Nimi

Fototerminen terapia on lämpöön perustuva hoitomuoto, jossa soluja tuhotaan lämpöenergian avulla. Verenkiertoon syötetään halkaisijaltaan nanometrin kokoisia hiukkasia, joiden on tutkittu tuottavan lämpöenergiaa, kun niitä kohti osoitetaan lähi-infrapunalserilla. Tällä tavoin tuotettu lämpöenergia aiheuttaa näitä hiukkasia ympäröiville syöpäsoluille solukuoleman. Nanohiukkasina voidaan käyttää mm. kultaa tai melaniinia. Näitä hiukkasia voidaan päällystää erityyppisillä solukalvoilla, jotta ne säilyisivät elimistössä kauemmin ja niiden lämmön tuotto kyky paranisi. Päällystettyjen nanohiukkasten tarkoituksena on löytää kasvain ja jäädä sinne. Niiden ongelmaksi on kuitenkin muodostunut se, että ne eivät säily elimistössä tarpeeksi kauan, jotta riittävä määrä nanohiukkasia ehtisi löytää tiensä perille kasvaimeen. Tämän takia uusia päällysteitä etsitään jatkuvasti luonnosta ja etenkin elimistön omista soluista. Käytettäessä kojteen omia soluja, voidaan minimoida elimistön hylkimisreaktio vierasperäiselle aineelle. Kun elimistön oma puolustusjärjestelmä ei luokittele nanohiukkasia tunkeilijoiksi, pitenee niiden kiertoaika mahdollisesti sen verran, että hiukkaset ehtivät löytää kasvaimen.

Fototermisen terapian etuina on sen kajoamattomuus potilaaseen. Koeolosuhteissa suoritetut tutkimukset ovat osoittaneet sen hyvän tarkkuuden ja minimaaliset haittavaikutukset terveeseen kudokseen. Vaikka nanohiukkaset kiertävät koko elimistössä verenkierron avustuksella, ei niillä ole ollut tutkitusti haittavaikutusta kohteen elintoimintoihin. Kokeet ovat tähän mennessä keskittyneet luotuihin tilanteisiin joko soluviljelmillä tai koehiirillä. Koe hiirten kanssa ollaan päästy parhaimmillaan tuloksiin, missä niillä ollut kasvain on tuhoutunut kokonaan, eikä uudistumista ole havaittu hoidon jälkeen. Nanomateriaalien käyttö fototermisessä terapiassa saattaa tulevaisuudessa mahdollistaa tehokkaan hoitokeinon syöpää vastaan. Ennen kliiniseen käyttöön ottamista on kuitenkin suoritettava vielä paljon tutkimustyötä, jotta voidaan varmistua hoidon kaikkien vaiheiden turvallisuudesta.

Milla-Iida Laari

Tämä mahdollistaa parempaa etäkuntoutusta, ja helpottaa kuntouttavan ammattilaisen työtä ja mahdollistaa liikkeen kvantitatiivistä analyysiä kun pystytään hlposti määrittämään liikeradat reaaliaikaisesti esimerkiksi puhelimen tai web-kameran kuvasta. Tällöin potilaan tekemiä kuntoutusharjoituksia voidaan tulkita tarkasti ilman fysioterapeutin läsnäoloa, jolloin kuntoutuksen seuranta tulee merkittävästi halvemmaksi ja toisena hyötynä on se ettei potilaan tarvitse matkata kotoaan pois lyhyttä seurantatapaamista varten.

Kuntoutusharjoitteiden lisäksi menetelmä avaa monia muita mahdollisuuksia terveydenhuollossa. Esimerkiksi lasten liikkumisessa esiintyviä poikkeamia voidaan havaita videokuvasta tehdyn liikkeenkaappauksen avulla, jolloin tiettyjä neurologisia sairauksia voidaan havaita aikaisemmassa vaiheessa ja hoito voidaan aloittaa nopeammin. Erityisesti lasten tapauksessa on hyötyä että tarvittava video voidaan kuvata kotioloissa ilman lapselle outojen henkilöiden läsnäoloa joten lapsen käyttäytimine ei häiriinny.

