Abstract The prognosis of patients with head and neck squamous cell carcinoma has improved only little during the last decades. Clinical markers for the biological aggressiveness of the cancer are few. The most reliable prognostic indicator is the stage of the disease. Research of the significance of the TP53 tumor suppressor gene as a predictive marker for prognosis and response to treatment in head and neck cancer has given discrepant results. One reason is probably the attempt to use p53 immunohistochemistry as a surrogate for TP53 mutations. However, in immunohistochemistry the protein is analyzed and thus the result does not usually correlate with TP53 mutations. The marker for prognosis of the response to treatment has to be reliable, and the analytical method needs to be both sensitive and specific. In addition to a sensitive method for TP53 mutation analysis the localization and quality of the mutations have to be analyzed to reveal the significance of the mutation on the function of the p53 protein. In this study, TP53 mutations were analyzed, using a sensitive PCR-SSCP method, in the tumors of patients with head and neck squamous cell carcinoma. The quality and localization of mutations were analyzed by sequencing. The frequency of the TP53 mutations and the effect on the function of the p53 protein were studied using IARC TP53 mutation database and literature. Correlation of TP53 mutations with chemical exposure and their significance on prognosis and response to radiation treatment was studied. In addition, the significance of cell cycle regulators cyclin D1, p16, p21 as potential markers of biological aggressiveness of tumors was studied. The results of this study showed that the patients carrying in their tumor TP53 mutations in the DNA binding region of the gene had been exposed to chemicals more than patients with no mutation or other types of mutations. These mutations also correlated with biological aggressiveness and prognosis and the response to radiation treatment. It was also shown that a combination of cyclin D1 and p16 analyzed by immunohistochemistry correlated with worse prognosis in head and neck cancer. / Tiivistelmä Pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpää sairastavien potilaiden ennuste ei ole juurikaan parantunut viime vuosikymmeninä. Syövän biologista aggressiivisuutta kuvaavia ennustetekijöitä on vähän, luotettavimpana niistä taudin levinneisyys. Tutkimustulokset TP53-kasvunrajoitegeenin merkityksestä prognostisena ja hoitovastetta kuvaavana, prediktiivisenä merkkiaineena pään ja kaulan alueen syövissä ovat ristiriitaisia. Tämä johtuu muun muassa siitä, että p53-immunohistokemiaa on yritetty käyttää TP53-mutaatioiden analysoimiseen. Immunohistokemiassa analysoidaan proteiinia, eikä tulos siksi yleensä korreloi TP53-mutaatioiden esiintymiseen. Prognostisen tai hoitovastetta ennustavan merkkiaineen tulee mitata haluttua asiaa luotettavasti, ja sen analysoimiseen tulee käyttää herkkää ja spesifistä menetelmää. Herkän mutaatioanalyysimenetelmän lisäksi mutaatioiden paikan ja laadun tarkempi analysoiminen on välttämätöntä, jotta saadaan selville mutaation merkitys p53 proteiinin toiminnalle. Tässä työssä tutkittiin pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpää sairastavien potilaiden kasvaimista TP53- mutaatioiden esiintymistä validoidulla, herkällä PCR-SSCP-menetelmällä. Mutaatioiden laatu ja sijainti geenissä analysoitiin sekvensoimalla. IARC:n TP53-mutaatiotietopankin ja kirjallisuuden tietojen avulla selvitettiin mutaatioiden yleisyys ja niiden vaikutus p53-proteiinin toimintaan. Tutkimuksessa selvitettiin TP53-mutaatioiden korrelaatiota kemialliseen altistumiseen ja niiden merkitystä potilaan ennusteeseen ja sädehoitovasteeseen. Lisäksi tutkittiin solusyklin säätelijöiden sykliini D1-, p16- ja p21-proteiinien merkitystä taudin biologiseen aggressiivisuuteen. Väitöskirjatutkimuksen tulokset osoittivat, että potilaat, joiden kasvaimessa oli TP53-mutaatio DNA-sitoutumisalueella, olivat altistuneet kemikaaleille enemmän kuin potilaat, joiden kasvaimissa oli toisenlaisia mutaatioita tai ei mutaatiota ollenkaan. Tutkimuksessa havaitut mutaatiot liittyivät taudin biologiseen aggressiivisuuteen ja huonoon ennusteeseen sekä heikompaan sädehoitovasteeseen. Lisäksi havaittiin, että sykliini D1- ja p16-proteiinin yhdistelmä immunohistokemiallisesti analysoituna korreloi huonoon ennusteeseen pään ja kaulan syövissä.

