Osteoporoosi
on yleinen tuki- ja liikuntaelinsairaus, joka aiheuttaa merkittäviä
kansantaloudellisia kustannuksia. Viime vuosikymmenen aikana laajalti
käytettyjen kaksienergisten röntgen-absorptiometrien (DXA) ohella luun
laatua on pyritty arvioimaan kliinisesti myös ultraäänen käyttöön perustuvilla
laitteistoilla. Ne ovat kannettavia, suhteellisen halpoja ja eivät tuota
ionisoivaa säteilyä. Useimmissa kliinisissä ultraäänisovellutuksissa
määritetään transmissiomittauksen avulla ultraäänen laajakaistainen
vaimeneminen (Broadband Ultrasound Attenuation, BUA) sekä nopeus (Speed
of Sound, SOS) kantaluussa. Näiden parametrien pohjalta tehdään arvio
luun laadusta. Tämän Pro gradun tavoitteena oli tutkia ultraäänen takaisinsironnan
(Broadband Ultrasound Backscatter, BUB) ja heijastuksen (Integrated
Reflection Coefficient, IRC) kykyä ennustaa luun tiheyttä ja mekaanisia
ominaisuuksia naudan hohkaluusta valmistetuista näytteistä (näytemäärä
= 41). Lisäksi työssä tutkittiin näiden parametrien ja yleisesti käytettyjen
kliinisten ultraääniparametrien välisiä riippuvuussuhteita. Työssä määritettiin
luun akustisten parametrien ja mineraalitiheyden (Bone Mineral Density,
BMD) (g/cm2) ohella myös näytteiden mekaanisiin ominaisuuksiin liittyviä
parametreja (mm. murtolujuus ja elastinen moduli).
IRC:n ja BUB:n mittausten toistettavuudet (standardoitu variaatiokerroin,
1.5% ja 3.5%) olivat vertailukelpoisia normalisoidun BUA:n (nBUA) ja
SOS:n mittausten kanssa (2.3% ja 0.5%). BUB:n ja volumetrisen BMD:n
(g/cm3) välillä oli positiivinen lineaarinen korrelaatio (r = 0.61).
Korrelaatio oli tilastollisesti merkitsevä myös Youngin modulin (r =
0.40) ja murtolujuuden (r = 0.40) kanssa. IRC ja SOS olivat vahvasti
riippuvia (r = 0.79 0.92) luun tiheydestä ja mekaanisista ominaisuuksista.
Tilastolliset testit osoittivat että nBUA on huono naudan luun tiheyden
ja mekaanisten ominaisuuksien ennustaja.
IRC ja BUB ovat käyttökelpoisia parametreja luun tiheyden, rakenteen
ja mekaanisten ominaisuuksien arvioimiseksi. Näiden parametrien etuna
on se, että ne voidaan määrittää yhdellä ultraääniluotaimella suoritettavalla
heijastusmittauksella toisin kuin SOS ja BUA. Mittaus on periaatteessa
mahdollinen tyypillisistä osteoporoottisista murtumapaikoista (esim.
reisiluun kaula) ja luun koko ei vaikuta määritettyihin tuloksiin. Täten
takaisinsironta- ja heijastusmittauksella voi olla kliinistä merkitystä
osteoporoosin diagnostiikassa. Jatkotutkimusten avulla tulisi selvittää
voidaanko takaisinsirontamittauksilla saada sellaista tietoa luun rakenteesta,
koostumuksesta ja mekaanisista ominaisuuksista, jota ei DXA- menetelmällä
tai nykyisillä kliinisillä ultraäänimittauksilla saada. Myös takaisinsironta
mittausten optimaalisen taajuusalueen löytäminen on tärkeää.
INTRODUCTION: Osteoarthritis (OA) impairs joint and articular cartilage
function of approximately 1.4% of total population in Finland. Microscopy
provides good possibilities for the investigation of cartilage structure;
however it cant detect functional changes of the tissue that are sensitively
altered during articular cartilage degeneration. This task necessitates
experimental mechanical testing and modeling. Combination of microscopy
and modeling could improve prediction of tissue stresses and strains
as well as improve diagnosis of OA. However, present theoretical models
include highly simplified tissue structure and cannot accomplish this
task.
AIMS OF THE STUDY: The aim of the present thesis was to introduce a
fibril reinforced poroviscoelastic model for articular cartilage by
including tissue structure with realistic collagen fibril orientation
and to investigate relationships between the mechanical and structural
parameters of articular cartilage. Ultimately, this can lead to the
estimation of material properties of cartilage without actual invasive
mechanical test.
METHODS: Cylindrical cartilage samples (n=22) were harvested from different
locations of bovine knee and shoulder joints. Using polarized light
microscopy for the estimation of collagen orientation, and measured
sample diameters, individual models were constructed for each sample.
Mechanical unconfined compression experiments were performed and corresponding
models were fitted to the experimental data with developed optimization
routine to determine mechanical parameters for each cartilage sample.
Fourier transform infra-red imaging (FTIRI) and digital densitometry
(DD) were used for the evaluation of articular cartilage structure.
