillinen korkeakoulu, Materiaalitekniikanosasto/ Biomateriaalitekniikan laitos

The aim of this study was to develop a bioactive and resorbable composite material that can be used in spinal surgery. The focus was on the development of medical implants called fusion cages, which serve in situ as devices that help adjacent vertebrae to ossify together. To function properly fusion cages must be made of a material that can withstand stresses focused onto instrumentation site between vertebrae. As the fusion operation removes the motion segment between the adjacent vertebrae, the compression strength of an implant material is a crucial mechanical property in determining whether or not an implant survives in situ.
Fusion cages with four different structures were made. The raw materials used were PLA70 granules, ß-TCP powder and prefabricated PLA96 fibers. PLA70 was a matrix material and the reason for adding ß-TCP was to increase the bioactivity of the composite. The function of PLA96 fibers was to reinforce the composite. PLA70 and ß-TCP were mixed using a twin screw extruder and different degrees of admission were tested. The final shape of the implant was made by means of compression moulding. A 24 week in vitro follow-up was carried out in simulated body fluid (SBF K9) and compression properties as a function of time in vitro were measured. The pH of the solution and masses of in vitro specimens were measured every second week. The stiffness of material combinations was studied using the Charpy impact strength method. Changes in surface morphology were examined using Scanning Electron Microscopy (SEM). Thermal properties were studied using Differential Scanning Calorimetry (DSC) and molecular weights were measured using Gel Permeation Chromatography (GPC).
All structures demonstrated bioactivity in vitro and there were no significant differences in bioactivity in between samples containing 25 and 50 wt-% (12 and 30 v-%) of ß-TCP. Reinforcing PLA96 braids in structures had no adverse effect on bioactivity. However, the presence of PLA96 braids enhanced strength retention of the composites and the amount of ß-TCP in composite structures effected on the strength retention properties of in vitro specimens. At 24 weeks, in vitro specimens of 25/75 (25 wt-% ß-TCP/ 75 wt-% PLA70) lost on average 7 % of their initial compression strength, whereas braid reinforced specimens (25/75 + braids) lost on average 18.7 % of their initial strength. For specimens containing 50 wt-% ß-TCP, the decrease was greater; an average of 42.3 % for 50/50 and an average of 42.5-% for 50/50 + braids.
Though strength retention was significant, even the weakest in vitro specimens demonstrated adequate strength properties after hydrolysis and all the specimens demonstrated bioactivity. Therefore the composite may be a potential material for fusion cage implants.

Magneettikuvauksen laadunvalvonta standardifantomeilla
Toni Ihalainen
Helsingin yliopisto, Fysikaalisten tieteiden laitos / HUS Kuvantaminen

Magneettikuvauksen laadunvalvonta usean magneettikuvauslaitteen organisaatiossa on usein epäyhtenäistä. Laitteiden keskinäinen vertailu on vaikeaa standardimenetelmien ja –välineiden puuttumisen vuoksi. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli laatia standardifantomeita käyttäen pitkän aikavälin laadunvalvontaprotokolla ja suorittaa sen mukaiset mittaukset seitsemällä eri magneettikuvauslaitteella. Tärkeimpänä tavoitteena laitteiden akuutin toimintakunnon selvittämisen lisäksi oli laitteiden keskinäisen vertailun mahdollisuuden selvittäminen.
Tarkasteltavat magneettikuvauslaitteet olivat kolmen eri laitevalmistajan tuotteita ja yhtä lukuunottamatta kliinisessä käytössä. Niiden kenttävoimakkuudet olivat 0,23-3,0T. Fantomeina käytettiin Euroopassa yleisesti käytettyjä Eurospin-fantomeita, joiden asettelun helpottamiseksi teetettiin tarpeen mukaiset muovikappaleet. Tutkittavat parametrit olivat kuva-alan tasaisuus, haamuartefaktat, signaali-kohinasuhde ja sen tasaisuus kuva-alassa, geometrinen vääristymä, leikkeen paksuus, leiketason vääristymä, leikkeen sijainti, resoluutio, relaksaatioaikojen T1 ja T2 tarkkuus sekä kontrasti-kohinasuhteet. Menetelmät parametrien määrittämiseksi saatiin fantomien käsikirjasta, laitevalmistajien suosituksista sekä tieteellisestä kirjallisuudesta. Parametrit määritettiin kolmessa leikesuunnassa. Kaikissa mittauksissa käytettiin samoja fantomeita ja kuvaussekvenssejä. Yhdellä laitteella suoritettiin uusi mittaus kahden viikon kuluttua menetelmän toistettavuuden tarkastelemiseksi. Kuvien analysointi suoritettiin tarkoitusta varten kehitetyllä tietokoneohjelmalla.
Laitteiden havaittiin olevan riittävän hyvässä kunnossa kliiniseen kuvaukseen, vaikka puutteitakin havaittiin. Kuva-alan tasaisuus oli koronaalileikkeessä yhdellä laitteella vain 20% ja kolmella laitteella 60-70%. Yhdellä laitteella havaittiin sagittaali- ja koronaalileikkeissä huomattava geometrinen vääristymä kuva-alan reuna-alueilla. Leikkeen paikan osoittavien kohdistuslaserien havaittiin olevan epäluotettavia. Eurospin-fantomien todettiin soveltuvan kuvien automaattiseen analysointiin, mutta tämä vaatii erityisen tarkkaa fantomien asettelua. Mittausten toistettavuustarkastelussa saavutettiin noin 5%:n tarkkuus. Laitteiden vertailemisen mahdollistava tutkimus, jonka toteuttaminen havaittiin mahdolliseksi, on tarpeen magneettikuvantamisen laadun harmonisoimiseksi koko usean magneettikuvauslaitteen organisaatiossa. Lisäksi kuvien jälkikäsittelyn, automaattisen analysoinnin sekä kvantitatiivisen kuvantamisen lisääntyessä on entistä tärkeämpää kiinnittää huomiota magneettikuvauksen laadunvalvontaan.