Pyry Turunen

Transkraniaalinen magneettistimulaatio (TMS) on kajoamaton ja kivuton neurofysiologian menetelmä, joka perustuu sähkömagneettiseen induktioon. TMS:ssa pään lähelle asetetaan stimulointikela johon johdetaan vaihtovirtaa. Stimulointikela luo ympärilleen voimakkaan magneettikentän. Magneettikenttä penetroituu kallon läpi ja indusoi aivoissa sähkökentän. Indusoitunut sähkökenttä aktivoi aivokuorella tapahtuvaa sähköistä toimintaa. Tämä menetelmä mahdollistaa hoidon sairauksille, kuten unihäiriöille, missä aivokuoren sähköinen toiminta on poikkeavaa. TMS on jo kliinisessä käytössä muissa sairauksissa, kuten esimerkiksi masennuksen hoidossa Suomessa.

TMS:ta on tutkittu obstruktiivisen uniapnean, levottomien jalkojen oireyhtymän, unettomuuden sekä bruksismin hoidossa. Tutkimustulokset ovat olleet lupaavia, ja TMS on ehkäissyt näiden unihäiriöiden oireita merkittävästi ilman sivuvaikutuksia.

TMS voi olla tulevaisuuden hoitomenetelmä, joka minimoi muiden hoitomuotojen aiheuttamia haittavaikutuksia. Esimerkiksi unettomuuden hoidossa käytetään usein lääkehoitoja, jotka sisältävät haittavaikutuksia etenkin pitkässä käytössä. TMS voi toimia myös levottomien jalkojen oireyhtymän hoitomuotona, johon ei tällä hetkellä ole olemassa luotettavia hoitokeinoja.

Tutkimuksia TMS:n käytöstä unihäiriöiden hoidossa on melko vähän, joten sen kliininen käyttöönotto vaatii vielä runsaasti tutkimustyötä. Toimiessaan TMS:sta voi olla suuri hyöty niin yksilön, kuin yhteiskunnan kannalta unihäiriöiden hoidossa.

Miro Rytkönen

Sädehoidolla tarkoitetaan pahanlaatuisen kasvaimen säteilyttämistä ionisoivalla säteilyllä. Ionisoiva säteily irrottaa syöpäsolujen atomeista elektroneja, mikä johtaa lopulta solujen tuhoutumiseen. Valitettavasti ionisoiva säteily tuhoaa syöpäsolujen lisäksi myös terveen kudoksen ja säteilylle riskialttiiden elimien soluja. Sädehoidon toteuttaminen on näin ollen hyvin haastava ongelma, jossa kasvaimeen pyritään kohdistamaan riittävän suuri säteilyannos hoidon tehokkuuden varmistamiseksi samaan aikaan, kun riskialttiiden elimien saama annos pyritään pitämään mahdollisimman pienenä. Sädehoitosuunnitelmia laatiessa pyritään siis optimoimaan useaa erilaista tavoitetta samaan aikaan.

Kliinisiä tavoitteita kuvataan kohdefunktioiden avulla. Koska tavoitteita on useita, ja ne ovat keskenään lähes aina ristiriitaisia, ei sädehoitoon liittyvällä optimointiongelmalla ole ainoastaan yhtä ratkaisua. Mahdollisia ratkaisuja verrataan keskenään Pareto-optimaalisuuden käsitteen kautta. Optimointiongelman ratkaisu on Pareto-optimaalinen, jos yhdenkään kohdefunktion arvoa ei voida parantaa huonontamatta toisen arvoa. Monitavoiteoptimointimenetelmiä on useita, ja ne jaetaan neljään alaluokkaan.

Monitavoiteoptimoinnin avulla voidaan laatia hoitosuunnitelmia tyypillisesti käytettyyn sädehoidon IMRT-tekniikkaan. IMRT:ssä kasvaimeen kohdistetaan säteilykeiloja useasta eri suunnasta, ja jokaisen säteilykeilan muodostamaa intensiteettikuviota voidaan muokata. Intensiteettikuvion optimaalisella muokkaamisella mahdollistetaan kulmatarkka ja homogeeninen kasvaimeen kohdistuva annos, ja riskialttiiden elinten säästäminen. Monitavoiteoptimointia voidaankin hyödyntää juuri intensiteettikuvioiden optimoimiseen.