RESULTS: Mechanical and structural parameters showed significant interrelationships.
Initial and straindependent fibril network moduli as well as initial
permeability correlated significantly with the FTIRIdetermined collagen
content. The equilibrium Youngs modulus as well as the permeability
exponential factor correlated significantly with the DD-determined proteoglycan
content.
CONCLUSIONS: The present thesis showed that modern microscopic methods
in combination with the realistic mathematical model provide feasible
methods for the investigation of structure-function relationships in
articular cartilage. Consequently, this may lead to the prediction of
material properties of cartilage without actual invasive mechanical
test and to more sensitive detection of OA from clinical imaging measurements.
The thesis discusses laser
patient marking in MRI-based radiation therapy simulation. The purpose
of patient marking is to define the location of the tumor isocenter
on the patients skin, thus forming an essential part of radiation therapy
treatment planning. The aim of the thesis is to generate and examine
clinical methods for marking the area to be treated. The major criteria
are accuracy and reproducibility.
The diagnostic roots of radiation oncology treatment planning lie in
Computed Tomography (CT), but Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an
imaging procedure with superior soft tissue image contrast. MRI allows
the clinicians to better define the tumor area, as soft tissue cancer
types account for approximately 30-35 percent of all cases treated with
radiation.
In Philips Medical Systems, we have enabled the patient marking methods
for radiation therapy simulation with the open Panorama 0.23T medical
scanner and a Radiation Therapy Tool Kit. This optional kit includes
an External Laser Positioning System, which we developed to project
laser planes onto the patients skin to ensure marking of defined intersections
in radiation oncology simulation applications.
As a result, we have found some error sources related to the MR scanner
mechanics and we must eliminate them to improve the usability of the
marking methods. The problems can be solved, but it means more investments
in further development work. The reproducibilities of all the methods
are sufficient to make them clinical procedures concerning laser patient
marking in MRI-based radiation therapy simulation.
Kimmo K. Lehtimäki
University of Kuopio, Department of Applied Physics andDepartment of
Biomedical NMR
Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is today one of the indispensable tools
for diagnostic radiology and in neuroscience. While MR imaging (MRI)
is a state-of-the-art technique for imaging of different soft tissues
with high anatomic precision exploiting water and fat signals, MR spectroscopy
(MRS) is capable of detecting numerous metabolite signals in living
tissues. The aims of this MSc thesis were to (a) establish a theoretical
basis for in vivo MRS, (b) set up and (c) optimize MRS protocols suitable
for in vivo experiments. The MRS techniques were applied to an experimental
glioma model with a view to observe the physicochemical changes in tumours
during ongoing programmed cell death (PCD).
BT4C-glioma cells (transfected with Herpes Simplex Virus - thymidine
kinase gene) were inoculated into the corpus callosum of BDIX train
rats. After tumours had grown to a diameter 3-4 mm, animals were used
for NMR experiments. Rats were treated with Ganciclovir that caused
synchronous apoptosis in cancer cells expressing the HSV-tk gene. NMR
experimental part of this work was performed using Varian UNITYINOVA
spectrometer operating at 4.7 T. Stimulated echo acquisition mode (STEAM)
localized MRS was used to determine changes in absolute concentrations
of lipids and low-molecular weight metabolites in gliomas (n=12) during
the therapy. Water diffusion was measured over wide range of diffusion
times and weightings to study changes in physiological and biophysical
state of gliomas (n=5).
We observed changes in concentrations of NMR visible lipids at early
phase of PCD. In contrast, low-molecular weight metabolites were found
to be poor early biomarkers of PCD in vivo. Diffusion MRS of water revealed
significant changes in intra/extra-cellular diffusion constants and
that compartmentation and possible exchange related factors were associated
with PCD. A new method was devised to detect early treatment response
as STEAM data showed biexponential signal decay with varying middle
period delay. Fast component of signal decay raised questions of either
very fast (< 80 ms) T1-component or possible flow related effects.
Primary goal of this study was not to demonstrate the effectiveness
of this gene therapy model for treatment of gliomas. Rather, it was
aimed to enhance our knowledge about biological processes involved in
PCD using advanced MR spectroscopic techniques.
Tutkimuksen tausta: Tutkimus
suoritettiin osana monitieteellistä sähköisen liiketoiminnan eLaku-tutkimusprojektia.
ELaku-projektiin osallistujat olivat neljältä eri sovellusalueelta sekä
tiedekunnasta Tampereen yliopisto, Vaasan yliopisto, Helsingin yliopisto
sekä Tampereen teknillinen yliopisto. Projekti toteutettiin yhteistyössä
osana Etelä-Pohjanmaan EPANET-yliopistoverkon avulla. ELaku-projektin
keskeinen teema oli kuluttajan luottamuksen muodostuminen sähköisiä
palveluja kohtaan. Tavoitteena oli tunnistaa ja erotella kuluttajan
luottamukseen vaikuttavia tekijöitä sekä kehittää sähköisiä palveluja
ja siten, että kuluttajan luottamus niitä kohtaan lisääntyisi. Projektin
rahoittajina olivat TEKES sekä kaksi yritysrahoittajaa.