Sine: a Wireless Signaling Network
Janne Kivijärvi
Helsinki University of Technology, Applied Electronics Laboratory

The goal of the SINE project was to create a wireless signaling network suited for low bit rate, low duty cycle alarm and status data transfer applications. Applications for such a system are commonly found as a wire replacement especially in home and building automation. For reliability, the network was required to be able to notice broken links. The network had to be inexpensive to manufacture, install and maintain.
Also, an optional connection to a data processing server or other networks had to be considered. The realised network comprises of inexpensive short-range radio devices (SRDs) capable of unidirectional signaling. For low cost of usage, a licence-free radio frequency (433.92 MHz) was used. In its basic form the network has one receiver listening to several transmitters. Even when idle, the transmitters send a periodical control signal to verify link quality. The period is unique for each transmitter. In alert mode transmissions occur more frequently with another unique period. The protocol is simple enough to be implemented on inexpensive microcontrollers. The modulation technique used allows for the use of simple and physically small radio circuitry. The network can be further connected to other networks or servers via a simple serial port in the receiver. The network was installed in a harsh industrial environment where all sensor actions and receiver responses where recorded and later analysed. All intentionally generated breaks were noticed by the receiver and no unintentional breaks occured. The effect of inevitable radio transmission was not noticeable to the user. The system successfully transfers alarm signals and notifies the user of faults. The protocol was implemented on an inexpensive microcontroller and the hardware was realized using inexpensive components fitted in standard casings used building electric installments. Thus the network was found to fill its expectations.

Funktionaalisten aivokuvien liikekorjaus aivopintojen avulla
Anu Kivimäki
Tampereen teknillinen korkeakoulu, Signaalinkäsittelyn laitos

Kuinka verrata kahta kolmiulotteista aivokuvaa toisiinsa, jos ei tiedetä onko molemmissa kuvissa pään asento sama? Lääketieteellisen kuvauksen kesto voi olla tunteja, minkä aikana potilaan tulisi olla liikkumatta. Tässä työssä tarkasteltiin positroniemissiotomografia- eli PET-kuvausmenetelmällä tuotettuja aivokuvia, sekä näiden kuvien välisiä liikevirheitä.
Työn tarkoitus oli tarkastella mukautuvalla pintamallilla haettujen aivopintojen soveltuvuutta kuvafuusioon sekä liikekorjaukseen. Toinen tarkoitus oli verrata pintojen avulla tehtyä kohdistusta vokseliarvoihin perustuvaan menetelmään. Työn lähtökohta oli, että saman henkilön aivot eivät muuta muotoaan, ainoastaan pään asento eri tutkimusten välillä muuttuu. Tällöin hakemalla mukautuvalla pintamallilla kuvista aivopinnat ja kohdistamalla löydetyt pinnat toisiinsa, saadaan liikevirheet korjattua. Pintojen kohdistamista varten toteutettiin MatLabÒ-ohjelmistolla ohjelma, joka käyttää hyväksi lähimpien pisteiden kohdistamisalgoritmia (Iterative Closest Point Matching.) Saatuja tuloksia vertailtiin yleisesti käytössä olevan kohdistusmenetelmään AIR:iin. Kohdistaminen AIR:lla perustuu kuvien sisältämien vokselien intensiteettiarvoihin ja on menetelmänä hyvin erilainen kuin pintoihin perustuvat menetelmät.
Mukautuvien pintamallien todettiin soveltuvan kuvafuusioon, sekä liikevirheiden kompensointiin, mutta kehittämistä vielä jäi menetelmällä saatujen tulosten parantamiseksi samalle tasolle kuin vertailumenetelmäksi valitulla AIR:lla.

Mallikirjaston käyttäminen MR-leikekuvien segmentoinnissa
Juha Koikkalainen
Teknillinen korkeakoulu, lääketieteellisen tekniikan laboratorio

Segmentoinnin tavoite on jakaa kuva alueisiin, jotka ovat homogeenisia yhden tai useamman piirteen tai ominaisuuden suhteen. Segmentoinnilla voidaan esimerkiksi erottaa kuvassa olevat elimet, kudostyypit tai patologiat toisistaan. Segmentointia tarvitaan mm. sädehoidon annossuunnittelussa, leikkauksien simuloinnissa ja suunnittelussa, erilaisten kohteiden havaitsemisessa sekä aivojen kehityksen tutkimisessa. Eräs yleisesti käytetty segmentointimenetelmäryhmä on muotoutuviin malleihin perustuvat menetelmät.
Työn tavoite oli tutkia, voidaanko muotoutuviin malleihin perustuvan segmentoinnin tarkkuutta parantaa menetelmällä, jossa mallikirjastosta valitaan segmentointialgoritmin a prior-malliksi se malli, joka on samankaltaisin segmentoitavan kuvan kanssa. Kohdekuva, joka haluttiin segmentoida, kohdennettiin ensin samaan koordinaatistoon mallikirjaston kuvien kanssa.
Alustavan kohdennuksen tekemiseen testattiin kahta kohdennusmenetelmää. Tämän jälkeen valittiin lopullisessa segmentoinnissa käytettävä malli samankaltaisuusmittojen arvojen perusteella. Työssä testattiin yli kolmeakymmentä erilaista samankaltaisuusmittaa, jotka käyttivät joko kuvien harmaasävy- tai reunainformaatiota. Lisäksi samankaltaisuusmittoja yhdistettiin regressioanalyysillä tavoitteena parantaa mallinvalinnan suorituskykyä yhdistämällä eri mittojen toisiaan täydentävä informaatio.
Menetelmän validointiin käytettiin kahta muotoutuviin malleihin perustuvaa elastisen muunnoksen suorittavaa segmentointialgoritmia. Mallikirjasto koostui manuaalisesti segmentoiduista MR-leikekuvista. Menetelmää testattiin sekä aivo- että sydänkuvilla. Tulokset osoittavat, että esitetyllä menetelmällä saatiin segmentointitarkkuutta parannettua suhteessa siihen, että segmentoinnissa käytettävä malli olisi valittu satunnaisesti mallikirjastosta. Kummallakin segmentointialgoritmilla kaikkien segmentoitavien kohteiden tapauksessa oli segmentointivirheen pieneneminen tilastollisesti merkitsevää, kun mallinvalinnat tehtiin parhailla samankaltaisuusmitoilla.
Mallinvalinta voidaan suorittaa siten, että segmentointiin tarvittava kokonaislaskenta-aika ei juurikaan kasva. Muotoutuviin malleihin perustuvissa segmentointimenetelmissä segmentointitarkkuuteen vaikuttaa merkittävästi alustuksen hyvyys ja a prior-tiedon tarkkuus. Käyttämällä mallikirjastoa voidaan segmentointitarkkuutta parantaa tilastollisesti merkitsevästi valitsemalla segmentoinnissa käytettävä a prior-malli erikseen jokaiselle kohdekuvalle etsimällä mallikirjastosta kohdekuvan kanssa samankaltaisin malli. Esitetty menetelmä on yksinkertainen, nopea ja se mahdollistaa suuretkin erot segmentoitavien kohteiden muodossa. Esimerkiksi kohteen topologia voi vaihdella, jos nämä variaatiot ovat edustettuina mallikirjastossa.