Abstract Free flap surgery (FFS) is used for the reconstruction of head and neck defects after tumor resection. Compared to many other cancers requiring operative care, postoperative complications are frequent and the long-term outcome is poor in this patient group. The impact of postoperative complications on outcome, quality of life (QOL) and causes of death has not been well studied. The aim of this thesis was to study the factors associated with postoperative complications after FFS for cancer of the head and neck, as well as the impact of complications on QOL and long-term outcomes. The thesis includes one prospective and three retrospective studies. The study population was 146 head and neck patients undergoing FFS in Oulu University Hospital from 2008 to 2016. The impact of goal-directed fluid management using SVV (stroke volume variation) analysis on postoperative outcome was evaluated retrospectively. It led to a significant reduction in intraoperative fluid administration (6070 ml vs. 8185 ml) and length of stay (LOS) in hospital (11.5 vs. 14.0 days) but had no impact on the rate of postoperative complications. Postoperative complications were recorded in 60% of the patients and were related to alcohol abuse, complicated intraoperative course and fibular flap surgery. The patients with late complications (occurring after the fourth postoperative day) had higher mortality compared to those without. The QOL of 53 patients undergoing operations during 2013-2016 was evaluated using four questionnaires. Patients with medical complications (n=12, 22.6%) had significantly lower QOL in most domains of RAND-36 but QOL for those without complications was comparable to the general population. A total of 62/146 patients (42.5%) died by the end of 2016, and in 72.6% of cases the cause of death was the primary disease. In multivariate analysis male gender, low BMI, ASA above 2 and late medical complications were indicative for long-term mortality. In conclusion, postoperative complications have an impact on outcome after FFS for cancer of the head and neck in terms of QOL and long-term mortality. Patient-related factors were associated with unfavorable outcomes when intraoperative factors did not have as significant a role. Prevention of medical complications and adequate patient selection are essential when aiming to improve outcome after FFS. / Tiivistelmä Mikrovaskulaarikielekkeitä käytetään korjaamaan kasvaimen poiston vuoksi syntyneitä kudospuutoksia pään ja kaulan alueen syöpäpotilailla. Näihin toimenpiteisiin liittyy merkittävä komplikaatioriski ja myös itse syövän pitkäaikaisennuste on huono. Komplikaatioiden vaikutusta toipumisvaiheen elämänlaatuun ja kuolleisuuteen ei ole tutkittu. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää tekijöitä, jotka liittyvät leikkauksen jälkeisiin komplikaatioihin, ja niiden merkitystä potilaiden elämänlaatuun ja pitkäaikaisennusteeseen. Tutkimuskokonaisuus koostuu kolmesta retrospektiivisestä tutkimuksesta ja yhdestä prospektiivisesta haastattelututkimuksesta. Tutkimukseen kuului 146 vuosina 2008–2016 Oulun yliopistollisessa sairaalassa leikattua pään ja kaulan alueen syöpäpotilasta. Tutkimuksessa selvitettiin tavoiteohjatun nestehoidon vaikutusta välittömään toipumisvaiheeseen, mutta tällä ei todettu olevan vaikutusta komplikaatioiden ilmaantumiseen. Sen sijaan potilaiden saama nestemäärä väheni merkitsevästi (6070 ml vs. 8185 ml) ja sairaalahoitojakson pituus lyheni (11,5 päivää vs. 14 päivää). Komplikaatioita todettiin 60 % leikkauksista ja useimmin komplikaation sai potilas, jolla oli alkoholin liikakäyttöä, ongelmia toimenpiteen aikana ja luullinen siirre. Neljännen leikkauksen jälkeisen päivän jälkeen ilmenneisiin komplikaatioihin liittyi korkeampi pitkäaikaiskuolleisuus. Elämänlaatu arvioitiin 53 potilaalta, jotka oli leikattu vuosina 2013–2016. Ei-kirurgisia komplikaatioita esiintyi 12 potilaalla ja heidän raportoimansa elämänlaatu oli merkitsevästi alentunut verrattuna muihin potilaisiin. Ilman komplikaatioita toipuneiden elämänlaatu oli verrattavissa väestöarvoihin. 42,5 % leikatuista potilaista oli kuollut vuoden 2016 loppuun mennessä ja 72,6 % heistä kuolema johtui hoidetusta syövästä. Monimuuttujamallissa pitkäaikaiskuolleisuuden riskitekijöitä olivat miessukupuoli, matala BMI, ASA-luokka yli 2 sekä todetut ei-kirurgiset komplikaatiot. Yhteenvetona voidaan todeta, että komplikaatioilla on merkitystä toipumisvaiheen elämänlaatuun ja pitkäaikaiskuolleisuuteen tässä potilasryhmässä. Potilaslähtöiset tekijät vaikuttavat merkittävästi komplikaatioiden ilmaantumiseen ja myös huonoon ennusteeseen. Ei-kirurgisten komplikaatioiden estäminen kuten myös oikea potilasvalinta ovat keskeisessä asemassa, kun tämän potilasryhmän hoidon tuloksia halutaan parantaa.

