Preservation and protection of the head segment is of upmost importance due to the criticality of the functions entailed in this section of the body by the brain and the nervous system. Numerous events in daily life situations such as transportation and sports pose threats of injuries that may end or change a person’s life. In the European Union, statistics report that almost 4.2 million of road users are injured non-fatally, out of which 18% is represented by motorcyclist and 40% by cyclists, being head injuries 34% for bicyclists, and 24% for two-wheeled motor vehicles. Not only vehicles, are a source of injuries for the human head according to the injury report, 6,1 million people are admitted in hospitals for sports related injuries, where sports such as hockey, swimming, cycling presented head injuries up to 28%, 25% and 16% respectively (European Association for Injury Prevention and Safety Promotion, 2013).  According to records the vast majority of head crashes result in an oblique impact (Thibault & Gennarelli, 1985). These types of impacts are characterized for involving a rotation of the head segment which is correlated with serious head injuries. Even though there is plenty of evidence suggesting the involvement of rotational forces current helmet development standards and regulations fail to recognize their importance and account only for translational impact tests. This thesis contains an evaluation for a different developed method for testing oblique impacts. In consequence a new test rig was constructed with basis on a guided free fall of a helmeted dummy head striking an oblique (angled) anvil which will induce rotation. The results obtained are intended to be subjected to a comparison with another oblique test rig that performs experiments utilizing a movable sliding plate which when impacted induces the rotation of a dropped helmeted dummy head. The outcome will solidify the presence of rotational forces at head-anvil impact and offer an alternative testing method. After setting up the new test rig; experiments were conducted utilizing bicycle helmets varying the velocities before impact from 5m/s to 6m/s crashing an angled anvil of 45°. Results showed higher peak resultant values for rotational accelerations and rotational velocities in the new test rig compared to the movable plate impact test, indicating that depending on the impact situation the “Normal Force” has a direct effect on the rotational components. On the other hand a performed finite element analysis predicted that the best correlation between both methods is when the new angled anvil impact test is submitted to crashes with a velocity before impact of 6 m/s at 45° and the movable sliding impact test to a resultant velocity vector of 7,6m/s with an angle of 30° . In conclusion the new test method is meant to provide a comparison between two different test rigs that will undoubtedly have a part in the analysis for helmet and head safety improvements.

This master thesis evaluated the performance of a micro-CT system consisting of Hamamatsu microfocus X-ray source L10951-04 and CMOS flat panel C7942CA-22. The X-ray source and flat panel have been characterised in terms of dark current, image noise and beam profile. Additionally, the micro-CT system’s spatial resolution, detector lag and detector X-ray response have been measured. Guidance for full image correction and methods for characterisation and performance test of the X-ray source and detector is presented. A spatial resolution of 7 lp/mm at 10 % MTF was measured. A detector lag of 0.3 % was observed after ten minutes of radiation exposure. The performance of the micro-CT system was found to be sufficient for high resolution X-ray imaging. However, the detector lag effect is strong enough to reduce image quality during subsequent image acquisition and must either be avoided or corrected for.

Smartphone capnography is a new concept for respiratory monitoring using a colorimetric sensor in combination with a smartphone and an Android application. Compared to using an infrared spectrophotometric carbon dioxide analyzer (IR-analyzer), the gold standard for respiratory carbon dioxide monitoring, smartphone capnography offers a cheaper and less bulky solution. This master thesis evaluates the performance of smartphone capnography and the colorimetric sensor engineered for this concept. Three different techniques (side stream, shunt stream and main stream) were tested. Additionally, an iPhone application was developed as a proof of concept when using an iPhone for smartphone capnography.   An experimental set-up simulating human breathing was assembled and measurements, at different breathing rates (6-30 breaths/min) and carbon dioxide levels (2-7vol%), were performed with an IR-analyzer as reference. Results showed that capnograms from smartphone capnography was comparable to those from the IR-analyzer and that the approximate accuracy was ±0.25vol% for up to 6 days of use. Results strongly motivate further elaboration of the concept and the three different techniques for measuring. / ”Smartphone capnography” är ett nytt koncept för att monitorera andning. Principen är en kombination av en kolorimetrisk sensor, en smartphone samt en Androidapplikation. Jämfört med den dominerande tekniken, en IR-spektrofotometrisk koldioxidanalysator (IR-analysator), så är “smartphone capnography” både billigare och mindre skrymmande. Detta examensarbete utvärderar konceptet ”smartphone capnography” och en kolorimetrisk sensor speciellt utvecklad för ändamålet. Tre olika tekniker (side stream, shunt stream och main stream) har utvärderats. Slutligen utvecklades en iPhoneapplikation för att visa att konceptet ”smartphone capnography” kan användas även med denna typ av smartphone.   Utvärderingen bestod i att göra mätningar i en experimentell uppställning som simulerar andning. Mätningar gjordes vid varierande andningsfrekvenser (6-30 andetag/min) och koldioxidnivåer (2-7vol%). Mätdata från ”smartphone capnography” jämfördes med mätdata från en IR-analysator. Resultaten visar att kapnogram från ”Smartphone capnography” är jämförbara med kapnogram från IR-analysatorn och att den uppskattade noggrannheten är ±0,25vol% för upp till 6 dagars användning. De goda resultaten motiverar fortsatt utveckling av konceptet smartphone capnography samt de olika mätteknikerna.