Ultraääni-indentaatiomenetelmä ja -instrumentti nivelruston laadun arviointiin
Mikko Laasanen
Joensuun yliopiston fysiikan laitos ja Kuopion ylipiston anatomian laitos

Nivelrikko on erittäin yleinen liikuntaelimistön sairaus, jonka ensimmäisiä merkkejä ovat niveltyviä luita suojaavan nivelrustokudoksen proteoglykaanien (PG:n) väheneminen, kollageenisäikeistön vaurioituminen ja ruston alaisen luun tiivistyminen. Näiden muutosten seurauksena rustokudos pehmenee ja altistuu pysyville vaurioille. Nivelrikon diagnosointi tapahtuu nykyään niveltähystyksen ja röntgen- tai MRI-kuvauksen perusteella. Nämä menetelmät ovat luonteeltaan kvalitatiivisia eivätkä ole riittävän herkkiä alkavan kudosvaurion havaitsemiseksi. Tässä tutkielmassa kehitettiin ja validoitiin uusi tekniikka sekä rakennettiin instrumentti, jossa yhdistyvät mekaaninen aineenkoestus (ns. indentaatio) ja ultraäänen käyttö rustokudoksen paksuuden, jäykkyyden ja akustisten ominaisuuksien määrittämiseksi. Instrumentin suunnittelussa tähdättiin polven niveltähystyksen yhteydessä tapahtuvaan käyttöön.
Ultraääni-indentaatiomittauksessa rustoa painettiin pienellä 10 MHz ultraääniluotaimella ja painamisvoima rekisteröitiin venymäliuskakytkennän avulla. 500 MHz:n AD-muuntimen avulla päästiin puristuman määrittämisessä 1.6 µm tarkkuuteen. Instrumenttia testattiin kuminäytteillä ja naudan nivelrustolla in vitro. Rustonäytteiden (n=17) rakennekomponentteja vaurioitettiin kohdennetusti trypsiini- (voimakas PG:n väheneminen ja lievä kollageenivaurio), kondroitinaasi-ABC- (PG:n väheneminen) tai kollagenaasientsyymillä (kollageenivaurio). Kudoksen paksuus määritettiin äänennopeuden ja kulkuajan tulona. Äänennopeuden vaihtelun vaikutusta paksuus- ja jäykkyysmittaustuloksiin simuloitiin yksifaasisen elastisen rustomallin avulla. Ultraääni-indentaatioinstrumentin avulla voitiin määrittää luotettavasti kumin paksuus ja dynaaminen (jäykkyys) moduli. Trypsiini pienensi nivelruston dynaamista modulia 31% (p<0.05, Wilcoxontesti) ja kollagenaasi 23% (p=0.08). Ruston puristumisnopeus (creep-arvo) kasvoi PG:n vähentymisen funktiona (trypsiini: +118%, p<0.05, kondroitinaasi: +25%, p=0.17). Ultraäänen heijastuminen rustopinnalta pieneni kollageenisäikeistön vaurion funktiona (kollagenaasi: -54%, p<0.05, trypsiini: -17%, p=0.08). Mittausparametrien toistettavuus (standardoitu variaatiokerroin) oli 1-10% Suurin havaittu muutos äänennopeudessa oli entsyymikäsitellyjen jälkeen -3.6% (kollagenaasi-näyte). Mikäli äänennopeuden muutosta ei huomioida ultraääni-indentaatiossa, muutos aiheuttaa +3.7%:n virheen määritettyyn paksuuteen ja +0.04%:n virheen dynaamiseen moduliin.
Tutkielmassa esitetyn menetelmän avulla voidaan erotella toisistaan nivelruston PG:n väheneminen, pinnallisen kollageenisäikeistön vaurio ja normaali kudos. Tämä on merkittävää, koska PG:n vähentymiseen liittyvän rustonvaurion uskotaan olevan palautuvaa, mutta kollageenisäikeistön vaurioituminen on palautumatonta. Instrumenttia voitaisiin käyttää rutiininomaisen tähystysleikkauksen yhteydessä niille henkilöille, joilla epäillään olevan alkava nivelrikko tai rustokudosmuutoksia esimerkiksi jalan pitkittyneen immobilisaation jälkeen.