Abstract In this thesis we study the spatial throughput of interference-limited wireless networks from different perspectives, considering that the spatial distribution of nodes follows a 2-dimensional homogeneous Poisson point process and transmitters employ Gaussian point-to-point codes. To carry out this analysis, we model the interrelations between network elements using concepts from stochastic geometry, communication theory and information theory. We derive closed-form equations to compute/approximate the performance metric that is chosen to evaluate the system for each given specific scenario. Our first contribution is an investigation about whether it is preferable to have a large number of short single-hop links or a small number of long hops in multi-hop wireless networks, using a newly proposed metric denominated aggregate multi-hop information efficiency. For single-hop systems, we revisit the transmission capacity framework to study medium access protocols that use asynchronous transmissions and allow for packet retransmissions, showing when a carrier sensing capability is more suitable than synchronous transmissions, and vice-versa. We also cast the effective link throughput and the network spatial throughput optimization problems to find the combination of medium access probability, coding rate and maximum number of retransmissions that maximize each metric under packet loss and queue stability constraints, evincing when they do (and do not) have the same solution. Furthermore we analyze the expected maximum achievable sum rates over a given area – or spatial capacity – based on the capacity regions of Gaussian point-to-point codes for two decoding rules, namely (i) treating interference as noise (IAN) and (ii) jointly detecting the strongest interfering signals treating the others as noise (OPT), proving the advantages of the second. We additionally demonstrate that, when the same decoding rule and network density are considered, the spatial-capacity-achieving scheme always outperforms the spatial throughput obtained with the best predetermined fixed rate strategy. With those results in hand, we discuss general guidelines on the construction of ad hoc adaptive algorithms that would improve the information flow throughout the interference network, respecting the nodes’ internal and external constraints. / Tiivistelmä Tässä työssä tutkitaan häiriörajoitteisten langattomien verkkojen tila-alueen suorituskykyä, olettaen verkkosolmujen sijoittuvan 2-ulotteisen Poissonin pisteprosessin mukaisesti, sekä olettaen lähettimien hyödyntävän Gaussisia pisteestä-pisteeseen -koodeja. Suorituskykyanalyysi pohjautuu stokastiseen geometriaan, tietoliikenneteoriaan sekä informaatioteoriaan. Suljetun muodon suorituskyky-yhtälöitä hyödyntäen arvioidaan suorityskykymetriikoita eri skenaarioissa. Työn aluksi esitetään uusi monihyppyverkkojen informaatiotehokkuuteen perustuva metriikka. Sen avulla voidaan tutkia onko tehokkaampaa käyttää useita lyhyen hypyn linkkejä vai pienempää määrää pidempien hyppyjen linkkejä. Yhden hypyn verkoissa tutkitaan mediaanpääsyprotokollia asynkronisissa verkoissa pakettien uudelleenlähetykseen perustuen ja verrataan tätä synkroniseen lähetykseen ilman vapaan kanavan tunnistusmekanismia. Työssä tutkitaan myös linkin efektiivisen suorituskyvyn ja verkon tila-alueen suorituskyvyn optimointia, jotta sopiva yhdistelmä mediaan pääsyn todennäköisyydelle, koodausnopeudelle ja uudelleenlähetysten maksimilukumäärälle löytyisi ja samalla maksimoisi jokaisen käytetyn metriikan ehdollistettuna paketin menetyksille ja jonon stabiilisuudelle. Lisäksi arvioidaan maksimaalista odotettavaa nettosiirtonopeutta tietyllä alueella, eli tila-alueen kapasiteettia, Gaussimaisen pisteestä-pisteeseen koodien kapasiteettialueisiin perustuen kahta eri dekoodaussääntöä hyödyntäen: (i) olettaen häiriön olevan kohinaa tai (ii) ilmaisemalla voimakkaimmat häiriösignaalit ja olettaen muiden olevan kohinaa. Jälkimmäinen osoittautui tehokkaammaksi menetelmäksi. Työssä osoitetaan myös, että samalla dekoodaussäännöllä ja verkon tiheydellä tila-alueen kapasiteetin saavuttava menetelmä on aina tehokkaampi kuin tavanomainen tila-alueen suorituskykyyn perustuva kiinteän siirtonopeuden menetelmä. Saavutettujen tulosten valossa työssä esitetään yleisiä suunnittelumenetelmiä mukautuville ad hoc -algoritmeille, joiden avulla voidaan parantaa tiedonsiirtoa häiriörajoitteisissa verkoissa, ehdollistettuna verkon solmujen sisäisille ja ulkoisille rajoitteille.

