Teknillisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa Kuopion kampuksella. Tilaisuutta voi seurata myös verkossa.
Mikä on väitöstutkimuksesi aihe? Miksi aihepiiriä on tärkeää tutkia?
Tässä väitöskirjatutkimuksessa kehitettiin laskennallisia menetelmiä fotoakustisen tomografian mallinnukseen ja käänteisongelmaan. Fotoakustinen tomografia on viime vuosikymmenten aikana kehitetty lääketieteellinen ja biolääketieteellinen kuvantamismenetelmä. Fotoakustisessa tomografiassa kuvattavaan kohteeseen kohdistetaan lyhyt valopulssi. Valopulssin absorption seurauksena kohteeseen muodostuu fotoakustisen ilmiön kautta niin kutsuttu alkupaine, joka etenee kohteessa ultraääniaaltoina. Fotoakustinen kuva, eli estimaatti alkupaineesta, voidaan estimoida kohteen pinnalta mitattujen ultraäänisignaalien perusteella.
Fotoakustinen tomografia yhdistää optisille tomografiamenetelmille tyypillisen optisen kontrastin, sekä ultraäänikuvantamiselle ominaisen korkean resoluution. Menetelmää voidaan hyödyntää muun muassa pienelämien ja ihmisten kuvantamisessa. Fotoakustisen kuvan muodostaminen perustuu matemaattisen käänteisongelman ratkaisemiseen. Käänteisongelman ratkaiseminen voi kuitenkin olla laskennallisesti raskasta vaikeuttaen menetelmän käytännön sovelluksia. Estimoitujen kuvien tarkkuus voi lisäksi heikentyä, jos mittauslaitteiston parametreja, kuten ultraäänisensorien paikkoja, ei tunneta tarkasti. Lisäksi suurin osa fotoakustisen tomografian käänteisongelman ratkaisumenetelmistä ei tarjoa tietoa estimoidun kuvan epävarmuuksista.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Väitöskirjan neljässä osatyössä kehitetyt menetelmät pyrkivät edistämään fotoakustisen tomografian sovelluksia entistä haastavammissa kuvantamistilanteissa. Väitöskirjan ensimmäisessä osatyössä kehitettiin koordinaattimuunnoksiin perustuva ultraäänimalli, joka mahdollistaa fotoakustisen tomografian käänteisongelman ratkaisun entistä pienemmillä laskentaresursseilla korkearesoluutioisissa kolmiulotteisissa kuvantamistilanteissa. Väitöskirjan toisessa osatyössä tutkittiin fotoakustisen tomografian käänteisongelmaa tilanteessa, jossa mittauksissa käytettyjen ultraäänisensorien paikkoja ei tunnettu tarkasti. Sensoripaikkojen tarkka määrittäminen saattaa olla haastavaa esimerkiksi käsin asetettavien ultraäänisensorien tapauksessa. Kehitetty menetelmä mahdollistaa sensoripaikkojen epävarmuuksien mallintamisen, niistä aiheutuvien virheiden kompensoinnin sekä estimoitujen kuvien epävarmuuksien kvantifioinnin.
Väitöskirjan kolmannessa ja neljännessä osatyössä kehitettiin generatiiviseen koneoppimiseen perustuva menetelmä fotoakustisen tomografian käänteisongelman ratkaisuun. Menetelmä mahdollistaa kuvien estimoinnin sekä niiden epävarmuuksien kvantifioinnin huomattavasti aiempaa nopeammin. Lisäksi menetelmä parantaa kuvien laatua niin kutsutuissa vajaakulmageometrioissa, joissa ultraäänisignaaleita voidaan mitata vain rajoitetuista suunnista kohteen ympäriltä.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Väitöskirjatutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää fotoakustisten kuvien estimoinnissa useilla erityyppisillä mittauslaitteistoilla. Kehitettyjä menetelmiä voidaan soveltaa muun muassa korkearesoluutioisten kolmiulotteisten kuvien estimoinnissa, tilanteissa, joissa estimoitujen kuvien laatu on heikentynyt ultraäänisensorien paikkojen epävarmuuksien takia tai haastavissa vajaakulmamittaustilanteissa. Menetelmät mahdollistava lisäksi estimoitujen kuvien epävarmuuksien kvantifioinnin, joka edesauttaa kuvien tulkintaa ja analyysiä.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Väitöskirjatyössä hyödynnettiin useita eri ultraäänimallinnuksen sekä käänteisongelmien menetelmiä. Ultraäänimallinnuksessa käytettiin sekä Greenin funktioihin että pseudospektraaliin aika-avaruus-menetelmään perustuvia menetelmiä. Käänteisongelman ratkaisussa hyödynnettiin puolestaan Bayesilaista käänteisongelmien teoriaa sekä koneoppimiseen pohjautuvia variaationaalisia autoenkooderimalleja. Väitöskirjassa kehitettyjä menetelmiä tutkittiin ja kehitettiin käyttämällä sekä simuloitua että kokeellista mittausdataa (Jarkko Leskinen, OPUS-laboratorio, https://sites.uef.fi/opus/). Väitöskirja toteutettiin professori Tanja Tarvaisen tutkimusryhmässä.
FM Teemu Sahlströmin teknillisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Computational methods for modelling and inverse problem of photoacoustic tomography (Laskennallisia menetelmiä fotoakustisen tomografian mallinnukseen ja käänteisongelmaan) tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa, Kuopion kampuksella. Vastaväittäjänä toimii professori Erkki Somersalo, Case Western Reserve University, ja kustoksena professori Tanja Tarvainen, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on englanti.
Lisätietoja:
Teemu Sahlström, teemu.sahlstrom@uef.fi, p. 044 206 1217