Measuring And Analysing Cardiac Performance With Chair-type BCG Unit
Lasse Leppäkorpi
Helsinki University of Technology, Applied Electronics Laboratory

Aim of the study is the evaluation of cardiac performance with non-invasive chair-type ballistocardiography (BCG) measuring device combined with effective signal analysis. The chair-type apparatus is introduced and it is shown that accuracy of measurement can be achieved to be the same level as it is with bed type devices. Variation in signal amplitude caused by ventilation can be taken into account by signal analysing methods.
The small forces transferred from the body are measured by means of a sensitive strain gauge. Three transducers are most commonly used in ballistocardiographic measurements. Instead of three, only one transducer was placed under the seat of the chair. A BCG signal amplifier was implemented precise by using modulation and shifting half of the gain to a higher 1 kHz frequency. Amplification of 120 dB was reached. Coarse filtering of signal was established in amplifier to avoid noise coupling to acquisition. Signal was further filtered with computer based filtering algorithms to attain an appropriate signal bandwidth, 300 mHz - 20 Hz. The response of the chair was tested with reference excitation. The used reference signal was sinusoidal and adjustable between 300 mHz - 75 Hz. The BCG signal was also transferred via internet and it was possible to controll the measurement remotely.
When the response of the whole apparatus was measured it seemed that the distortion of the sinusoidal reference signal was noticeable at about 12 Hz. This was interpreted to be consequence of oscillation caused by backseat of the chair. Distortion of the reference signal did not affect much the waveform of the BCG signal. This assumption has been made by comparing the signal waveform to the previous measurements and to those found from literature. Based to this assumption the results of the measurements are accurate enough for reliable signal analysis.
Development of the chair has reached the point where it can be seen that measuring a BCG signal is accurate enough at least for athletes to monitor their cardiac performance. Possible medical applications may also be considered. These include for example facilities to use BCG for monitoring aging of the heart and to determine cardiac output/stroke volume with help of BCG. The non-invasiveness also gives abilities to monitor function of the heart of the patient via a communications network revealing many new remote health care applications. Because the patient does not need any medical personnel to measure the BCG, monitoring of the heart could be done via internet or some other connection in the future.

Monielementtisen ultraäänilähteen rakentaminen, karakterisointi ja mallinnus
Jarkko Leskinen
Kuopion yliopisto, Sovelletun fysiikan laitos, Lääketieteellisen ultraäänitekniikan laboratorio

Nykyaikaiset lääketieteelliset ultraäänianturit hyödyntävät monielementtisyyttä ja vaiheistusta. Tässä pro gradu -tutkielmassa rakennettiin 15-elementtinen kurvilineaarinen, terapeuttisesti hyödynnettävä ultraäänilähde. Lähteen toimintaa tutkittiin mittauksien ja simulaatioiden avulla. Työn tarkoituksena oli tutustua monielementtisten lähteiden rakentamiseen sekä lähteiden toimintaan vaikuttaviin eri parametreihin. Rakennusprojektilla ja sen sisältämällä teoreettisella tarkastelulla pyrittiin hankkimaan tietoa tulevaisuuden rakennusprojekteja varten. Valmis lähde soveltuu yhdistettäväksi monikanavaiseen ajoelektroniikkaan, jota olemme hankkimassa laboratorioomme.
15-elementtinen ultraäänilähde rakennettiin kaarevan akryyliaihioon, jonka kaarevuussäde on 100 mm. Lähde-elementteinä käytettiin suorakulmaisia PZT-elementtejä, jotka istutettiin akryyliaihioon silikonilla. Lähteen elementeille suoritettiin taajuus- ja teho-ominaisuuksien karakterisoinnit impedanssi- ja säteilypainemittauksien avulla. Valmiilla, 505 kHz taajuudella toimivalla lähteellä suoritettiin painekentän mittauksia hydrofonin avulla. Mittaukset koostuivat fokusalueen mittauksista sekä elementin ja akryyliaihion pinnan värähtelyn mittauksista. Lisäksi rakennettu lähde mallinnettiin Rayleigh-integraalin avulla. Simulaatioihin yhdistettiin hydrofonimittauksin saatua tietoa lähteen toiminnasta EPAM-menetelmän mukaisesti. EPAM-menetelmässä (Equivalent Phased Array Method) simulaatiota täydennetään mitatulla elementin värähtelyjakaumalla (nopeus ja vaihe).
Impedanssi- ja tehomittaukset osoittivat elementtien hyötysuhteen jäävän varsin alhaiseksi, noin 30 prosenttiin, johtuen elementtien epäedullisista dimensioista. Lähde muodosti selkeän fokusalueen 100 mm etäisyydelle lähteen pinnalta. Hydrofonimittaukset vahvistivat, että elementti ei värähdä täysin vakiovaiheella ja -amplitudilla. Vierekkäisten elementtien kytkeytyminen havaittiin vähäiseksi. Yhdistämällä simulaatioihin tietoa elementin värähtelyjakaumasta, voitiin mitattujen ja simuloitujen painekenttien yhtenevyyttä huomattavasti parantaa.
Työssä tutustuttiin monielementtisen lähteen rakentamisen eri työvaiheisiin. Lisäksi työssä perehdyttiin lähteiden ja PZT-elementtien teoriaan. Tutkielma antoi siten tärkeää tietoa tulevaisuuden rakennushankkeille. Rakennettu lähde on myös erinomainen testilähde hankinnassa olevan monikanavaisen ajoelektroniikan testaukseen. Tällöin päästään hyödyntämään mahdollisuutta siirtää fokuspistettä kohteessa. Lähteen matala taajuus mahdollistaa fokusoinnin myös vaimentavien kohteiden läpi. Tällöin voidaan testata kuinka vaiheistuksella on mahdollista korjata vaimentavan väliaineen aiheuttamat ultraäänikeilan vääristymät.