Tutkimuksen tavoite: Tässä projektissa tutkimuskysymyksinä olivat seuraavat
asiat: 1.Minkälaisilla teknologioilla voidaan tukea kuluttajan luottamusta
terveydenhuollon verkkopalveluja kohtaan? 2. Mitkä muut tekijät vaikuttavat
kuluttajan luottamukseen erityisesti terveydenhuollon verkkopalveluissa?
Käytetyt metodit: Luottamuksen teoriaa tutkittiin luottamuskirjallisuuden
avulla. ELaku-projektin kuluessa kehitettiin viitekehys luottamuksen
muodostumisprosessista. Tarkasteltaviksi teknologioiksi valittiin tunnistekorttiteknologiat,
e-maksaminen sekä mobiilisovellusten käyttö terveydenhuollon verkkopalveluihin.
Teknologioita esiteltiin kuluttajanäkökulmasta katsauksenomaisesti.
Tutkimuksen empiria kerättiin teemahaastattelumetodilla. Haastateltaviksi
valittiin 10 henkilöä, jotka jakautuivat kahteen ryhmään elämänarvojensa
perusteella. Haastateltavat etsittiin verkossa arvokyselylomakkeen täyttäneiden
joukosta. Esiehtona haastateltavaksi valinnalle oli jonkinasteinen käyttökokemus
jostain terveydenhuollon verkkopalvelusta.
Haastattelut nauhoitettiin ja litteroitiin. Litteroinnin jälkeen saatu
aineisto purettiin eLaku-projektissa kehitetyn analyysimallin mukaisesti.
Tulokset: Saatu empiirinen aineisto esitettiin kuvaamalla havaitut,
luottamuksen kannalta olennaiset asiat. Luottamukseen liittyvät teknologiset
seikkoihin kiinnitettiin erityistä huomiota. Mielenkiintoisin tutkimuksessa
saatu tulos oli teknologian vähäinen korostuminen luottamukseen vaikuttavana
tekijänä. Haastateltavien puheessa tärkeimpinä asioina tulivat esille
palveluun, palveluntarjoajaan sekä kuluttajaan itseensä liittyvät asiat,
eivätkä niinkään käytetyt teknologiat. Arvopohjaltaan erilaiset ihmiset
suhtautuivat mm. verkkopalveluista maksamiseen eri tavalla.
Keskeinen yleistulos projektista oli monitieteellisyyden aikaansaama
uusi toimintatapa tehdä tutkimusta. Perinteisistä teknillistieteellisistä
projekteista poiketen otettiin monipuolisesti huomioon kuluttajan käyttäytymiseen
liittyvät asiat sekä esimerkiksi kuluttajan sosiaalisen ympäristön vaikutus
luottamuksen syntymiseen. Toisaalta taas eLaku-projektin muut osaanottajat
saivat yleisempää näkökulmaa teknillistieteellisestä ajattelusta.
Tarkasteltavista teknologioista ja teknologiasidonnaisista asioista
tunnistekorttien käyttö olivat tämän tutkimuksen perusteella lupaavin
tapa vaikuttaa kuluttajan luottamukseen. Maksullisuuteen terveydenhuollon
verkkopalveluissa suhtauduttiin varsin vaihtelevasti; useat kuluttajat
olivat kuitenkin valmiita maksamaan hyvin toteutetusta palvelusta.
Johtopäätökset: Luottamukseen vaikuttavat tekijät sähköisessä asioinnissa
ovat hyvin samantyyppisiä kuin perinteisessäkin asioinnissa. Tämän tutkimuksen
perusteella kuluttajan luottamukseen vaikuttavista tekijöistä keskeisimmät
ovat terveydenhuollon verkkopalveluun, palveluntarjoajaan sekä kuluttajaan
itseensä liittyvät asiat. Vaikka teknologia ei spontaanisti korostukaan
kuluttajan ajatuksissa tämän tutkimuksen perusteella, voidaan luottamussuhdetta
silti parantaa huomattavasti esimerkiksi henkilökohtaisten tunnistekorttien
käytön avulla. Tämäntyyppisiä palveluita olisi ehkä järkevää pilotoida
ja kehittää jatkossa. ELaku-projektin kaltainen monitieteellinen tutkimustapa
antaa huomattavasti lisäarvoa perinteisempiin tutkimustapoihin nähden
ja kyseisellä tavalla voitaisiin jatkossakin viedä menestyksellä eteenpäin
vastaavanlaisia projekteja.
Työterveyslaitoksen Aivotyölaboratorion
Monitehtävä-projektissa tutkitaan aivotyön rasittavuutta sekä ihmisten
suorituskykyä kognitiivisia kykyjä vaativissa tehtävissä. Koehenkilöt
suorittavat sekä univajeessa että ilman univajetta aivojen eri funktionaalisia
osia kuormittavia tehtäviä tietokoneella. Tarkoituksena on tutkia, mitkä
fysiologiset signaalit (EEG, EKG, EOG, GSR, verenpaine sekä hengitysliike)
korreloivat työssä suoriutumisen kanssa. Pupillin koon vaihtelusta ollaan
kiinnostuneita, koska sen on osoitettu kertovan vireydentilasta, kognitiivisesta
rasituksesta sekä ihmisen emotionaalisesta tilasta. Silmänräpäysten
taajuuden ja keston on osoitettu korreloivan vireydentilan kanssa.