In order to handle the increasing costs of healthcare more of the care and monitoring will take place in the patient’s home. It is therefore desirable to develop smaller and portable systems that can record important biosignals such as the electrical activity of the heart in the form of an ECG. This project is a continuation on a previous project that developed a shield that can be connected to the GPIO pins of a Raspberry Pi, a credit-card sized computer. The shield contains an ADAS1000, a low power and compact device that can record the electrical activity of the heart along with respiration. The aim of this project was to develop an application that can run on the Raspberry Pi in order to display the captured data from the shield on a screen along with storing the data for further processing. The project was successful in the way that the requirements for the software have been fulfilled. / För att hantera den ökande kostnaden för hälso- och sjukvård kommer en större del av övervakning samt vård att ske i patientens hem. Det kommer därför att vara önskvärt att utveckla mindre system som är lättare att hantera än de större traditionella apparaterna för att samla in vanliga biosignaler som exempelvis ett EKG. Detta projekt är en fortsättning på ett tidigare projekt vars syfte var att framställa en ”sköld” som kan kopplas ihop med en Raspberry Pi via dess GPIO pinnar. Det föregående projektet var lyckat och en sköld innehållande en ADAS1000 som kan samla in bl.a. ett EKG samt andningen framställdes. Syftet med detta projekt var att utveckla en applikation som kan köras på en Raspberry Pi och på så sätt visa den data som samlas in från skölden på en skärm. Det skulle även vara möjligt att spara insamlad data för senare användning. Projektet resulterade i en applikation som uppfyllde dessa krav.

Osteochondral lesions of the talus (OLTs) are the third most common type of osteochondral lesion and can cause pain and instability of the ankle joint. Episurf Medical AB is a medical technology company that develops individualized implants for patients who are suffering from focal cartilage lesions. Episurf have recently started a project that aims to implement their implantation technique in the treatment of OLTs. This master thesis was a part of Episurf’s talus project and the main goal of the thesis was to find the optimal implantation angle of the Episurf implant when treating OLTs. The optimal implantation angle was defined as the angle that minimized the maximum equivalent (von Mises) strain acting on the implant shaft during the stance phase of a normal gait cycle. It is desirable to minimize the strain acting on the implant shaft, since a reduction of the strain can improve the longevity of the implant. To find the optimal implantation angle a finite element model of an ankle joint treated with the Episurf implant was developed. In the model an implant with a diameter of 12 millimeters was placed in the middle part of the medial side of the talar dome. An optimization algorithm was designed to find the implantation angle, which minimized the maximum equivalent strain acting on the implant shaft. The optimal implantation angle was found to be a sagittal angle of 12.5 degrees and a coronal angle of 0 degrees. Both the magnitude and the direction of the force applied to the ankle joint in the simulated stance phase seemed to influence the maximum equivalent strain acting on the implant shaft. A number of simplifications have been done in the simulation of this project, which might affect the accuracy of the results. Therefore it is recommended that further, more detailed, simulations based on this project are performed in order to improve the result accuracy. / Fokala broskskador på talusbenet är den tredje vanligaste typen av fokala broskskador och kan ge upphov till smärta och instabilitet av fotleden. Episurf Medical AB är ett medicintekniskt företag som utvecklar individanpassade implantat för patienter med fokala broskskador. Episurf har nyligen påbörjat ett projekt där deras teknik ska användas i behandlingen av fokala broskskador på talusbenet. Den här masteruppsatsen var en del i Episurfs talusprojekt och dess huvudmål var att finna den optimala implantationsvinkeln av Episurfs implantat i behandlingen av fokala broskskador på talusbenet. Den optimala implanteringsvinkeln definierades som den vinkel som minimerade den effektiva von Mises-töjningen som verkade på implantatskaftet under stance-fasen i en normal gångcykel. Det är eftersträvansvärt att minimera belastningen på implantatskaftet eftersom en reducering av belastningen kan förbättra implantatets livslängd. En finita element-modell av en fotled behandlad med Episurfs implantat utvecklades för att för att finna den optimala implantationsvinkeln. I modellen placerades ett implantat med en diameter på 12 millimeter på mittendelen av talus mediala sida. En optimeringsalgoritm utformades för att finna implantationsvinkeln som minimerade den effektiva von Mises-töjningen på implantatskaftet. Den funna optimala implantationsvinkeln bestod av en vinkel på 12.5 grader i sagittalplan och en vinkel på 0 grader i koronalplan. Både storleken och riktningen på kraften som applicerats på fotleden under den simulerade stance-fasen av gångcykeln verkade påverka belastningen på implantatskaftet. Ett antal förenklingar har gjorts i projektets simuleringar, vilket kan påverka noggrannheten i resultatet. Därför rekommenderas att ytterligare, mer detaljerade simuleringar baserade på det här projektet görs för att förbättra resultatets noggrannhet.