Localization of Rhythmic Activity in the Human Brain: a Comparison of Three Different Methods
Mia Liljeström
Helsinki University of Technology, Brain Research Unit, Low Temperature Laboratory

The excellent temporal resolution of magnetoencephalography (MEG) makes it a good tool for investigating rhythmic activity in the human brain. However, the sources underlying the measured data cannot be unambiguously determined unless some additional constraints are imposed. Traditionally, the source locations have been estimated using sequential dipole modeling. Recently, two new methods for localizing rhythmic activity have been developed, Dynamic Imaging of Coherent Sources (DICS), and Frequency-Domain Minimum Current Estimation (MCEFD). With new methods for analyzing MEG data emerging, the researcher faces the problem of choosing an appropriate strategy. The aim of this thesis was therefore to compare the performance and reliability of the three methods.
The three methods are based on somewhat different assumptions. Sequential dipole modeling assumes that a single dipole is active at a given time instant, DICS utilizes a spatial filter in the frequency domain, whereas MCE uses a minimum-norm L1 approach. In this work the methods were evaluated using measured data from four healthy subjects, as well as with simulations of rhythmic activity. We found that the methods gave comparable results, and that all three methods localized the principal sources of oscillatory activity very well. In areas with more complex activation patterns the differences between the methods were clearer. In some cases DICS was found to be more sensitive to weaker sources than the other methods.
In the traditionally used dipole modeling the probable source areas must be defined a priori. Dipole modeling is, however, a powerful tool once appropriate subsets of sensors have been selected. DICS gives the possibility to investigate weaker sources by removing the field of previously located stronger sources. MCEFD provides simultaneous localization of sources and was found to give a good overview of the data. The most important issue yet to solve is how to obtain suitable and objective criteria for accepting and rejecting sources.

Instrumentation for Body Surface Potential Mapping
Mats Lindholm
Helsinki University of Technology, Laboratory of Biomedical Engineering

Multichannel devices are used in electrocardiography since it makes it possible to cover a large area of the thorax. This method, also called body surface potential mapping (BSPM), gives more accurate information about the electrical activity of the heart than the standard 12-lead electrocardiography. The localization of the current source that creates the measured electric signal is referred to as solving the inverse problem. The solution of this problem requires extensive numerical calculations and is usually done in the post-processing stage. A software that solves the inverse problem in real-time is being developed in Helsinki. The software could be used be used to localize and guide an ablation catheter during surgery. Normally, catheters are guided using x-ray fluoroscopy and radiation doses are high for both patient and surgeon. Guidance is crucial since an insertion of the catheter in the wrong ventricle is time consuming and might lead to complications. The software needs to be tested with real-time data and a BSPM simulator has therefore been designed and built in this thesis. The simulator is a hardware device with a slot for a flash memory card. Previously measured raw data is stored on the memory card before insertion into the slot. The raw data is first transferred to an onboard buffer memory before it is read into the computer memory by a commercial data acquisition card. All control signals were implemented using a programmable logic device.
The buffer memory, data acquisition card and communication protocols are similar to the ones used during a real BSPM measurement. The simulator is functional and currently in its intended use.

Prototyyppijärjestelmä PET-kuvien automaattiseen analyysiin
Jouni Luoma
Tampereen Teknillinen Korkeakoulu, Signaalinkäsittelyn laitos

Lääketieteellisten aivokuvien analysointi on työlästä ja altista virheille. Automaattisilla analysointimenetelmillä pyritään vähentämään tätä työmäärää sekä parantamaan analysoinnin toistettavuutta kehittämällä menetelmiä, jotka toimivat aina samalla tavalla. Tällä tavoin pystytään lisäämään tutkimuksissa käytettyä tietomäärää ja parantamaan tulosten tilastoitavuutta. Näillä ominaisuuksilla pyritään tulevaisuudessa esimerkiksi vähentämään lääketutkimuksen kuluja sekä nopeuttamaan uusien lääkeaineiden kehitystä.
Työn tavoite: Tämän työn tavoitteena oli saada aikaan automaattinen järjestelmä, jolla voidaan laskea positroniemissiotomografiakuvista alueellisia kvantitatiivisia arvoja ihmisen aineenvaihdunnasta. Tutkimuksen kohteena oli aivokuvia, joista pyrittiin laskemaan fluori-18 -merkityn deoksiglukoosin (FDG) kertymänopeutta aivokuoreen.
Käytetyt metodit: Kertymänopeuden löytämiseksi PET-aivokuvista eristettiin ensin aivokuoren alue käyttäen mukautuvia pintoja aivokuvan segmentointiin. Mukautuvilla pinnoilla suoritettu rakenteiden etsintä voitiin ajatella pinnan minimointiprosessina kuva-avaruudessa. Segmentoinnissa löytynyttä aivojen ulkopintaa käytettiin aivojen keskitason eli sellaisen tason etsintään, joka erottaa aivopuoliskot kuva-avaruudessa toisistaan. Keskitasoa apuna käyttäen muodostettiin mielenkiintotilavuudet(VOI), joiden sisältä kuva-arvoja haluttiin tutkia. Keskimääräinen kertymänopeus saatiin keskiarvona eri mielenkiintotilavuuksien kertymänopeuksista.
Tulokset: Työn tuloksena oli järjestelmä, jonka avulla etsittiin aivokuoren alue 17:stä FDG-18 merkitystä PET-aivokuvasta. Järjestelmä piirsi kuviin automaattisesti VOI:n sekä vasemman, että oikean aivopuoliskon aivokuo-relle. Näiltä alueilta laskettiin lopuksi FDG:n kertymänopeudet. Merkittävimpiä uutuuksia työssä olivat tapa vi-sualisoida mukautuvia pintoja minimoinnin eri vaiheissa sekä menetelmä aivojen keskitason etsimiseen.
Johtopäätökset: Tehdyllä järjestelmällä pystytään automaattisesti laskemaan kvantitatiivisia arvoja suoraan PET-kuvista. Saadut tulokset antoivat rohkaisua tutkia järjestelmän eri osa-alueita tarkemmin, jotta tuloksista saataisiin jatkossa yhä tarkempia.