Laboratoriossa on käytetty SensoMotoric Instrumentsin iView-video-okulografialaitteistoa
pupillin koon mittaamiseen. Silmänräpäykset laitteistolla saadaan arvioitua
vain pupillin katoamisen avulla. Tämän työn tarkoituksen oli kehittää
iView-laitteistoa tarkempi menetelmä pupillin koon mittaamiseen sekä
yhdistää silmäluomen asennon mittaus pupillin koon mittaamiseen. Erityisesti
kiinnitettiin huomiota menetelmän soveltuvuuteen väsyneille koehenkilöille
sekä analyysin automatisointiin.
Menetelmä toteutettiin offline-analyysinä, jolloin virhelähteet voidaan
tunnistaa ja eliminoida. Videokuva tallennettiin iView-laitteiston infrapunakamerasta
ja tallennettiin DVD:lle analyysiä varten. Videokuvan analysoimiseen
laadittiin tietokoneohjelma kirjallisuuskatsauksen perusteella. Analyysiohjelmaan
toteutettiin useita analyysialgoritmeja eri hahmontunnistusmenetelmiä
käyttäen ja menetelmistä valittiin paras.
Kehitetyn analyysiohjelman antamia tuloksia verrattiin iView-laitteiston
mittaustuloksiin. Analyysin tarkkuus pupillin koon määrityksessä on
huomattavasti aiempaa laitteistoa parempi erityisesti väsyneillä koehenkilöillä,
kun silmäluomi peittää osan silmästä. Silmäluomen liike saadaan rekisteröityä
ja sitä voidaan käyttää vireyden analysoimiseen. Laboratoriomittausten
lisäksi pupillin analyysiä on koekäytetty tavallisella videokameralla
kuvattuun videomateriaaliin. Tulokset ovat osoittaneet, että menetelmä
on sovellettavissa myös kenttäkäyttöön.
Jatkossa menetelmää on tarkoitus kehittää siten, että sitä voisi käyttää
todellisissa työtilanteissa jatkuvaan vireyden ja mahdollisesti myös
kognitiivisen rasituksen arviointiin.
Current state-of-the-art cell
injection micromanipulators are typically manual or semi-automatic and
joystick controlled. Therefore they are slow and require experienced
persons to operate. Automation of the injection system is important
for making a faster, repeatable and more reliable research instrument.
The bottle-neck in making a fully automatic injection micromanipulator
is the detection of the contact between a micromanipulator pipette and
cells. Presently, there are no reliable methods for detecting the contact.
In this work, a device for measuring the contact between a microinjection
pipette and a cell has been developed for automation of the intracellular
injection process of living adherent cells. Also the breakage and clogging
of the pipette can be detected with the developed device and from the
same measured signal. This work is a part of the AIM (Integration of
Automatic Intracellular Microinjection and Bioelectrical Recordings)
project, funded by the Academy of Finland. The device is designed for
use together with the injection micromanipulator developed by the Micro-
and Nanosystem Research (MST) Group at Automation and Control Institute
(ACI) at Tampere University of Technology (TUT). The implementation
of the contact detection device in the micromanipulator was taken into
account in design, which required the simplification and miniaturization
of the device.
The operation of the developed contact detection device is based on
measuring the resistance of the pipette in a similar way as in a patch
clamp current/voltage recording device, but using injection pipettes,
which have considerably sharper tip compared to patch clamp pipettes.
This M.Sc. thesis work first included preliminary tests with the patch
clamp recording equipment (available in the laboratory of Docent Tuula
Jalonen) and FemtotipII injection pipettes. The work then included system
and electronic design of the contact detection device and implementation
of the device. The design had to be carefully made due to high demands
in the measurement (low signal levels). Finally, the testing of the
contact detection device was done in the same environment as the tests
with the patch clamp device.
The test measurements with the developed contact detection device were
successful and all the desired changes, the contact, breakage and clogging
of the pipette, were detected with the device. With the designed contact
detection device and the FemtotipII injection pipettes we were able
to measure easily up to 15 contacts using one pipette, which is also
an important result from the microinjection point of view.
The contact detection device has now been successfully integrated and
tested with the injection micromanipulator. It is now used as a part
of an expert system providing the user additional information on the
injection information not available in any other system today. Furthermore,
the designed contact detection device makes it possible to develop even
an entirely automatic microinjection system for intracellular injection
of single adherent cells.
Magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI) enables the acquisition
of biochemical i.e. metabolic information from subjects in vivo. This
metabolic information can be used in the diagnosis of many diseases,
e.g. epilepsy. The purpose of this work was to resolve the source of
a statistically significant metabolite asymmetry, which was found in
the control subjects of a MRSI study of temporal lobe epilepsy, and
to try to correct for the effects of the asymmetry, if possible.