Abstract Despite the greater strategic importance and increasing activities in the Arctic as well as the increased attention paid by national governments, few attempts have been made to understand the on-going demographic changes from a pan-Arctic perspective. In particular, population aging or “silverization” is a demographic megatrend affecting regional societies and the economy which can exert profound social consequences in this most desolate and least populated region in the world. Although there are a few studies investigating aging in the Arctic countries, none have extended their research to the sub-national level. This thesis consists of an analysis of aging and possible rejuvenation trends in 23 Arctic sub-regions, and compares these trends to the national average of their eight respective countries. Two groups of indicators have been used to measure aging; these are based on “chronological” and “prospective” ages, the latter considers changes in life expectancy and improvements in population health. The study generated a large set of aging data for the period 1980/1990 to 2010 as well as the present day, utilizing the available baseline data. The discussion examined major trends in aging elucidating the interactions of conventional and prospective indicators, revealed the oldest and youngest territories, linkages between the Arctic and nationwide rates, the fastest and slowest regions that are aging (or in contrast, rejuvenating), sex and ethnic differences, and whether Northern Canada and Alaska, North Atlantic, Arctic Russia and Northern Fennoscandia are converging or diverging in terms of aging development. In addition, the interplay of causes of aging and other demographic conditions of Arctic territories was examined as well as the gaps in knowledge and prospects for future research. The international comparative evidence of the thesis can help the northern communities’ policy makers in planning changes that have to be made in order to adjust to an aging transition. It is clear that sustainable population development is the key to a viable Arctic region. / Tiivistelmä Arktisella alueella tapahtuvaa väestörakenteen muutosta ja sen syitä on tutkittu vähän, vaikka alueen merkitys ja aktiviteetit ovat korostuneet valtioiden strategioissa. Erityisesti väestön ikääntyminen tai ”harmaantuminen” on yleinen demografinen suuntaus, joka vaikuttaa pohjoisten alueiden väestöön ja talouteen ja voi johtaa syvällisiin yhteiskunnallisiin seurauksiin tällä maailman harvaan asutuimmalla alueella. Ikääntymistä on tutkittu jonkin verran yksittäisissä maissa, mutta ei näiden maiden pohjoisissa osissa. Tässä väitöskirjatyössä analysoidaan ikääntymistä ja mahdollista nuorentumista kahdeksan arktisen maan 23 pohjoisella alueella ja näitä verrataan saman maan kansalliseen keskiarvoon. Ikääntymisen mittareina on käytetty kahta mittaustapaa perustuen joko ”kronologiseen” tai ”prospektiiviseen” ikään, joista jälkimmäinen huomioi muutokset odotettavissa olevassa eliniässä sekä väestön terveydentilan kohentumissa. Tutkimuksen tuloksena syntyi laaja ikääntymistä käsittelevä tietoaineisto vuosilta 1980/1990 vuoteen 2010/nykypäivään perustuen käytettävissä oleviin lähtöaineistoihin. Tässä työssä yksilöitiin ikääntymisen pääsuuntaukset ja vertailtiin perinteisten ja uusien indikaattoreiden tuottamia tuloksia. Lisäksi selvitettiin ikääntymisen kannalta väestöltään vanhimmat ja nuorimmat alueet, verraltiin arktisen alueen ja kansallisten lukujen välisiä yhteyksiä sekä esiteltiin nopeimmin ja hitaimmin ikääntyvät (tai nuorentuvat) alueet sekä sukupuoleen ja etnisyyteen liittyviä eroja. Tutkimus luo uutta tietoa Pohjois-Kanadan ja Alaskan, Pohjois-Atlantin alueen, Venäjän arktisen alueen sekä pohjoisen Fennoskandian väestöjen ikääntymiskehityksestä. Lisäksi väitöskirjatyö analysoi ikääntymiskehityksen ja muiden väestökehitykseen liittyvien olosuhteiden syitä arktisella alueella sekä tulevaisuuden tutkimustarpeita. Kansainvälinen vertailu voi auttaa valtioiden ja alueiden päättäjiä tekemään suunnitelmat, joilla pohjoiset yhteisöt voivat sopeutua ikääntymisen tuomiin haasteisiin. Kestävä väestökehitys on avain elinvoimaiseen arktiseen alueeseen.