Methods and Measurements for Relating MEG Responses to Human Hearing
Ville Mäkinen
Helsinki University of Technology, Department of Engineering Physics and Mathematics

The thesis work was carried out in the BioMag laboratory, Helsinki University Central Hospital Electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG) are non-invasive brain research methods that have been extensively used for studying the neural processes of human audition. Nevertheless, the relationship between sound-evoked MEG and EEG responses and perceptual sound detection has remained unestablished, thus hindering the use of these methods in clinical evaluation of the functionality of the human auditory system. This thesis is an investigation into the relationship, and the current work consists of two experiments together with the development of data analysis methods and associated software tools.
Sounds used in the first experiment had a logarithmically linear intensity slope (durations 1 s, 1.5 s and 2 s) with an undetectable onset level (–10 dB) and with a clearly audible (60 dB) offset level. Neural activity was recorded with 306-channel MEG (4-D NeuroimagingOy) and with three EEG electrodes. In the second experiment, the stimuli were constant-intensity sounds, with both detectable and undetectable levels, and the same MEG device was used for data recording. In both experiments, the subjects’ task was to press a response key when the sounds became audible. The specific analysis methods of this thesis work included: (1) categorisation of single trials according to behavioural reaction times with the subsequent forming of subaverages and (2) trial-by-trial spectral estimation. The latter was developed to provide a way to analyse auditory MEG or EEG data without signal averaging or recognition of specific evoked responses or their components. In the first experiment the stimuli, despite their smooth intensity slopes, evoked abrupt and prominent MEG responses. Similar responses were also observed with the EEG. While both the latencies of the MEG responses and the behavioural reaction times depended on the intensity slope of the sounds, importantly, the interval between the latency of the MEG response and the behavioural reaction time remained constant at 200 ms. Further, with selective averaging, the variance of the behavioural reaction times could be linked to latency variance of single trial sound-evoked MEG responses. In the second experiment, the sounds that were reliably detected elicited prominent N1m responses, whereas no responses were observed when the subjects failed to detect the sounds. With the reliably detected sounds, the latency of the averaged N1m response accurately predicted the reaction time and, moreover, increased variance in the reaction times was paralleled by increased variance in the single trial N1m responses. Trial-by-trial spectral estimation indicated that the spectral power of the MEG was significantly increased by sound-evoked brain activity compared to spontaneous activity. This estimation method also enabled visualisation of the dynamics of the single trial MEG responses and assessment of optimal low-pass filter values.
The results of this thesis work provide a direct relationship between sound-evoked MEG responses and perceptual sound detection. With this robust link between sound detection, the basic aspect of human hearing, and MEG responses, and with the current objective analysis methods, this work holds a promise of non-invasive assessment of the functionality of the human auditory system. This would be especially suited for dealing with hearing development in children and pre-speech infants, as well as with clinical patients with compromised responsive capabilities.

Imaging Spectroscopy in Fluorescence Measurements
Marianne Pietikäinen
University of Oulu, Finland, Department of Medical Technology, Faculty of Medicine

Abstract: In this study we introduce a new technique for visualising the fluorescent labelled livingcells. The method applies a spectrograph using the prism-grating-prism structure for gathering the spectral data. The technique was tested with fluorescent labelled live rat osteosarcoma ROS 17/2.8 cells. The results show that the fluorescence spectrum of the cells can be recorded with the presented method. Gathering spatial spectra of a living cell by the new technique may give a more detailed view over the fluorescence information than traditional fluorescence microscopy.
Materials and Methods: In this study the spectral images were obtained from live osteosarcoma cells, which were cultured for one day in 1 ml of a-MEM solution in glass bottom petri dishes. For the recording of the spectral data we added 30 µl of acridine orange concentrate (0.6 mg/ml of distilled water) to 1 ml of medium.
The sample was viewed with the Nikon TMD Diaphot inverted microscope with a FITC-filterset (B-2A, Ex 450-490, DM510, EM 520LP) (Nikon, Tokyo, Japan). The spectral images were obtained by using the ImSpector spectrograph (Spectral Imaging Ltd., Oulu, Finland), which utilises the unique prism-grating-prism (PGP) structure. The spectral data was recorded with Hamamatsu 4080 Cooled Slow Scan CCD camera (Hamamatsu Photonics K.K., Tokyo, Japan) and it was visualised with MCID M5 image analysis software (Imaging Research Inc., St. Catharines, Ontario, Canada).
In addition to the fluorescence spectra measurements an image scanning system was applied. The Eppendorf ECET Micromanipulator 5170 (Eppendorf AG, Hamburg, Germany) was modified to move the specimen in perpendicular direction to the line scan.
The spectral imaging system was calibrated by measuring the emission spectra of three different light sources: mercury-argon lamp, mercury-neon lamp and fluorescent lamp. The peaks from the spectral images were identified by comparing the achieved images with the known spectra of Ar, Hg and Ne. Since fluorescent light in interest is in the same wavelength area as these lamps, the identified peaks can be used to calibrate the fluorescence spectra. The success of the calibration was tested with a standard fluorescent dye, fluorescein-5-isothiocyanate (Molecular Probes Inc., Eugene, Oregon, USA).

