Teknillisen 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?
Väitöstutkimukseni keskittyi mikroskooppisen ja kvantitatiivisen magneettikuvauksen (magnetic resonance imaging, MRI) hyödyntämiseen erilaisille näytteille kuten kasveille ja teknisille materiaaleille. Nykyisin laajasti lääketieteellisiin ja pre-kliinisiin sovellutuskohteisiin keskittyvä magneettikuvaus tarjoaa paljon erilaisia kuvapainotuksia ja kontrasteja, joita voidaan hyödyntää esimerkiksi lääketieteellisessä diagnostiikassa. Tällaisten käyttötarkoitusten lisäksi magneettikuvauksella on kuitenkin mahdollisuus tarjota tietoa erilaisista, myös harvemmin tutkittavista näytetyypeistä. Magneettikuvausta voidaan soveltaa tutkimusaloilla, jotka tyypillisesti eivät magneettikuvausta ole laajalti hyödyntäneet.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Tutkimukseni koostuu neljästä osatyöstä, joissa hyödynnettiin magneettikuvausta (MRI) niin käyttötarkoitukseltaan kuin koostumukseltaan keskenään hyvin erilaisille näytemateriaaleille.
Osatyössä I tutkittiin kuivien siementen MRI:ssä muodostuvaa signaalia. Tutkimuksessa havaittiin, että MRI mahdollistaa ei-invasiivisen rakenteellisen tarkastelun myös tällaisille näytteille. Siemenissä ilmeneviä sisäisiä mekaanisia vaurioita oli mahdollista havaita MRI:lla, esimerkiksi kolmiulotteisesti.
Osatyö II käsitteli kerroksellisten kartonkirakenteiden vettymistä vesihöyryn vaikutuksesta, jonka ajallinen kehitys pystyttiin tallentamaan magneettikuviin. Muodostuvan signaalin havaittiin olevan materiaali- ja sijaintiriippuvaista.
Osatyössä III perehdyttiin kasvien tautiherkkyyden määrittämiseen MRI:lla. Työssä havaittiin, että taimien sisäosissa tapahtui relaksaatioaikojen merkitseviä muutoksia tyvimädän (Phytophtora cactorum) aiheuttaman taudin edetessä. MRI:lla tautia pystyttiin seuraamaan ei-invasiivisesti eri aikapisteissä samasta kasvista.
Osatyössä IV tutkittiin 3D-tulostusmuovien ominaisuuksia ja näkyvyyttä lyhyiden kaikuaikojen menetelmillä. Tutkimus tarjoaa tietoa muovien näkyvyydestä MRI:lla sekä auttaa muovien valinnassa, esimerkiksi kelarakenteille ja näytepidikkeille.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Tulokset antavat tietoa magneettikuvauksen hyödyntämisestä erilaisilla tutkimusaloilla ja esimerkiksi teollisuudessa.
Osatyön I tietoa voidaan hyödyntää esimerkiksi metsäteollisuudessa ja -tutkimuksessa, jossa siementen itävyydellä on suuri merkitys.
Osatyössä II havaittiin sisempien kartonkikerrosten ajallinen vettyminen. Tuloksia voidaan hyödyntää kartonkien ja siitä muodostettavien pahvilaatikoiden toimivuuden ja kestävyyden tutkimus- ja kehitystyössä. Nykyisin kartongin vettymisen tarkastelu toteutetaan menetelmillä, jotka eivät kerro veden kertymisestä monikerroksisen rakenteen keskikerroksiin (esim. ISO 287:2017 ja ISO 9932:2021).
Osatyön III tuloksia voidaan hyödyntää kasvien sisärakenteiden sekä taudin etenemisen kartoituksessa kasvia vahingoittamatta, ja voi näin tuottaa uusia innovaatioita kasvitalouden kehitykseen.
Osatyö IV auttaa erilaisten MRI-yhteensopivien materiaalien valinnassa. Muovien signaali voi aiheuttaa tietyissä tilanteissa häiriöitä kuvattavaan aineistoon.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Tein tutkimukseni teknillisen fysiikan laitoksella, kvantitatiivisen magneettikuvauksen tutkimusryhmässä. MRI toteutettiin A.I. Virtanen Instituutin Biolääketieteellisen kuvantamisyksikön 9.4 ja 11.7 Teslan magneeteilla. Pääasiallisina magneettikuvausmenetelminä hyödynsin tyypillisestikin käytössä olevia spin-kaiku- ja gradienttikaiku -menetelmiä, mutta myös lyhyiden kaikuaikojen menetelmiä.
Näytemateriaaleja toimittivat yhteistyötahot kuten ympäristö- ja biotieteiden laitos (UEF), Metsäpuiden siemenlaboratorio (Luonnonvarakeskus) sekä Mondi Powerflute Oy.
Tutkimukseni on osittain jatkoa vuosina 2018–2021 toteutetulle Euroopan aluekehitysrahaston ja Pohjois-Savon liiton rahoittamalle hankkeelle ”MikroMRI - Mikromagneettikuvaukseen perustuva kehitys- ja innovaatioympäristö materiaalitutkimuksen teollisiin sovelluksiin”. Osatöitä ovat rahoittaneet Suomen Akatemia ja apurahoin Jenny ja Antti Wihurin rahasto, Suomen kulttuurirahaston Keskusrahasto, Niemi-säätiö ja UEF.
Lisätietoja:
Teemu Tuomainen, [email protected]
- Väitöstilaisuus
- Väitöskirja (PDF)
- Valokuva (tulossa)