Monitavoiteoptimoinnin hyödyntämisessä sädehoidossa, on saatu useita lupaavia tuloksia, joiden mukaan sen hyödyntäminen voisi mahdollistaa entistä pienemmät säteilyannokset riskialttiille elimelle, kuitenkin pitämällä kasvaimeen kohdistuvan säteilyannoksen vastaavana kuin ei-monitavoiteoptimoiduissa hoitosuunnitelmissa. Sädehoitosuunnitelmat laaditaan perinteisesti iteratiivisella prosessilla, joka vie hyvin paljon aikaa. Monitavoiteoptimointi puolestaan mahdollistaa suunnitelmien laatimisen hyvin nopeasti, mikä edelleen mahdollistaa hoitosuunnitteluun osallistuvan henkilökunnan tehokkaamman työskentelyn.

Tatu Martikainen

Unensaurantalaitteissa koneoppimismalleja käytetään usein unirakenteen muodostamiseen. Unirakenne muodostetaan perinteisesti univaiheistuksen kautta, joka on toimenpide, jossa ihmisen fysiologisten signaalien tai tallenteiden perusteella luokitellaan eri univaiheet koko yön kestävään unirakenteeseen. Nykyään unirakenteen muodostamista tehdään yhä enemmän neuroverkkoja hyödyntämällä. Nämä koneoppimismenetelmät mahdollistavat automaattisen univaiheistuksen, mikä mahdollistaa kotonakäytettyjen unenseurantalaitteiden käytännöllisyyden ja vähentää ammattilaisiin kohdistuvaa kuormitusta, jota aiheutuu perinteisestä manuaalisesta univaiheistuksesta.

Ongelmana on kuitenkin se, että unirakenteita luovat neuroverkot eivät ilmaise eivätkä perustele sitä päätöksentekoa, jota unirakenteen luomisessa tapahtuu. Tätä ongelmaa on lähestytty selitettävillä koneoppimismalleilla. Selitettävät neuroverkot ovat osoittautuneet varsin lupaaviksi edistysaskeliksi kohti automaattisen unirakenteen sekä kotona käytettävien puettavien antureiden suvaitsemista kliiniseen käyttöön. Tuoreimmat tutkimukset, jotka ovat kehittäneet selitettäviä neuroverkkoja unirakenteen teettämiseen, ovat tähän asti pyrkineet neuroverkon tuottavan unirakenteen lisäksi visuaalisia graafeja. Näistä graafeista on tarkoitus nähdä piirteitä ja ominaisuuksia, joita neuroverkko on tallenteista oppinut ja painottanut univaiheistusta varten. Nämä piirteet jäljittävät ammattilaisen manuaalista univaiheistusta.

Kuitenkin puettavien kotona käytettävien unenseurantalaitteiden sekä selitettävien neuroverkkojen yhteistoiminta tarvitsee vielä paljon kehitystä, jos päämääränä on saada kotona käytettävät laitteet kuluttajien käyttöön siten, että ammattilaisten ei tarvitsisi investoida aikaa unirakenteiden tuottamiseen.

Roope Latikka

Litiumioniakut koostuvat anodista, katodista ja elektrolyytistä. Nykyisin käytössä olevissa litiumioniakuissa käytetään yleensä nestemäistä elektrolyyttiä. Nämä nestemäiset elektrolyytit ovat kuitenkin myrkyllisiä ympäristölle, jos akku alkaa vuotamaan. Ne ovat myös herkästi syttyviä ja akun syttyessä tuleen se on vaikea sammuttaa ja voi saada paljon tuhoa aikaan, jos esimerkiksi sähköauto syttyy tuleen parkkihallissa. Näitä ongelmia voidaan välttää käyttämällä akuissa kiinteitä elektrolyyttejä. Kiinteät elektrolyytit eivät pääse vuotamaan akusta ympäristöön, eivätkä ne ole palavia.