Multimodaalisten aivokuvien kohdentaminen
Mika Pollari
Teknillinen korkeakoulu, lääketieteellisen tekniikan laboratorio

Diplomityön tavoitteena oli tutkia intensiteettiominaisuuksiin perustuvien kohdennusmenetelmien soveltuvuutta multimodaalisten aivokuvien kohdentamiseen. Tutkittaviksi menetelmiksi valittiin yhteisinformaatioon, normalisoituun yhteisinformaatioon ja korrelaatiosuhteeseen perustuvat kohdennusmenetelmät. Menetelmien tarkkuudet validoitiin ja lisäksi tutkittiin esikäsittely-, optimointi- ja interpolointimenetelmien vaikutuksia kohdennustarkkuuteen ja tarvittavaan laskenta-aikaan. Kohdennusmenetelmiä vertailtiin käyttämällä sekä simuloituja kuvia että potilaskuvia ja mittaamalla kohdennuksessa syntyvää virhettä ja laskenta-aikaa. Simuloituihin kuviin lisättiin kohinaa ja intensiteetti-epähomogeenisuutta, jolloin esikäsittelymenetelmien vaikutusta kohdennusvirheeseen voitiin tutkia. Kohinaa suodatettiin mediaanisuodatuksella ja anisotrooppisella difuusiolla ja intensiteettiepähomogeenisuutta korjattiin homomorfisella suodatuksella. Muotoutuvan kudoksen aiheuttamaa kohdennusvirhettä tutkittiin segmentoimalla muotoutuva kudos pois potilaskuvista. Optimointi- ja interpolointimenetelmien vaikutuksia selvitettiin vertaamalla eri tavoin saatuja kohdennustuloksia.
Tulokset osoittivat, että tutkittuja menetelmiä voidaan käyttää multimodaalisten aivokuvien kohdentamisessa. Anatomisten kuvien (MR ja TT) tapauksessa yhteisinformaatioon ja normalisoituun yhteisinformaatioon perustuvat menetelmät olivat hieman tarkempia kuin korrelaatiosuhteeseen perustuva menetelmä. Funktionaalisten (SPECT) kuvien tapauksessa korrelaatiosuhteeseen perustuva menetelmä osoittautui tarkimmaksi ja luotettavimmaksi kohdennusmenetelmäksi. Esikäsitelymenetelmistä ainoastaan muotoutuvan kudoksen poistamisen (segmentointi) havaittiin parantavan kohdennustarkkuutta. Vertailluista optimointimenetelmistä Powell-optimointi osoittautui anatomisten aivokuvien tapauksessa hieman tarkemmaksi kuin simplex-menetelmä, mutta SPECT-kuvien kohdennuksessa simplex-menetelmä oli luotettavampi. Interpolointi-menetelmistä selvästi parhaaksi menetelmäksi osoittautui osittaistilavuusinterpolointi. Kohdennustarkkuuden ja laskenta-ajan havaittiin riippuvan valitusta kohdennusmenetelmästä ja käytetyistä optimointi- ja interpolointimenetelmistä. Esikäsittelymenetelmien tutkiminen osoitti, etteivät intensitettiominaisuuksiin perustuvat kohdennusmenetelmät ole herkkiä kohinalle tai intensiteettivääristymälle. Sen sijaan muotoutuva kudos aiheuttaa vääristymän, jota jäykkä kohdennus ei pysty mallintamaan.

Menetelmiä EKG-kartoitusdatan analysointiin ja kartoitukseen
Matti Stenroos
Teknillinen korkeakoulu, Lääketieteellisen tekniikan laboratorio

Sydän- ja verisuonitaudit ovat yleisin kuolinsyy teollisuusmaissa. Sepelvaltimotauti voi johtaa infarktiin, josta seuraa usein alttius tappaville kammiorytmihäiriöille. Rytmihäiriölähteitä etsitään mittaamalla sähköistä aktivaatiota sydämen sisäpinnalta ja tahdistamalla sydäntä elektrodikatetreilla. Katetrit paikannetaan röntgenläpivalaisun avulla ja niitä ohjataan kohti rytmihäiriölähdettä aktivaatiomittausten ja elektrokardiogrammin (EKG) avulla.
EKG:n mittaamista kymmenillä elektrodeilla kutsutaan EKG-kartoitukseksi. Tässä työssä kehitettiin menetelmiä, joiden avulla pyritään lisäämään EKG-kartoituksen käyttöä kliinisessä tutkimuksessa ja hoidon tukena. Menetelmiä voidaan käyttää mm. tahdistuskatetrin tai rytmihäiriölähteen paikantamiseen. Tavoitteena on nopeuttaa rytmihäiriön paikantamista ja vähentää läpivalaisun käyttöä.
Tehtiin tietokoneohjelmat EKG-kartoitusdatan katseluun sekä datan kolmiulotteiseen interpolointiin ja visualisointiin kolmioverkkomallien pinnalla. Ohjelmat toteutettiin C-kielellä LabWindows-kehitysympäristössä, 3D-kuvanmuodostukseen käytettiin OpenGL-kirjastoa.Visualisointiohjelmasta toteutettiin sekä monipuolinen kehitysversio että suppeampi, kliiniseen käyttöön sopiva versio. Datankatseluohjelma BSPMtools havaittiin luotettavaksi ja helppokäyttöiseksi. Lisäksi toteutettiin PC-versio tutkimusryhmässämme kehitetystä reunaelementtilaskimesta. Toteutetulla DipoleFitter-ohjelmalla voidaan määrittää dipolaarisen sähkökentän lähde. Dipolin paikannuksessa käytettiin kustannusfunktiota ja sen tiheysfunktiomallinnusta, ja menetelmiä testattiin simuloidulla datalla. Paikannustulokset vähäkohinaisella datalla olivat hyviä, kohinaa lisättäessä etenkin tiheysfunktiomenetelmän virheet kasvoivat.