After research, the source of the metabolite asymmetry was found to
lie in the physical properties of the PRESS-CSI sequence used to perform
spectroscopic imaging. These are the volume displacement artifact (a
result of the chemical shift artifact) and the non-ideal pulse profiles
associated with the PRESS volume of interest (VOI). The combined effects
of these two result in a false asymmetric metabolite distribution in
the MRSI data.
Confirmation that these properties were behind the asymmetrical metabolite
distribution, was done by measuring the non-ideal spatial magnetization
profile of the 180° pulse and determining the effect of the volume displacement
on it. It was concluded that the asymmetry could be corrected for by
a metabolite phantom correction method. This method was then applied
to the control subjects and patients of a temporal lobe epilepsy study
to ensure its validity.
The effects of these errors have previously been considered to be confined
to edge voxels, but our results show that the combined effects will
result in metabolite asymmetries deep inside the VOI. The metabolite
phantom correction method was found to be valid and performed well as
more patients were lateralized with the corrected data.
The main goal of this work
was to study the wave propagation in time domain in one and two spatial
dimension problems with different boundary conditions. Boundary conditions
which are relevant when wave propagation is studied are the Dirichlet,
Neumann and Absorbing, all of these are discussed in this thesis. The
linear wave equation is derived from the fundamental laws of physics
by using the equation of state, the equation of continuity and the Euler
equation.
The linear wave equation is solved using the finite element method and
the finite difference time domain method. In both of these numerical
methods two different approximations for the spatial discretization
are used. In the case of using the finite difference time domain method
the second and the fourth order centered approximations for the spatial
coordinate were used. Respectively, in the case of using the finite
element method first and second order basis functions were used. The
effect of different time integration methods for finite element method
is also studied.
In simulations the solutions of previously presented methods are compared
via the analytic solution. In this thesis the analytic solution of the
two dimensional linear wave equation is computed by using the free space
Green's function.
The main result of the simulations was that the finite element method
is more accurate than the finite difference time domain method for solving
the 1D and 2D wave equation. On the other hand, simulations show how
great is the effect of stability conditions related to the wave equation
solutions.
Classically, the somatotopic organization of thalamus has been studied
in non-human primates. Recently those studies have been supported by
results obtained using diffusion imaging of human brain. However, functional
magnetic resonance imaging (fMRI) has been unable to reveal the activation
pattern in human thalamus. The reasons for fMRI to fail may be either
inadequate spatial resolution, cardiac-related pulsations in the deep
brain structures, or both.
The aim of this study was to find somatotopic organization in the human
thalamus and, as a reference, in the secondary somatosensory cortex.
To eliminate the effect of cardiac-related pulsations in the deep brain
areas, cardiac-triggered fMRI was utilized so that the functional images
were collected always at the same phase of the cardiac cycle. The drawback
of heart-rate synchronized image acquisition is that it can lead to
varying levels of blood-oxygen-level-dependent signal saturation. Therefore,
images were corrected with two different methods using voxel-based approach.
Ten healthy subjects underwent an fMRI experiment, where tactile stimuli
were delivered to their lower lip, fingers and toes. The heart-rate
synchronization was performed using pulse-oximeter. The fMRI data were
preprocessed and analysed using SPM2 software and Matlab version 6.1.
The statistical significance of activations was determined by Students
t-test. The results from cardiac-triggered image acquisition were compared
with results obtained with conventional fMRI.
At group level (n = 10, threshold p < 0.01 and extent threshold of four
voxels) the cardiac-triggered fMRI with post-acquisition correction
led to a novel neurophysiological finding, somatotopic organization
in the human thalamus. With conventional imaging only response for finger
stimulation was seen. In single subject analysis, more subjects showed
thalamic activations with cardiac-triggered imaging than with non-triggered.
The reference somatotopic organization was found in SII (threshold p
< 0.001 and extent of 20 voxels), with activation pattern consistent
with previous fMRI studies.
Nykyisillä biologisten molekyylien tunnistamismenetelmillä on paljon
rajoituksia niiden nopeudessa, herkkyydessä ja tarkkuudessa. Herkät
tunnistusmenetelmät ovat hitaita ja monimutkaisia ja usein vaativat
hyvin koulutettua henkilökuntaa, kalliita laboratoriolaitteita ja tiukkoja
järjestelyedellytyksiä. Suorat leimaamattomat anturimenetelmät ovat
nopeampia kuin monet muut nykyiset biotunnistustekniikat, mutta edelleen
ne vaativat kalliita materiaaleja ja massiivisia mittauslaitteita.
Tämän työn hypoteesi on, että HybridoGlassTM-materiaali soveltuu hyvin
bioanturikäyttöön sen optisten ominaisuuksien, lämpöstabiilisuuden sekä
bioystävällisten prosessointilämpötilojen vuoksi. Työn tarkoituksena
on testata ja karakterisoida uutta hybridimateriaalia optisessa biosensorisovellutuksessa,
missä HybridoGlassTM yhdessä siihen liitettyjen vasta-aineiden kanssa
muodostaa tietyille proteiineille sensitiivisen anturikalvon.