Brain atrophy measurement is increasingly important in studies of neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease. From this perspective, a regional segmentation framework for magnetic resonance images has recently been developed by the team that I joined for my master thesis. It combines an atlas fusion and a tissue classification. A graph-cuts optimization step is then applied to obtain the final segmentation from the combination probability maps. To begin with neighboring constraints were integrated into the optimization step so as to prevent some labels to be adjacent in accordance with anatomical criteria. They were successfully tested on a restricted list of patient images which previously presented segmentation errors. Secondly, a multigrid tissue classification was implemented in order to compensate for the effects of intensity inhomogeneities. However, the visual observations on a few cases showed little improvement compared to the increased computation time. Consequently another possibility was investigated to modify the classification. An atlas-based classification was implemented and tested both on a small-scale and a large-scale. The efficiency of the proposed method was visually assessed on a few patients, especially regarding the separation between grey and white matter. The process was then applied on a database containing several hundreds patients and the results demonstrated an improved group separation based on grey matter volume, whose reduction is particularly significant with patients suffering from Alzheimer’s Disease. To conclude, several links of the segmentation framework have been upgraded, which promises good results for future regional atrophy studies.

Biofilm is an increasing problem in the healthcare and have in urinary catheters long been associated with nosocomial urinary tract infections. The infections caused in 2002 alone 13,000 deaths in the US and annual costs have been estimated to over $400 million. These costs are however most likely underestimated. The analysis of biofilm is important to aid the work on increasing patient safety and reducing the financial implications. A literature study was conducted in order to recommend a method for quantification that was fast, accurate and versatile. Methods used for biofilm quantification are primarily based upon light absorption, light scattering and changes in impedance. A few methods utilizing these properties are spectrophotometry, flow cytometry and coulter counters. Samples of biofilm are usually collected via traditional scraping with a sterile blade or with sonication (ultrasound). Flow cytometry was considered the superior method for quantification along with sonication for sample collection. The survey therefore came to the conclusion that biofilm sample collection should be done with sonication and analysis with flow cytometry. / Biofilm är ett ökande problem inom sjukvården och har i urinkatetrar länge varit associerademed sjukvårdsrelaterade urinvägsinfektioner. Infektionerna orsakade under 200213,000 dödsfall i USA och de ekonomiska kostnaderna har uppskattats till över $400miljoner. Kostnaderna antas dock vara underskattade. Analysen av biofilm är viktig förarbetet med att förbättra patientsäkerhet och minska kostnader relaterade till biofilm.En litteraturstudie användes för att rekommendera en metod som var snabb, noggrannoch mångsidig. Mätmetoder som används för kvantifiering är i huvudsak baserade påljusabsorption, ljusspridning samt förändringar i elektrisk impedans. Några metodersom använder detta är t.ex. spektrofotometri, flödescytometri samt coulter counters.Prover av biofilm samlas ofta in via traditionell skrapning med ett sterilt knivblad ellermed hjälp av ultraljud. Flödescytometri ansågs vara den bästa metoden för kvantifieringtillsammans med ultraljud för provtagning. Utifrån undersökningen drogs slutsatsen attprovtagning bör ske med ultraljud och analys med flödescytometri.