Microdosimetry and its Application in epithermal Neutron Beam
Jouni Uusi-Simola
University of Helsinki, Department of Physical Sciences

Although the principles of experimental microdosimetry are well known and described, its application in the dosimetry of boron neutron capture therapy (BNCT) is a challenging task. The aim of this study is (1) to provide basic understanding about the theory and practical principles of experimental microdosimetry, and (2) to assess the validity of a newly acquired microdosimetry system in dosimetry of the epithermal neutron beam at FiR 1 facility in Otaniemi. The beam is used for irradiations in clinical trials for boron neutron capture therapy.
To achieve the aims (1) general theory and practical principles of experimental microdosimetry are reviewed paying special emphasis on applications in epithermal neutron beams, and (2) results of the implementation of the system in the dosimetry of an epithermal neutron beam are presented with estimated uncertainties.
Determined gamma and neutron absorbed dose rates in cubic water phantom are compared to results obtained with ionisation chambers and computer simulations. Measured microdosimetric dose distributions were calibrated using proton edge of the spectra, which corresponds to the maximum energy that a proton can deposit within the active volume of the detector. Spectra were extrapolated below measurement threshold by fitting a lineal energy gamma spectrum from a cobalt-60 source. Total absorbed dose was separated into gamma and neutron components. Absorbed dose to brain tissue by both components was determined by applying correction for energy absorption, stopping powers and kerma factors. Results were normalised to beam monitor count rate and compared to ionisation chamber measurements and to computer simulations.
The use of proton edge for calibration and cobalt gamma spectrum for fitting procedure were found consistent. The estimated uncertainty of the method (8.1% and 7.2% for gamma and neutron dose, 1sd.) compares well with other dosimetry methods applied in BNCT. However, the preliminary results show greater disagreement when compared to ionisation chamber measurements and to computer simulations. The detector is too sensitive for the dose rate in clinical epithermal neutron beam. Thus the results were measured with 10-100 times lower beam intensities and scaled up using beam monitoring system as reference. Results seem to imply that this scaling may be a cause of error. Use of a less sensitive detector would allow measurements at higher fluence rates, reduce the positional uncertainty and lessen the disturbance caused by the detector.

MR-yhteensopivan kirurgisen robotin anturoinnin kehittäminen
Jani Virtanen
Oulun yliopisto, konetekniikan osasto

Oulun yliopiston konetekniikan osastolla kehitetään magneettikuvauslaitteeseen soveltuvaa kirurgista robottia. Robottia pystyttäisiin käyttämään muun muassa aivoleikkauksissa samanaikaisesti kuvauslaitteen kanssa. Tällöin leikkauskohtien paikantaminen yhä tarkentuisi ja säästettäisiin tervettä aivokudosta. Robotin kehittämisessä päähuomio on magneettisessa sopivuudessa. Kun robotti suunnitellaan MR-yhteensopivaksi, ovat materiaalit tärkeässä osassa. Kuvantamisalueella ei saa esiintyä magneettisia materiaaleja, koska ne aiheuttavat kuvanlaadun heikkenemistä. Myös sähkövirrat aiheuttavat magneettisuutta, siksi kuvantamisalueella ei saa olla sähköisiä laitteita.
Työssä on pyritty kehittämään robotin magneettiseen kenttään joutuvan nivelen kulma-anturia epämagneettiseksi laserien ja valokuidun avulla. Pääasiallisena tarkoituksena se, että elektroniikka siirretään kauemmas kuvausalueelta. Lisäksi anturin sijoittamista tähän niveleen sekä erään kuituoptiikalla toimivan voima-anturin toimintaperiaatetta on hahmoteltu. Molemmista antureista tehtiin toimiva prototyyppi. Kulma-anturin toimivuutta vertailtiin referenssinä toimivaan kaupalliseen pulssianturiin Avainsanat: MR-yhteensopivuus, robotiikka MRI, anturi, valokuitu, fotodiodi.

Anturien langaton lukutekniikka
Jukka Voutilainen
Teknillinen korkeakoulu, Sovelletun elektroniikan laboratorio

Tutkimuksen tavoitteena on kehittää langatonta tiedonsiirto- ja tehonsyöttötekniikkaa jota voitaisiin käyttää sekä passiivisten että aktiivisten anturien etälukuun mm. biotekniikassa. Lähtökohtana on tarve ohjata anturien toimintaa ja lukea niiden antama informaatio tutkittavan rakenteen, kuten kudoksen, ulkopuolelta noninvasiivisesti.
Tutkittu tekniikka perustuu induktiiviseen kytkeytymiseen anturien ja erillisen lukulaitteen välillä. Tämä mahdollistaa energian ja signaalien siirtämisen lähietäisyydellä erilaisten materiaalien läpi. Tutkimuksen kannalta tärkeitä teknologia-aloja ovat RF-tekniikka, erityisesti RFID, sekä digitaalinen signaalinkäsittelytekniikka.
Tutkimuksen tuloksena on kehitetty passiivisia antureita mittaamaan ympäristönsä kosteutta sekä kannettava lukulaite anturien paikallistamiseen ja langattomaan lukemiseen. Nykytilanteessa anturit voidaan lukea paristokäyttöisellä lukulaitteella noin 70 mm syvyydeltä tutkittavasta materiaalista väliaineen ollessa betoni. Mittauskonsepti on havaittu toimivaksi. Kehitettyä järjestelmää on sovellettu Terve Talo-projektin yhteydessä rakennusten homevaurioiden ennakoimiseen. Kehittämällä anturitekniikkaa, voidaan menetelmää soveltaa myös muiden suureiden kuin kosteuden mittaamiseen. Parhaillaan käynnissä olevan jatkotutkimuksen kohteena on myös lukuetäisyyden ja -tarkkuuden parantaminen tehokkaamman mittausalgoritmin avulla.