Ohutkalvot valmistettiin HybridoGlass-materiaalista spinnerillä, joka
hyödyntää spin-coat -tekniikkaa. Lämpöstabiilisaatiosarjat suoritettiin
eri materiaalikoostumuksella ja seurattiin ohutkalvojen optisten ominaisuuksien
muuttumista pitkän lämpöinkubaation aikana. Ohutkalvot saavuttivat stabiilisuuspisteensä
noin 24 tunnin jatkuvan 50oC lämpöinkubaation jälkeen. Tällä aikavälillä
ohutkalvojen taitekerroin nousi noin5mRIU.
Immobilisaatioelementti, joka oli streptavidiini-proteiini, lisättiin
sekä nestefaasissa olevaan materiaaliin ennen ohutkalvon valmistumista,
että valmiiden ohutkalvojen päälle, jolloin seurattiin eri immobilisaatiotekniikoiden
vaikutusta biotunnistustehokkuuteen. Biotinyloidut vasta-aineet kiinnitettiin
kalvoon streptavidini-biotiini-sillan kautta. Proteiinien spesifistä
ja epäspesifistä sitoutumista sensitiiviseen anturikalvoon tutkittiin
puhdastilalaboratoriossa sijaitsevan Metricon kalvonmittauslaitteen
avulla.
Samalla mittauslaitteella tarkasteltiin myös veden vaikutusta ohutkalvoon
proteiiniliuoksen osana kokeiden eri vaiheissa. Streptavidiinin lisääminen
valmiin ohutkalvon päälle antoi parhaan proteiinin spesifisen ja epäspesifisen
sitoutumisen suhteen. Vesi ei ole olennaisesti vaikuttanut kalvon ominaisuuksiin.
Nämä mittaustulokset ovat tärkeitä kehitettäessä uusia HybridoGlassTM-materiaaleihin
perustuvia biosensoreita.
Diplomityön tarkoituksena oli suunnitella ja toteuttaa mittausjärjestelmä
fluoresenssin eliniän määritystä varten. Fluoresenssin elinikä toimii
herkkänä indikaattorina molekyylitason muutoksille bioaffiniteettimäärityksissä.
Tämäntyyppisiä määrityksiä tehdään mm. kliinisessä diagnostiikassa,
lääkeainekehityksen tehoseulonnassa ja biolääketieteen perustutkimuksissa.
Mittausjärjestelmä toteutettiin digitaalilogiikan avulla käyttäen yhtä
ohjelmoitavaa FPGA-piiriä. Korkea resoluutio saavutettiin kellotaajuuden
kertomisen ja vaiheensiirron avulla. Tieteellisistä julkaisuista ei
löydy vastaavalla tavalla toteutettua lyhyen aikavälin mittausmenetelmää.
Mittausjärjestelmän toiminta perustuu lyhyen aikavälin mittaamiseen
kahden pulssin (start sekä stop) välillä. Mittaus alkaa virityspulssilla,
joka virittää näytteen ja käynnistää aikalaskurin. Laskuri pysähtyy
kun näytteestä emittoituva fotoni havaitaan. Viritys tapahtuu laserin
avulla ja emission havainnointiin käytetään valomonistinputkea. Mittaus
voidaan tehdä myös toisin päin eli emissiopulssilla käynnistetään laskuri
ja mitataan aikaa seuraavaan virityspulssiin. Kun mittaus toistetaan
useaan kertaan saadaan muodostettua histogrammi havaittujen fotonien
määrästä ajan suhteen. Tästä kuvaajasta pystytään edelleen määrittämään
fluoresenssin elinikä.
Elinikää käytetään harvemmin ainoana mittaparametrina fluoresenssimittauksissa.
Useimmiten eliniän mittausta käytetään lisäparametrina tuomaan tiettyä
tarkkuutta tai lisäinformaatiota mittauksiin ja reaaliaikaiset mittaukset
usein paljastavat informaatiota jota ajasta riippumattomista mittauksista
ei saada. Elinikään vaikuttavat monet seikat kuten molekyylien väliset
sitoutumisreaktiot, orientaatioiden ja suhteelisten sijaintien vaihtelut
ja yleisesti erilaiset molekyylissä ja sen lähiympäristössä tapahtuvat
muutokset. Näin ollen eliniän määrityksellä ja sen muutosta seuraamalla
saadaan tärkeää tietoa tutkittavasta näytteestä ja sen lähiympäristöstä
Mittaustulosten perusteella voidaan todeta, että suunnitellulla mittausjärjestelmällä
pystytään määrittämään fluoresenssin elinikä ja tulokset ovat täysin
vertailukelpoisia kalliin kaupallisen mittausjärjestelmän kanssa. Fluoresenssin
eliniän määrityksen lisäksi järjestelmää voidaan käyttää muihinkin lyhyen
aikavälin mittauksia vaativiin sovelluksiin.
Interest in studying the electrical
conductivity of biological tissue with magnetic resonance imaging (MRI)
has been increasing along with the development of new study methods.
Magnetic Resonance Imaging is a Nuclear Magnetic Resonance (NMR) based
method to produce, without radiation risk, diverse anatomic images of
a patient. MRI uses radio frequency energy pulses and a strong magnetic
field to provide images.