Abstract The past two decades have witnessed an unprecedented proliferation of mobile devices equipped with extremely innovative wireless technologies. Short range networks, such as wireless personal area networks (WPANs), wireless sensor networks (WSNs) and wireless body area networks (WBANs) have been defined and researched to deliver high speed home connectivity, environment and health monitoring. This thesis tackles design, analysis and simulation of medium access control (MAC) protocols tailored for short range networks. These have in common the use of battery operated devices but also certain design challenges connected with MAC protocols are common upon selecting the physical layer technology. Ultra wideband (UWB) technology and 60 GHz technology (which is referred to also as millimeter wave communications) are two valid examples of the wireless revolution of the past decade. Several existing standards, such as IEEE 802.15.3, ECMA-368, IEEE 802.15.4 and its amendment IEEE 802.15.4a, are considered in this thesis for MAC analysis in conjunction with UWB technology. With regard to millimeter wave communications the characteristics of the IEEE 802.15.3c standard are taken into account. Apart for the IEEE 802.15.3c all the MAC protocols have been modeled in the network simulator Opnet. One contribution of this thesis is to produce an innovative and in-depth analysis of the management aspects (e.g. ECMA-368 distributed beaconing) stemming from the above mentioned standards by means of analytical and simulation models. This study approach allows selecting the MAC features suitable for the applications and the technologies of interest. The key performance metric used to analyze all the protocols is energy efficiency, but also throughput is investigated. Another contribution brought by this thesis consists in the innovative way of studying slotted-based MAC protocols as an integrated concept connected with the type of network, the type of application and the selected physical technologies. This thesis also shows MAC performance in conjunction with UWB when false alarm, miss-detection and receiver capture (capture is modeled by means of an existing interference model) are taken into consideration. Most of the unrealistic, though common, assumptions in MAC analysis are removed and the performance of selected medical applications is evaluated through Opnet simulations. The well known binary exponential backoff is analyzed with an innovative though simplified one-dimensional Markov chain approach in the context of directional MAC for 60 GHz communications. As shown in the remainder of this thesis, the simplification introduced does not hinder the accuracy of the results, but rather allows accounting even for a finite number of retransmissions with a simple chain extension. / Tiivistelmä Kahden viime vuosikymmenen aikana innovatiivisella langattomalla tekniikalla varustettujen viestintälaiteiden määrä on kasvanut räjähdysmäisesti. Lyhyen kantaman verkkoja kuten langattomia henkilökohtaisen alueen verkkoja (WPAN), langattomia anturiverkkoja (WSN) ja langattomia vartaloalueen verkkoja (WBAN) on määritelty ja tutkittu, jotta voitaisiin tuottaa korkeanopeuksisia kotiyhteyksiä sekä välineitä ympäristön ja terveydentilan seurantaan. Tämä väitöskirja käsittelee lyhyen kantaman viestintään suunniteltujen linkinohjauskerroksen MAC-protokollien suunnittelua, analysointia ja simulointia. Näissä kaikissa käytetään akkukäyttöisiä laitteita, mutta myös tietyt MAC-protokollien suunnittelun haasteet ovat tavallisia fyysisen kerroksen teknologiaa valittaessa. Ultra-laajakaistainen (UWB) teknologia ja 60 GHz teknologia (eli millimetriaallonpituusalueen tietoliikenne) ovat hyviä esimerkkejä kuluneen vuosikymmenen langattomasta vallankumouksesta. Tässä väitöskirjassa huomioidaan UWB teknologiaan liittyvää MAC-kerroksen analyysiä tehtäessä useat olemassa olevat standardit, kuten IEEE 802.15.3, ECMA-368, IEEE 802.15.4 ja sen lisäys IEEE 802.15.4a. Millimetriaallonpituusalueen tietoliikenteessä huomioidaan myös IEEE 802.15.3c standardin erityispiirteet. IEEE 802.15.3c:tä lukuun ottamatta kaikki MAC-protokollat on mallinnettu Opnet verkkosimulaattorilla. Tämä tutkimus tarjoaa innovatiivisen ja syväluotaavan tutkimuksen näiden standardien pohjalta ja analyyttisten ja simuloitujen mallien avulla kehitetyistä hallinnallisista lähestymistavoista (esim. ECMA-368 hajautettu majakkasignaali). Näiden avulla voidaan valita kohteena oleviin sovelluksiin ja teknologioihin parhaiten soveltuvia MAC-ominaisuuksia. Kaikkien protokollien analysointiin käytetty ensisijainen suorituskykymittari on energiatehokkuus, mutta myös datanopeuksia on tarkasteltu. Tässä tutkimuksessa esitellään myös innovatiivinen tapa tutkia MAC protokollia integroituina konsepteina suhteessa verkon ja sovellusten tyyppiin sekä fyysisen kerroksen teknologiaan. Lisäksi tämä väitöskirja esittelee MAC suorituskykyä UWB verkossa silloin, kun siinä otetaan huomioon väärät hälytykset, väärä havainnointi ja vastaanottimen signaalinkaappaus (vastaanoton mallintamiseksi käytetään olemassa olevaa interferenssimallia). MAC analyysistä poistetaan useimmat epärealistiset, vaikkakin tavalliset, olettamukset, ja verkkojen suorituskykyä tarkastellaan valittujen kriittisten parametrien monitoroinnissa Opnet-simulaatioiden avulla. Tunnettua binäärijakoinen eksponentiaalinen perääntyminen -algoritmia analysoidaan innovatiivisella, yksinkertaistetulla yksiulotteisella Markov-ketju -mallilla 60 GHz:n suunta-antenni MAC:n yhteydessä. Kuten tässä tutkimuksessa tullaan osoittamaan, esitelty yksinkertaistus ei rajoita tulosten tarkkuutta, vaan mukaan voidaan lukea jopa rajallinen määrä uudelleenlähetyksiä yksinkertaisen Markovin ketjun laajennuksen avulla.