Kiinteitä elektrolyyttien käyttöön liittyy kuitenkin ongelmia, joiden takia niitä ei ole vielä saatu laajempaan käyttöön. Yksi ongelmista on elektrolyytin ja akun elektrodien, eli anodin ja katodin välisen rajapinnan huono kontakti. Rajapinnan pitää olla sellainen, että se johtaa hyvin litiumioneja ja elektroneita. Rajapinnalle saattaa myös syntyä alueita, jotka johtavat ioneita huonosti, jolloin akun suorituskyky heikkenee. Näitä ongelmia voidaan korjata esimerkiksi käyttämällä erilaisia elektrodimateriaaleja tai lisäämällä rajapinnalle johtavuutta parantavia aineita.

Toinen ongelma on luoda kiinteä elektrolyytti, joka johtaa hyvin litiumioneja, koska kiinteiden aineiden ionien johtavuus ei ole yleensä kovin hyvä. Johtavuutta voidaan parantaa lisäämällä elektrolyyttimateriaaliin erilaisia suoloja tai tehdä elektrolyytin rakenteesta sellainen, että siinä on ionikanavia, joita pitkin ionit pääsevät kulkemaan.

Kiinteitä elektrolyyttejä käyttämällä voidaan saada aikaan akkuratkaisuja, joiden energiatiheys on suurempi kuin nykyisten nestemäisiä elektrolyyttejä käyttävien akkujen energiatiheys. Tällöin akkuihin saadaan varastoitua enemmän energiaa. Jos tulevaisuudessa löydetään toimiva ja tehokas akkuratkaisu, joka käyttää kiinteää elektrolyyttiä, niin tällöin voidaan ratkaista esimerkiksi liikenteen sähköistymiseen liittyviä ongelmia.

Tuomas Härkönen

Nivelrikkoa on aikaisemmin pidetty nivelten kulumisesta seuranneena sairautena, mutta näin ei kuitenkaan ole vaan kyseessä on monimutkaisempi kemiallinen prosessi, joka tapahtuu nivelrustossa aivan solutasolla. Tämä kemiallinen prosessi aktivoituu pitkäkestoisen mekaanisen rasituksen seurauksena nivelrustosoluissa sen solukalvolla olevien mekaanisesti herkkien reseptoreiden kautta. Nämä mekaanisesti herkät reseptorit aktivoivat soluissa erilaisia solunsisäisiä signalointiväyliä, jotka saavat aikaan solun toiminnallisia ja rakenteellisia muutoksia, jotka voivat johtaa liiallisen mekaanisen rasituksen seurauksena esimerkiksi juuri nivelrikon syntyyn. Nivelten normaali toiminnan kannalta liikkuminen eli mekaaniset ärsykkeet ovat sopivissa määrin erittäin tärkeä osa nivelen tasapainotilan säilyttämisessä.

Mekaanisesti herkät reseptorit siis reagoivat solun kokemaan mekaaniseen rasitukseen, minkä takia ne ovat otollisia nivelrikon kehittymisen tutkimisessa. Reseptoreiden avulla on pystytty määrittelemään nivelrikon ensimmäisiä vaiheita ja näitten vaiheiden etenemistä on koitettu estää lääkkeitten avulla.

Nykyiset lääkkeet ovat pystyneet hidastamaan nivelrikon edistymistä hiiren nivelrustosoluissa ja ihmisen polvesta otetussa nivelrustonäytteessä, mutta lääkkeet eivät ole vielä pystyneet täysin parantamaa nivelrikkoa hiirellä tai toimimaan edes hidastavana tekijänä koko nivelrustolle ihmisellä. Nykyisissä lääkkeissä on siis vielä parannettavaa, mutta tutkimusten tulokset antavat toivoa uuden menetelmän kehittämisestä erityisesti, kun osa mekaanisesti herkistä reseptoreista on löydetty

nivelrustosoluista vasta 2010-luvulla. Kehitys on ollut nopeaa ja mitä enemmän tietoa mekaanisesti herkistä reseptoreista opitaan, sitä todennäköisemmin lääkkeet saadaan toimimaan ja tekonivelkirurgian tilalle halvempi ja toimiva ratkaisu.

