Fysiikan alaan kuuluva väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa. Tilaisuutta voi seurata Kuopion kampuksella ja verkossa.
Mikä on väitöstutkimuksesi aihe? Miksi aihepiiriä on tärkeää tutkia?
Tässä väitöstutkimuksessa kehitettiin laskennallisia menetelmiä kvantitatiivisen magneettikuvauksen nopeuttamiseksi. Yleisesti käytössä olevat magneettikuvausmenetelmät ovat kvalitatiivisia, eli tavallisen magneettikuvan informaatio on vertailukelpoista vain saman kuvan sisällä. Toisin sanoen kuvassa näkyvät kontrastierot liittyvät kuvattavien kudoksien ominaisuuksiin, mutta eivät kerro sen tarkemmin kudoksen ominaisuuksista eivätkä ole vertailukelpoisia esimerkiksi eri kuvauskerroilla otettujen samanlaisten magneettikuvien kanssa.
Kvantitatiivisessa magneettikuvauksessa arvioidaan kuvattavan kudoksen kvantitatiivisia ominaisuuksia kuten T1 tai T1ρ -relaksaatioaikoja. Nämä kudoksille ominaiset parametrit liittyvät vahvasti kudoksen fysiologiaan tarjoten täten lisäinformaatiota kvalitatiiviseen magneettikuvaukseen verrattuna. Kvantitatiivisten parametrien arvot ja muutokset ovat huomattavasti paremmin vertailukelpoisia eri kuvauskertojen välillä ja voivat viestiä esimerkiksi eri taudinkuvista. Kvantitatiivinen magneettikuvaus on kuitenkin monin kerroin kvalitatiivista magneettikuvausta hitaampaa, mikä rajoittaa tieteellistä ja kliinistä mielenkiintoa näitä menetelmiä kohtaan.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Väitöstutkimuksessa näytetään, että useita kvantitatiivisia magneettikuvausmenetelmiä on mahdollista nopeuttaa laskennallisten menetelmien avulla. Nopeutus toteutettiin retrospektiivisesti simuloimalla lyhyempää kuvausaikaa. Saavutettu nopeutus on täten suoraan toteutettavissa käytännössä. Lyhyempi kuvausaika, eli pienempi määrä mittausdataa, johtaa kuitenkin kuvanlaatuongelmiin, jos käytetään tavanomaisia kuvanmuodostusmenetelmiä. Hyödyntämällä inversiolaskennan menetelmiä ja tarkoin suunniteltua mittaustapahtumaa väitöskirjassa kuitenkin saavutetaan rutiininomaisesti 3–6 kertainen nopeutus kvantitatiivisen mittaustapahtuman kuvausaikaan.
Erityisen mielenkiintoisen väitöskirjan tuloksista tekee se, että väitöstutkimuksessa keskityttiin suurelta osin ei-karteesisiin 3-D kvantitatiivisiin keräyksiin, joita on lähtökohtaisesti vaikea yhdistää kvantitatiiviseen kuvantamiseen, ja joissa kuvanmuodostusongelma on erityisen hankala ratkaista. Toisaalta kattava 3-D kvantitatiivinen informaatio tarjoaa todennäköisesti parhaimman lähtökohdan tautien aiheuttamien poikkeavuuksien havainnoinnille koko kuvauskohteessa, tehden siitä arvokkaan kuvausmenetelmän.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Väitöstutkimuksen tuloksia, kuten nopeutettua kvantitatiivista magneettikuvausta, voidaan hyödyntää ainakin esitettyjen kvantitatiivisten kuvausmenetelmien kanssa. Tulokset ovat myös yleistettävissä muihin kvantitatiivisiin keräyksiin. Yleisesti ottaen nopeampi kvantitatiivinen magneettikuvaus todennäköisesti kasvattaa kliinistä ja prekliinistä mielenkiintoa näitä menetelmiä kohtaan.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Väitöskirjan laskennalliset menetelmät pohjautuvat käänteisongelmien ratkaisumenetelmiin, joissa huonokuntoinen kuvanmuodostusongelma ratkaistaan iteratiivisesti samalla hyödyntäen regularisointia. Regularisointitermit olivat muodostettu siten, että kuvauksen nopeutuksesta johtuvat kuva-artefaktit olivat mahdollisimman epäkoherentteja, jolloin ne voitiin tehokkaasti minimoida iteratiivisen kuvanmuodostuksen aikana niin sanotun pakatun havainnoinnin (eng. compressed sensing) periaatteen mukaan.
Väitöskirjassa kehitettyjä menetelmiä tutkittiin ja kehitettiin käyttämällä korkearesoluutioista mittausdataa, joka oli mitattu 9.4 Teslan tutkimusmagneetilla yhteistyössä Kuopion Biolääketieteellisen kuvantamisyksikön kanssa. Väitöstutkimus suoritettiin professori Mikko Nissin tutkimusryhmässä ja menetelmien soveltamista ja kehittämistä jatketaan FAME-lippulaivahankkeessa.
FM Antti Aarnion fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Advanced image reconstruction methods for quantitative magnetic resonance imaging tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa, Kuopion kampuksella. Vastaväittäjänä toimii apulaisprofessori Marcelo V. Wust Zibetti, New York University Grossman School of Medicine, ja kustoksena professori Mikko Nissi, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on englanti.
Lisätietoja:
Antti Aarnio, antti.aarnio@uef.fi