Tarvainen Tanja (FM) 29.9.2006

Luonnontieteiden ja ympäristötieteiden tiedekunta

Fysiikka

Computational Methods for Light Transport in Optical Tomography (Laskennalliset menetelmät valon etenemisen mallittamiseen optisessa tomografiassa)

Vastaväittäjä: Professori Samuli Siltanen, Tampereen teknillinen yliopisto
Kustos: Professori Jari Kaipio, Kuopion yliopisto


Väitöskirjan tiivistelmä:


Valon etenemisen mallittaminen kudoksissa

Tomografiakuvantaminen on arvokas tutkimusmenetelmä niin lääketieteessä kuin teollisuudessakin. Tomografialla tarkoitetaan menetelmää, jossa kohteesta muodostetaan leikekuvia sen pinnalta tehtävien mittausten perusteella. Lääketieteessä käytettäviä tomografiamenetelmiä ovat muun muassa röntgentomografia ja magneettikuvantaminen.

Nykyisin käytössä olevien tomografiamenetelmien lisäksi uusia ja monipuolisia kuvantamismenetelmiä tarvitaan. Optinen tomografia on kehitteillä oleva kuvantamismenetelmä, jolla uskotaan olevan useita hyödyllisiä sovelluksia sekä lääketieteessä että teollisuudessa.

Optisessa tomografiassa muodostetaan leikekuvia kohteen optisista ominaisuuksista. Kuvaustilanteessa kohteen pinnalta tehdään mittauksia lähes infrapunataajuista valoa käyttäen. Näistä mittauksista lasketaan arviot kohteen optisille ominaisuuksille eli valon vaimenemiselle ja siroamiselle kohteessa.

Kohteen optisten ominaisuuksien tiedetään riippuvan sen fysiologisesta tilasta kuten hapen määrästä kudoksissa. Lisäksi valon tiedetään etenevän muun muassa syöpäkudoksessa eri tavalla kuin terveessä kudoksessa. Näiden ominaisuuksien perusteella voidaan optista tomografiaa soveltaa muun muassa keskosten aivojen happipitoisuuden seurannassa, funktionaalisissa aivotutkimuksissa ja rintasyövän havainnoinnissa.

Valon vaimenemis- ja sirontakuvien laskemista varten tarvitaan tarkka matemaattinen malli valon käyttäytymiselle kudoksissa. Tämän valon etenemistä kuvaavan mallin täytyy olla laskennallisesti riittävän yksinkertainen, jotta tomografiaongelma voidaan ratkaista nykyisillä tietokoneilla riittävän nopeasti. Lisäksi optisen tomografian mittauslaitteistossa tapahtuvat valon häviöt täytyy tarkasti tuntea ja kalibroida, jotta ne eivät aiheuttaisi virheitä tomografiakuviin.

Tanja Tarvaisen väitöskirjassa on käsitelty valon etenemisen mallittamista kudoksissa. Väitöskirjatyössä on kehitetty kaksi uutta mallia valon etenemisen kuvaamiseen. Nämä mallit hyödyntävät siirtoyhtälöä ja diffuusioapproksimaatiota, joita yleensä käytetään valon etenemisen malleina kudoksissa.

Kehitetyissä yhdistelmämenetelmissä yhdistyvät siirtoyhtälön tarkkuus ja diffuusioapproksimaation laskennallinen tehokkuus. Lisäksi väitöskirjassa on kehitetty laskennallinen menetelmä mittauskuiduissa tapahtuvien valohäviöiden kalibroimiseen.

Väitöskirjassa kehitetyillä menetelmillä voidaan kuvata valon käyttäytymistä kudoksissa sekä mittauslaitteistossa tarkemmin ja siten parantaa optisten tomografiakuvien laatua.


Kuopion yliopiston julkaisuja C. Luonnontieteet ja ympäristötieteet. ISBN 951-27-0357-2.


Kuopion yliopisto
Viestintä
tiedotus_at_uku.fi