Current density imaging (CDI) is a magnetic resonance imaging technique
that measures electrical current density distributions in a volume of
material. CDI is based on mapping magnetic field changes caused by applied
electric currents flowing through the material or tissue. From the current
density images, we can determinate the electric conductivity of material
because the electric field separates according to electrical properties.
This Master of Science thesis has been carried out as part of the RGI
and DMI cooperation project. The goal of the project was to obtain tissue
electric conductivity information with MRI. This thesis clarifies whether
it is possible to use gradient coils of the MRI system to induce an
electric field to the subject and image it. Then, from MR-images is
possible to obtain current density information.
In this thesis, the gradient-induced eddy currents were studied to produce
imaginable magnetic field. Calculations are made on gradient-induced
eddy current using a cylindrical phantom filled with a distilled water
and sodium chloride (NaCl) solution. The calculations indicate that
the gradient-induced eddy currents are detectable. The eddy current
produces temporal shifts of the precession frequency and consequently
phase shift is proportional to the magnetic field change. Thus, the
eddy current creates a measurable flux density within the object.
Getting the gradient-induced current density image is not possible with
standard imaging sequences. Thus, the main goal of this thesis tried
to design the imaging sequence for eddy current imaging. The main problem
for designing the sequence was to be able to preserve the eddy current
effect until the acquisition begins and at the same time keep the imaging
sequence otherwise functional.
Due to the limitation of the use sequences, we did not manage to get
the eddy current density images, but we calculated that it is possible,
at least in theory. On future research will clarify the lifetime of
the eddy currents and based on this, better imaging sequences will be
designed. We will clarify T2 weighted images and study how the eddy
currents affect them. Moreover, because sequence modification is a limited
clinically used MRI system, we will induce the eddy current with an
external coil.
Functional magnetic resonance
imaging (fMRI) reveals changes in blood oxygen level dependent (BOLD)
signal after considerable processing. The whole acquisition and analysis
chain of fMRI has remained unexploited with functional phantoms because
no such devices have been available.
This work included the implementation and testing of an fMRI phantom
where electric current applied to a thin wire within proton-rich medium
substituted BOLD distortion of magnetic field; the scanner detects these
two distortions as practically identical signal changes. The magnitude
of the change depended on the current strength.
The phantom has a number of possible applications. Signal changes across
sessions, days, instruments, and individuals could be monitored. Placing
the phantom close to a subject during an fMRI experiment could allow
differentiating signal changes due to instrumentation from changes in
the subject's state and performance during the experiment. The spatial
extent of brain activations and effects of various changes in the chain
of image formation could be analyzed utilizing current-induced "activations".
Furthermore, the phantom could expedite fMRI sequence development by
reducing the need to scan human subjects, who, besides, introduce uncertainty
to the signal. Thus, this fMRI phantom could be useful for both cognitive
fMRI studies and scanner calibration.
Diplomityön tarkoituksena oli tutkia menetelmiä, joilla kudoksen permittiivisyys
ja johtavuusarvoja pystyttäisiin määrittämään magneettiresonanssiprotonikuvauksen
avulla. Työssä tutkittiin kudoksen permittiivisyyttä ja sähköisiin ominaisuuksiin
vaikuttavia suureita, kuten vesipitoisuutta ja signaalin voimakkuutta
sekä niiden taajuusriippuvuutta itse tehtyjen fantomien avulla.
Tutkimuksessa käytettiin kahta eri menetelmää korrelaation löytämiseksi
fantomin ja kudoksen välille. Liuosfantomit todettiin epäkäytännöllisiksi
niiden vesipitoisuuden määrittämisen hankaluuden vuoksi. Eri vaahtomuovilaaduilla
mitattiin fantomien vesipitoisuus ja kokeellisten, kudosten permittiivisyyttä
niiden vesipitoisuuden perustella kuvaavien yhtälöiden avulla laskettuja
permittiivisyysarvoja verrattiin mitattuihin arvoihin. Protonitiheyspainotteiset
magneettikuvat analysoitiin ja segmentointiohjelman avulla kudokset
eroteltiin toisistaan ja segmentoitujen alueiden pikselien intensiteetit
keskiarvoistettiin kudosten vesipitoisuuden määritystä varten. Protonitiheyspainotteisista
MR kuvista saatua kudosten vesipitoisuusinformaatiota verrattiin eri
kudosten kirjallisuudesta saatuihin vesipitoisuusarvoihin. Protonitiheyskuvat
otettiin kahdella eri voimakkuuksisella laitteella (1.0T ja 1.5T) kahdesta
eri koehenkilöstä, kuvaten samalla myös vaahtomuoveista valmistettua
vertailufantomia.
Fantomeista mitatun sekä kudoksen tapauksessa kirjallisuudesta saadun
ja MR-kuvasta määritetyn vesipitoisuuden korrelaatio oli selvä sekä
fantomeilla että kudoksilla. MR-kuvien kautta saadut vesipitoisuudet
olivat mitattuja alempia, johtuen vaahtomuovin sisältämästä ilmasta.