Exercise is widely recognized for its role in the health management and prevention of several chronic diseases. Exercise is considered as a stimulus in the form of physical stress to which a group of anatomical structures in the human body responds by generating a stress response that enables certain physiological modifications essential for restoring systemic homeostasis. A major component of the response is produced through the complex hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis mechanism that results in the release of cortisol which then intercedes with the effects of the stimulus. To investigate how cortisol helps the body adapt to this physical stress it is necessary to gain deep insight into the cortisol response mechanism. However, this is a complex mechanism, so to better understand the mechanics and to be able to analyze complex data, mathematical models are used. Various mathematical models have already been developed that describe different metabolic responses to exercise but to date, to my knowledge, none of these existing models has illustrated the HPA axis response mechanism, particularly cortisol response to physical exercise. Therefore, I have developed a mathematical model that describes cortisol variations on a normal day in the absence of any form of stress and on the day of exercise. The developed cortisol response model could fit simulation to experimental data and also passed the χ2- statistical test. Additionally, the model has been validated on different cortisol experimental data with satisfying results. At last, considering the positive outcome of this mathematical model, it could be used as a groundwork for developing a comprehensive model which can describe other metabolic processes response to exercise such as glucose metabolism together with the cortisol response mechanism in the future.

In this study a biosensor based on real time quartz crystal microbalance (QCM) monitoring is optimized and characterized for the application in the Norosensor. This biosensor is aimed to recognise, capture and amplify Norovirus (NoV). In an initial step a simplified bioassay was developed that focuses on the latter parts of the assay which consists of DNA-guided probing and amplification of the captured virus and includes the development of an amplification model assay directly to the functionalised crystal surface. A padlock probe with matching sequence to the conjugated oligonucleotide on the quartz crystal surface is used as target in the model assay. Although a number of studies have been carried out based on padlock probe ligation and rolling circle amplification (RCA) based QCM sensing, these studies utilize the entire crystal surface to capture and amplify the biomolecule. In this research work the QCM monitoring is explored on a centrally functionalised electrode surface through conjugation only at the centre of the electrode for increased mass sensitivity. Thus, allowing capture and amplification of the padlock probe only at the centre of the quartz crystal. A 14mm diameter, thermoncompensated AT-cut, nonpolished quartz crystal with a 10mm diameter gold surface coating acting as electrode was utilized for QCM measurements. The detection system is based on mass binding and amplification on the QCM to produce a negative frequency shift in the fundamental frequency of the vibrating quartz crystal. The amplification products were additionally fluorescently labelled and fluorescent microscopy images were also obtained at the end of every experiment to verify the presence or absence of DNA capture and amplification. Experimental findings show that the current flow chamber with a 15ul capacity is able to detect a specific padlock probe concentration of 1nM on a conjugated region of ~2.5mm diameter. RCA amplified the mass with an average frequency shift of -80Hz in 60mins RCA incubation time. Further, the specificity and sensitivity of the QCM system was explored. However, the system has limitations where sensor binding of reaction proteins, such as DNA ligase and BSA, to some extent is observed. The storage stability of the functionalized self-assembled monolayer (SAM) on the QCM is also observed to deteriorate and thus, is of concern. Nevertheless the combination of RCA based amplification with QCM real-time monitoring has the potential for rapid and simple, low cost detection of the Norovirus. / I det här arbetet har vi optimerat och karateriserat en biosensor för detektion av Norovirus som orsakar häftiga utbrott av kräksjuka under vinterhalvåret vilket leder till både försämrad vård samt stora ekonomiska förluster för samhället. Målet inom EU projektet “Norosensor” är att utveckla ett snabbtest som kan tillämpas efter ett utbrott på till exempel en vårdavdelning och som ska mäta mängden virus i luften vilket kan fungera som riktlinje för om en avdelning är säker att användas eller ej. Tekniskt är målet med testet att fånga in viruspartiklar från luften som specifikt binds till sensorytan. Därefter ökar vi känsligheten från bundna partiklar genom en DNA-baserad amplifiering. Detta genererar specifik, viruskorrelerad massa som mäts med en kvartskristall mikrovågs sensor. När massan ökar minskar frekvenser vid vilken kristallen vibrerar och detta mäts i realtid. Det här arbetet har inte behandlat infångande eller inbindning av virus utan har fokuserat på den senare delen av protokollet som omfattar amplifieringen på sensorytan. En modell-assay har därför utvecklats där viruspartikeln istället representeras av en så kallad “padlock probe” (hänglås probe). Då sensorn är mycket känslig har först olika protokoll testats för effektiv rengöring av ytan med hjälp av ultraljud. I nästa steg har ytan funktionaliserats med thiol-modifierade syntetiska DNA molekyler som används för infångningen av målmolekylen på sensorytan (virus eller i detta fall padlock proben). Det har tidigare uppskattats att för att få maximal känslighet i massmätningen så är det fördelaktigt att binda viruset endast i mitten på en mycket liten yta av kristallen. Den här avhandlingen har därför fokuserat på att utveckla protokoll för detta där ytan först funtionaliserats i mitten innan resten av ytan blockats för att undvika ospecific inbindning. Resultaten visar att vi kan generera en centrerad funtionalisering och att vi får låg ospecifik binding. Protokollet består av flera biokemiska reakionssteg såsom (i) inbindning och lingering av padlock probe och (ii) amplifiering av den ligerade proben genom “rolling circle amplification”. För att kunna verifiera att vi fått amplifieringsprodukter på ytan har vi dels mätt frekvensändringen på grund av ökad massa men också märkt in dem med fluorescerande molekyler och detekterat dem i microskop. Under arbetets gång har ett flertal olika typer av kristaller testats. Det visade sig att om en polerad yta används (1μm grovhet) så migrerade molekylerna iväg från mitten när vi oscillerade kristallen medan vi fick bättre resultat om något grövre (3μm) ytor användes. Vi testade även ett flertal olika flödesceller av olika material och med olika reaktionsvolymer. Eftersom kristallen är mycket känslig så påverkar faktorer som flödeshastigheter och eventuella luftbubblor frekvensen. Vi optimerade därför detta och körde mätningarna vi6konstant flöde men med alternerande, låga hastigheter när vi tillsatte nya reagens eller inkuberade reaktionerna. Vi förvärmde även reaktionsmixarna för att minska ospeficika effekter och konstaterade att den funktionaliserade ytan påverkades av lagring över tid. I våra försök såg vi att protein såsom ligeringsenzymet och albumin, vilka har förhållandevis stor massa, hade effekter på frekvensen redan i sig genom att binda till ytan. Ytterligare optimeringar måste därför göras framöver för att minska denna inbinding bland annat genom bättre tvättsteg. Vi kunde dock påvisa linjär massökning med ökad amplifieringstid och har bevisad hög specificitet. Slutligen utvecklades ett litet mjukvaruprogram för att automatisera analysen och minska bruset. Sammanfattingsvis har vi lyckats utveckla ett enkelt och snabbt system för specifik massamplifering av Norovirus.