Janne Kankkunen

Biogeeninen sekundaarinen orgaaninen aerosoli on luontaisista lähteistä syntyvä sekundaarinen aerosoli. Aerosolit ovat kaasussa leijuvien nesteiden ja kiinteiden hiukkasten seoksia. Sekundaarinen aerosoli on taas edeltävistä kaasuista kehittyvä joko höyrypartikkelien kondensaatiosta tai uusien partikkelien nukleaatiosta syntyvä. Kyseisillä aerosoleilla on tutkittu olevan potentiaalista vaikutusta maapallon säteilypakotteeseen eli heijastuvien ja absortoituvien säteiden väliseen suhdetta kuvaavaan termiin.

Biogeeniset sekundaariset orgaaniset aerosolit pystyvät ideaalisissa olosuhteissa, kuten tarpeeksi hapettuneina, hygroskooppisina ja isokokoisina heijastamaan auringon valoa. Aerosolit pystyvät myös toimimaan pilvipisaroiden tiivistymisytiminä vaikuttaen pilvien heijastumiskykyyn. Mitä tummempi pilvi sen huonompi heijastumiskyky. Aerosolit täten tekevät pilvistä kirkkaampia. Auringonvalon heijastuminen täten auttaa viilentämään ilmastoa ja puolustautumaan lämmittävää vaikutusta vastaan luontaisin keinoin.

Biogeenisen sekundaarisen orgaanisen aerosolin vaikutuksen suurudesta on kuitenkin epävarmuuksia. Tiedossa on, että aerosoleilla on heijastava vaikutus, mutta toisaalta tiedetään aerosolien voivan myös absorboivan auringon valoa. Tulevaisuuden vaikutusta on myös vaikea ennustaa ilmakehän muuttuvien olosuhteiden takia. Tällä hetkellä kuitenkin ilmaston fossiilisten polttoaineiden lämmittävä vaikutus on paljon suurempi kuin luontaisten aerosolien viilentävä vaikutus. Ilmiötä on syytä tutkia lisää ilmastonmuutoksen kannalta.

Arttu Rantasalo

Kuljettajan väsymyksellä on merkittävä vaikutus liikenneturvallisuuteen. Jopa 20 % liikenneonnettomuuksista johtuu juurikin autoilijan väsymyksestä. Ongelma on vielä suurempi raskaassa liikenteessä, jossa väsymyksen aiheuttamien liikenneonnettomuuksien osuus on jopa 40-60 %. Näin ollen tehokkaalla väsymyksen havaitsemisella ja havainnan jälkeisellä autoilijan varoituksella olisi suuri merkitys liikenneturvallisuuden kannalta.

Autoilijan väsymyksen havainnassa käytetään erilaisia silmistä havaittavia mittoja, kuten esimerkiksi silmien pupillien pinta-aloja tai silmien räpäytysten lukumääriä. Näitä erilaisia mittoja käyttämällä pystytään autoilijan väsymys havaitsemaan hyvinkin tarkasti, jopa 95,10 % tarkkuudella. Silmiä havainnoiva kamera lähettää tietokoneelle jatkuvaa videokuvaa, josta erilaiset ohjelmat ja algoritmit tekevät väsymyksen havainnan. Nämä menetelmät ovat myös melko halpoja autotehtaille ja samalla myös huomaamattomia, sillä silmänliikekamerat ovat pienentyneet ja laadultaan parantuneet viime vuosina.

Huonona puolena silmänliikedata-analyysillä väsymyksen havainnassa on se, että silmänliikekamera ei pysty aina havaitsemaan autoilijan silmiä. Tämä voi johtua esimerkiksi tummista aurinkolaseista tai siitä, että kasvot on käännetty pois kameran kuvasta. Tämän ongelma on kuitenkin mahdollista ohittaa liittämällä tämä väsymyksen havainta mekanismi muihin mekanismeihin kuten ratista ja polkimista väsymyksen havaitsemiseen.