Abstract Rivers create unique habitat for aquatic life and provide ecosystem services for humans. Thus, degradation of river water quality is a serious, global problem. Water quality is the outcome of anthropogenic and natural landscape factors and the interaction of these two. To improve water quality, robust and quick methods are needed to study the complex, spatio-temporally dependent relation between water quality and environment conditions across extensive areas. This thesis aimed to study the relationship between water quality (total phosphorus and nitrogen, pH, water colour and dissolved oxygen) and environmental factors in boreal rivers combining grid-based data and statistical methods. The study comprised of 34 Finnish rivers with their catchments. First, the effect of natural and human-induced environmental factors on water quality was studied. Then, (a) the ability of the characteristics of different spatial scales around the river channel and under different discharge conditions to predict water quality was explored and (b) the suitability of the applied statistical methods (generalized linear and additive models, partitioning methods, non-metric multidimensional scaling) in water quality studies was evaluated. As expected, the results highlighted the impact of agricultural activities on water quality as nutrients and pH increased, together with the cover of agricultural activities. However, when studied as a group, natural factors explained water quality better than land use/cover. Lakes were strongly related to decreased nutrients and water colour. The effect of fine-grained soils on nutrients and pH was positive. In the scale studies, nutrients and water colour were best explained by the characteristics of the entire catchment but pH was mostly predicted by the characteristics of the 50 m riparian zone. The connection between water quality and environment was strongest during high-flow discharge periods. The results encourage the use of the applied methods, showing that the combination of grid-based data and advanced statistical methods provide an efficient first-filter estimate of water quality-environment relations. Spatial-based statistical modelling provides a crucial framework for river, water resources and land use management. The applied methods can also be seen as essential tools when predicting the impacts of global change on water quality. / Tiivistelmä Joet luovat vesielämälle ainutlaatuisen elinympäristön ja tarjoavat ihmisille ekosysteemipalveluja. Jokien vedenlaadun huononeminen onkin vakava, maailmanlaajuinen uhka. Vedenlaatua määrittävät luonnolliset ja ihmisen muokkaamat ympäristötekijät sekä näiden yhteisvaikutus. Vedenlaadun kohentamiseksi tarvitaan luotettavia ja nopeita menetelmiä, joiden avulla voidaan tutkia monimutkaista, alueellisesti ja ajallisesti riippuvaa yhteyttä vedenlaadun ja ympäristöolojen välillä laajoilla alueilla. Tässä väitöskirjassa oli tavoitteena tutkia vedenlaadun (kokonaisfosfori ja -typpi, pH, väriluku ja liukoinen happi) ja ympäristön yhteyttä boreaalisella vyöhykkeellä käyttäen paikkatietoaineistoja ja tilastollisia menetelmiä. Tutkimusalueena oli 34 suomalaista jokea valuma-alueineen. Ensinnäkin tutkittiin luonnollisten ympäristötekijöiden ja ihmistoiminnan vaikutusta vedenlaatuun. Tavoitteena oli myös selvittää, miten joen ympärillä olevien erikokoisten vyöhykkeiden ominaisuudet ja vaihtelevat virtaamaolosuhteet selittävät vedenlaatua. Lopuksi arvioitiin käytettyjen tilastollisten menetelmien (yleistetyt lineaariset ja additiiviset mallit, hajonnan ositusmenetelmät, ordinaatioanalyysi) soveltuvuutta vedenlaatututkimuksissa. Tuloksissa korostui odotetusti valuma-alueen maatalouden vaikutus vedenlaatuun. Ravinteiden määrä ja pH-luku kasvoivat maatalouden lisääntyessä. Muuttujien ryhmittäisessä tarkastelussa ympäristön luonnolliset ominaisuudet selittivät vedenlaatua maankäyttöä/-peittoa paremmin. Järvisyyden lisääntyminen oli yhteydessä ravinteisuuden ja väriluvun laskuun. Hienorakeiset maalajit olivat yhteydessä ravinteisuuden ja pH-luvun nousuun. Mittakaavatarkastelussa ravinteisuutta ja värilukua ennustivat parhaiten koko valuma-alueen ominaisuudet, mutta pH-lukua selittivät parhaiten ominaisuudet 50 m:n vyöhykkeellä joen ympärillä. Ympäristön ja vedenlaadun yhteys oli voimakkaimmillaan, kun jokien virtaamat olivat korkeimmillaan. Tämä väitöskirja osoittaa, että paikkatietoaineistojen ja sovellettujen tilastollisten menetelmien yhteiskäyttö tuottaa tehokkaita malleja vedenlaadun ja ympäristön välisestä yhteydestä. Spatiaalis-tilastollinen mallinnus tarjoaa tärkeän viitekehityksen jokien ja vesistöjen käytön sekä maankäytön suunnitteluun. Lähestymistapa voidaan nähdä myös tärkeänä välineenä ennustettaessa globaalimuutoksen vaikutusta vedenlaatuun.