Kudosten permittiivisyyden taajuusriippuvuutta tutkittiin vertaamalla
fantomeista laskettuja arvoja kirjallisuusarvoihin.
Diplomityössä saatujen tulosten perusteella ei suoraan voida määrittää
kudoksen sähköisiä ominaisuuksia MR-kuvasta mutta intensiteettiarvojen,
vesipitoisuusarvojen ja permittiivisyyden välille voidaan kuitenkin
havaita selvä yhteys. Tämä luo pohjan tulevalle tutkimukselle. Tarkemman
materiaalitutkimuksen ja havainnollisemman MR-kuvan tulkinnan kautta
voidaan sähköisten ominaisuuksien määritys tehdä tulevaisuudessa MR-kuvantamisen
antamaa tarkkaa informaatiota hyödyntäen. Kudosten sähköisillä ominaisuuksilla
on tärkeä merkitys biomagneettisten ilmiöiden mallintamisessa. Mallien
avulla tutkitaan kudosten fysiologisia ja anatomisia ominaisuuksia sekä
biologisen systeemin käyttäytymistä.
Lonkkatekonivelen kupin abduktiokulmalla
on kliinisessä käytössä osoitettu olevan vaikutusta useisiin implantin
toimintaa ja kestoa heikentäviin tekijöihin. Siitä huolimatta nykyisillä
leikkaustekniikoilla kupin asento ja abduktiokulma vaihtelevat suuresti
potilaiden välillä. Lisäksi simulaattoritutkimuksia abduktiokulman vaikutuksesta
lonkkatekonivelen liittyviin ilmiöihin on tehty melko vähän.
Tässä tutkimuksessa selvitettiin simulaattoritestauksen avulla kahden
eri ristisilloitetusta UHMW-PE:stä valmistetun kuppimallin (Link:n Modell
IP ja Lubinus Eccentric) ja abduktiokulman (45° ja 60°) vaikutusta lonkkatekonivelen
sementoidun kupin toimivuuteen syklisessä kuormituksessa. Kahtatoista
(n=12) kuppi-palloparia kuormitettiin kävelyä vastaavalla kuormituksella
(maksimi 3,0 kN) 5 Hz:n taajuudella viiden miljoonan syklin ajan. Kuormituksessa
implantit olivat laimennetussa seerumissa anatomisesti oikeassa asennossa.
Yhteensä erilaisia kuppimallin ja abduktiokulman kompinaatioita testauksessa
oli kuusi kappaletta. Kuppien kiinnityksessä käytettiin PMMA:sta val-mistettua
luusementtiä (Palacos® R-40 cum Gentamicin). Kuppien maljaosien ja luusementtikiinni-tyksen
muovautuminen määritettiin koordinaattimittalaitteella ja matemaattisilla
menetelmillä.
Kuppien maljaosien muovautuminen, joka määritettiin pallon penetroitumisena,
oli merkitsevästi suurempaa (p=0,024, Mann-Whitney) keskisillä (45°:
11,8 µm/miljoona sykliä, 60°: 14,7 µm/miljoona sykliä) kuin epäkeskisillä
kupeilla (45°: 9,5 µm/miljoona sykliä, 60°: 11,2 µm/miljoona sykliä).
Penetroituminen oli myös lähes merkitsevästi suurempaa (p=0,052) 60°
kuin 45° abduktiokulmilla. Molemmilla kulmilla epäkeskisen kupin kierto
aiheutti lisääntynyttä penet-roitumista sivusuunnassa kuormituksen vaikutuslinjaan
nähden. Kaikkien kuppien kohdalla luuse-menttikiinnitys muovautui siten,
että kuppi pyrki kiertymään pienempään abduktiokulmaan. Kupin kiertyminen
oli keskimäärin vain 0,07° ja suurin yksittäinen luusementin muovautuminen
noin 75 µm. Luusementtikiinnityksen muovautumisen ja kuppimallien (p=0,570)
tai kupin abduktiokulmien (p=0,180) välillä ei ole merkitsevää riippuvuutta.
Lonkkatekonivelen kupin abduktiokulman suurentumisesta tai kuppimallista
aiheutuva pienentynyt kuormaa kantava pinta-ala ja sitä kautta kasvanut
pintapaine johtavat lisääntyneeseen kupin malja-osan muovautumiseen.
Verrattaessa tämän ja aikaisempien tutkimusten tuloksia kulumisen osuus
on ristisilloitetun UHMWPE-kupin maljaosan muodonmuutoksesta kuppimallista
ja abduktiokulmasta riippuen simulaattoritestauksessa noin 13 kertaa
ja kliinisesti noin 1,53 kertaa suurempi kuin muovautumisen osuus.
Tämän tutkimuksen mukaan UHMWPE-kupin ja luusementin plastinen muovautuminen
tapahtuu pääasiassa ensimmäisen miljoonan kuormitussyklin aikana. Tämän
tutki-muksen perusteella molemmat kuppimallit huolellisesti sementoituina
ovat stabiileja eikä kupin tai sementtikiinnityksen toiminta ratkaisevasti
häiriinny kupin abduktiokulman tai asennon muuttuessa.