Among the elderly, falling represents a major threat to the individual health, and is considered as a major source of morbidity and mortality. In Sweden alone, three elderly are lost each day in accidents related to falling. The elderly who survive the fall are likely to be suffering from decreased quality of life. As the percentage of elderly increase in the population worldwide, the need for preventive methods and tools will grow drastically in order to deal with the increasing health-care costs. This report is the result of a conceptual study where an algorithm for individualized motion monitoring and pre-impact fall detection is developed. The algorithm learns the normal state of the wearer in order to detect anomalous events such as a fall. Furthermore, this report presents the requirements and issues related to the implementation of such a system. The result of the study is presented as a comparison between the individualized system and a more generalized fall detection system. The conclusion is that the presented type of algorithm is capable of learning the user behaviour and is able to detect a fall before the user impacts the ground, with a mean lead time of 301ms. / Bland äldre är risken för att drabbas av fallrelaterade skador överhängande, ofta med svåra fysiska skador och psykiska effekter som följd. Med en ökande andel äldre i befolkningsmängden beräknas även samhällets kostnad för vård att stiga. Genom aktiva samt preventiva åtgärder kan graden av personligt lidande och fallre- laterade samhällskostnader reduceras. Denna rapport är resultatet av en konceptuell studie där en algoritm för aktiv, individanpassad falldetektion utvecklats. Algoritmen lär sig användarens normala rörelsemönster och skall därefter särskilja dessa från onormala rörelsemönster. Rapporten beskriver de krav och frågeställningar som är relevanta för utvecklingen av ett sådant system. Vidare presenteras resultatet av studien i form av en jämförelse mellan ett individanpassat och generellt system. Resultatet av studien visar att algoritmen kan lära sig användarens vanliga rörelsemönster och därefer särskilja dessa från ett fall, i medelvärde 301ms innan användaren träffar marken.