Abstract Matrix metalloproteinases (MMPs) are the zinc-dependent endopeptidases which belong to a large family of proteases. MMPs are responsible for degradation and remodeling of extracellular matrix proteins during growth, organogenesis and tissue turnover. Besides their role in physiological processes, MMPs also influence various pathological processes, i.e., inflammatory diseases and cancers, in which MMPs may ultimately lead to unwanted tissue destruction. One of the most widely studied MMPs is MMP-8. MMP-8 was previously thought to be expressed only by neutrophils. Presently, it is evident that MMP-8 can be expressed in a wide range of cells such as macrophages, plasma cells, T-cells, endothelial cells, smooth muscle cells, oral epithelial cells, fibroblasts etc. MMP-8 has been previously studied in inflammation and malignancies. High serum MMP-8 concentration is associated with the presence of atherosclerosis and poor cardiovascular disease prognosis, while higher plasma MMP-8 levels protect against lymph node metastasis. Certain MMP-8 gene variations can alter promoter activity and subsequent gene expression. MMP-8 gene variation influences obstetrical outcomes, and lung and breast cancer prognosis. For our study, we hypothesized that systemic levels of MMP-8 correlate with its genetic variations and appear as novel risk markers for disease. We aimed to address the potential role of MMPs and their regulators with a special focus on MMP-8 in distinct sets of inflammatory and malignant diseases, i.e. arterial diseases, and head and neck squamous cell cancer (HNSCC). We demonstrated that the combination of high serum MMP-8 and low myeloperoxidase (MPO) levels is an important risk marker for arterial disease. Further, we demonstrated that MMP-8 gene variation is protective against arterial diseases. Interestingly, we were able to demonstrate an association between MMP-8 gene variation and serum MMP-8 concentration in a healthy population. On the other hand, we showed that plasma tissue inhibitor of matrix metalloproteinases (TIMP-1) concentration is associated with survival in HNSCC patients and TIMP-1 genotype is associated with plasma TIMP-1 levels in women only. Collectively, our study showed that serum MMP-8 levels can be used as an important risk marker in arterial disease and TIMP-1 levels in HNSCC patients. Based on our results, the hypothesis raised has been widely confirmed. Additionally, our study has warranted the need for further investigation involving a larger number of patients. If our results are replicable, serum MMP-8 and plasma TIMP-1 could be used to develop diagnostic tools as well as treatment regimes in clinics. / Tiivistelmä Matriksin metalloproteinaasit (MMP:t) ovat sinkkiriippuvaisia endopeptidaaseja, jotka kuuluvat laajaan proteiineja pilkkovaan proteolyyttiseen entsyymi perheeseen. MMP:ien tehtävä on pilkkoa ja uudelleen muokata soluväliaineen proteiineja kasvun, elinten kehityksen ja kudosten uusiutumisen aikana, mutta MMP:t toimivat aktiivisesti myös patologisissa prosesseissa, kuten tulehdustiloissa ja syövissä. Syövissä MMP:en vaikutus voi johtaa ei-toivottuun kudostuhoon. Yksi laajimmin tutkituista MMP-ryhmän entsyymeistä on MMP-8, jonka alunpitäen ajateltiin ilmenevän vain neutrofiileissä. Nykytietämyksen mukaan MMP-8:aa ilmentyy myös mm. makrofaageissa, plasmasoluissa, T-soluissa, endoteelisoluissa, sileälihassoluissa, suun limakalvon epiteelisoluissa ja fibroplasteissa. MMP-8:aa on aikaisemmin tutkittu erityisesti tulehdustiloissa ja pahanlaatuisissa kasvaimissa. Korkean MMP-8 seerumipitoisuuden on havaittu liittyvän valtimokovettumatautiin ja huonoon ennusteeseen sydän- ja verisuonisairauksissa, kun taas kohonnut MMP-8:n pitoisuus plasmassa suojaa imusolmuke-etäpesäkkeiltä. Tiedetään, että tietyt muutokset MMP-8:n geenissä voivat muuttaa sen promoottoriaktiviteettia ja täten säädellä geenin ilmentymistä. MMP-8:n geenimuutokset vaikuttanevat raskaudenkulkuun sekä keuhko- ja rintasyövän ennusteeseen. Tutkimushypoteesimme mukaan MMP-8:n seerumipitoisuudet riippuvat vaihtelusta MMP-8:aa koodaavassa geenissä ja niitä voidaan pitää uusina riskinarvioinnin merkkiaineina tautitiloissa. Tavoitteenamme oli osoittaa yleisesti MMP:ien ja erityisesti MMP-8:n sekä näiden proteinaasien säätelytekijöiden merkitys tietyissä tulehdustiloissa ja maligniteeteissa, kuten sepelvaltimotaudissa ja pään ja kaulan alueen syövissä. Havaitsimme, että korkea MMP-8 seerumipitoisuus ja alhainen myeloperoksidaasitaso yhdistyvät vahvasti valtimotautiriskiin. Lisäksi osoitimme, että tietty MMP-8:n geenimuunnos on suojaava tekijä valtimotaudille ja että MMP-8:n seerumikonsentraatio on siitä riippuvainen terveillä tutkituilla. Tämän lisäksi todensimme, että MMP:n kudosestäjän (tissue inhibitor of matrix metalloproteinases, TIMP-1) plasmapitoisuus liittyy pään ja kaulan alueen levyepiteelisyöpää sairastavien potilaiden eloonjääntiin ja että TIMP-1:n genotyyppi liittyy sen plasmapitoisuuteen ainoastaan naisilla. Tulostemme mukaan seerumin MMP-8-pitoisuutta voidaan pitää hyvänä riskinarviointivälineenä verisuonitaudeissa sekä TIMP-1-pitoisuutta vastaavasti pään ja kaulan alueen levyepiteelisyövissä. Saadut tulokset tukevat olettamustamme, jonka mukaan MMP-8 on tärkeä tautimarkkeri. Tämä on lisännyt kiinnostusta selvittää MMP:ien merkitystä laajemmin muissa tulehdustiloissa ja syövissä. Jos tulokset saadaan toistetuksi laajemmassa tutkimusaineistossa, seerumin MMP-8:sta voidaan kehittää kliinisten ja analyyttisten laboratorioiden käyttöön sopiva diagnostinen menetelmä.