Ville Kallinen

Litiumioniakkujen kierrätys on haasteellista, mutta välttämätöntä ympäristökuormituksen vähentämiseksi. Nykyiset kierrätysmenetelmät eivät ole riittävän tehokkaita, ja teollisuuden on panostettava ympäristöystävällisiin ratkaisuihin. Esimerkiksi hydrometallurgiset ja pyrometallurgiset kierrätysmenetelmät ovat yleisiä, mutta niillä on omat rajoituksensa.Litiumioniakkujen elinkaaren loppuessa niiden sisältämät haitalliset aineet voivat aiheuttaa merkittäviä ympäristöongelmia, jos niitä ei käsitellä asianmukaisesti. Kierrätysprosessien tehostaminen vähentäisi kaatopaikoille päätyvien akkujen määrää ja edistäisi kiertotaloutta. Innovatiiviset ratkaisut, kuten biokemialliset kierrätysmenetelmät ja suljetun kierron prosessit, voivat tarjota uusia mahdollisuuksia tehokkaampaan materiaalien talteenottoon.

Litiumioniakkujen ympäristöystävällinen kierrätys on kriittinen tekijä kestävän teknologian kehityksessä. Yhteistyö eri toimijoiden välillä, kuten akkuvalmistajien, kierrätysyhtiöiden ja tutkimuslaitosten, on välttämätöntä uusien ratkaisujen löytämiseksi. Tulevaisuudessa akkujen kierrätyksen integroiminen osaksi tuotantoprosessia voi vähentää ympäristövaikutuksia merkittävästi ja edistää resurssien kestävää käyttöä.

Suvi Taberman

Tällä hetkellä käytössä olevilla perinteisillä menetelmillä nivelrikon kehittymisen havaitseminen sen alkuvaiheessa on hyvin hankalaa, jolloin nivelrikon kehittyminen havaitaan liian myöhään. Tämän vuoksi on kehitetty tutkimusmenetelmä, joka tarjoaa tarkempaa ja aikaisempaa tietoa siitä mikä nivelrikon aiheuttaa. Tätä mentelmää kutsutaan fluoresenssiohjatuksi atomivoimamikroskopiaksi. Fluoresenssi viittaa halutun kudosalueen löytämiseen ja atomivoimamiksroskopia kudoksen mekaanisten ominaisuuksien mittaamiseen. Kyseisen menetelmän avulla voidaan vertailla nanometrien tarkkuudella nivelkudoksen mekaanisia ominaisuuksia sen eri osa-alueissa.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että aggrekaanin pitoisuus on merkittävässä roolissa nivelruston jäykkyyden kannalta. On myös havaittu, että posttraumaattisen nivelrikon kehittyminen hiirellä on voitu havaita jo yhden viikon jälkeen mediaalisen nivelkierukan heikkenemisestä, kun taas perinteisin histologisin menetelmin nivelrikko on voitu havaita vasta 4-8 viikon jälkeen. Nivelrikko ei ole myöskään ainoa tutkimuksen kohde, jota fluoresenssiohjatulla atomivoimamikroskopialla voidaan tutkia. Esimerkiksi ihmisen korvan tärykalvon ominaisuuksia on voitu tutkia kyseisen menetelmän avulla.

Edelleenkään ei ole tiedossa mikä nivelrikon kehuittymisen käynnistää, mutta fluoresenssiohjatun atomivoimamiksroskopian avilla nivelrikon kehtityminen voidaan havaita paljon aikaisemmin kuin ennen ja tiedetään mitkä kudoksen ainesosat vaikuttavat nivelen toimivuuteen. Tulevaisuudessa fluoresenssiohjatulla atomivoimamikroskopian avulla voidaan parantaa diagnostiikkaa nivelrikon korjaamista varten. Tutkimusmenetelmän hyödyntäminen on vielä hyvin varhaisessa vaiheessa, joten menetelmällä on varmasti vielä paljon saavutettavaa.

Jeri Pylkkänen