Abstract The Internet of Things (IoT) is already providing solutions to various tasks related to monitoring the environment and controlling devices over wired and wireless networks. It is estimated by several well-known research facilities that the number of IoT devices will be in the order of tens of billions by 2020. This inevitably brings challenges and costs in deployment, management, and maintenance of networks. The focus of this thesis is to provide solutions that mainly help in the deployment and maintenance of various wireless IoT networks. Different applications have different requirements for a wireless link coverage. It is important to utilize suitable radio technology for a particular application in order, e.g., to maximize the lifetime of a device. A wireless body area network (WBAN) typically consists of devices that are within couple of meters from each other. The WBAN is suitable for, e.g., measuring muscle activity and transferring data to a storage for processing. The wireless link can use air as a medium, or alternatively, an induced electric field to a body can be used. In this thesis, it is shown that a location of the electrodes in the body have impact to the attenuation. Home automation IoT applications are typically implemented with mid-range wireless technologies, known as wireless personal area networks (WPAN). In order to minimize and get rid of battery change operations, a wake-up receiver could be utilized in order to improve the device’s energy efficiency. The concept is introduced and performance of the current state-of-the-art works are presented. In addition, a control loop enabling a passive device to have control over an energy source is proposed. Applications that have low bandwidth requirements can be implemented with low-power wide area networks (LPWAN). One technology – LoRaWAN – is evaluated, and it is recommended as based on the results to use it in non-critical applications. / Tiivistelmä Esineiden internet (Internet of Things, IoT) mahdollistaa jo laajan kirjon erilaisia ratkaisuja ympäristön monitorointiin ja laitteiden hallintaan hyödyntäen sekä langattomia että langallisia verkkoja. Usea hyvin tunnettu tutkimusorganisaatio on arvioinut, että vuonna 2020 IoT laitteiden määrä tulee olemaan kymmenissä miljardeissa. Se luo väistämättä haasteita laitteiden sijoittamisessa, hallinnassa ja kunnossapidossa. Tämä väitöskirja keskittyy tarjoamaan ratkaisuja, jotka voivat helpottaa langattomien IoT laitteiden sijoittamisessa ja kunnossapidossa. IoT sovellusten laaja kirjo vaatii erilaisia langattomia radioteknologioita, jotta sovellukset voitaisiin toteuttaa, muun muassa, mahdollisimman energiatehokkaasti. Langattomassa kehoverkossa (wireless body area network, WBAN) käytetään usein hyvin lyhyitä langattomia linkkejä. WBAN on soveltuva esimerkiksi lihasten aktiivisuus mittauksessa ja mittaustiedon siirtämisessä talteen varastointia ja prosessointia varten. Linkki voidaan toteuttaa käyttäen ilmaa rajapintana, tai vaihtoehtoisesti, kehoa. Tässä työssä on näytetty, että käytettäessä kehoa siirtotienä, elektrodien sijainnilla on merkitystä signaalin vaimennuksen kannalta. Kotiautomaatio IoT sovellukset ovat tyypillisesti toteutettu käyttäen langatonta likiverkkoa, jossa linkin pituus sisätiloissa on alle 30 metriä. Jotta päästäisiin eroon pariston vaihto-operaatiosta tai ainakin vähennettyä niiden määrää, herätevastaanotinta käyttämällä olisi mahdollista parantaa laitteiden energiatehokkuutta. Herätevastaanotin konsepti ja tämänhetkistä huipputasoa edustavien vastaanottimien suorituskyky ovat esitetty. Lisäksi, on ehdotettu menetelmä joka takaa energian saannin passiiviselle IoT laitteelle. IoT sovellukset jotka tyytyvät vähäiseen kaistanleveyteen voidaan toteuttaa matalatehoisella laajan alueen verkolla (low-power wide area network, LPWAN). Yhden LPWAN teknologian, nimeltään LoRaWAN, suorituskykyä on evaluoitu. Tulosten perusteella suositus on hyödyntää kyseistä teknologiaa ei-kriittisissä sovelluksissa.