Abstract This work presents the development of a new optical imaging system. Previous objections have claimed that it is easier to build a single good quality field lens than a large number of good microlenses and it is therefore better to use a field objective. The possible benefits from a field lens are here traded for a more compact and cost-efficient design that would be suitable for field diagnostics. The new imaging setup described in this work is based on a microlens array capable of capturing light field data and no other refractive optics are used. Hundreds of lenses with a diameter range 100 to 200 µm are used to capture small elementary images containing a small part of the sample. The design uses a single light source aperture enabling signal separation between the elementary images from the neighboring lenses. Prior art uses, for example, physical structures behind lenses for signal separation, making the suggested approach less complex. Further, the possibility for using printed microlens arrays for imaging instead of expensive glass lenses is studied. The captured light field data consisting of elementary images must be rendered for human viewing. A new method is developed where the rendering is based on gathering the resulting pixel values on a plane set freely in object space, enabling single pass rendering with possibilities to apply statistics to the contributing data improving the rendering quality. Commonly used projection or mosaicing based integration approaches do not allow this. The developed system has its resolution limited by the camera sensor pixel size and objects a few micrometers in size can be resolved. The results show that the imaging setup can be used to capture semi-microscopic images without expensive magnifying optics and it is useful in selected applications. For example, it is shown that the eggs of parasites causing Schistosomiasis can be detected automatically in a microscope sample. It is estimated that the system could be mass produced at low cost. The new system has no moving parts making it less susceptible to mechanical failures and it is compact in comparison with conventional microscopes. It could be a part of a point of care solution needed in diagnostic fieldwork. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa kuvataan ja tarkastellaan uutta mikrolinsseihin perustuvaa mikroskooppista kuvantamismenetelmää. Aiemmin mikrolinssejä on käytetty tavanomaisten mikroskooppien ominaisuuksien laajentamiseen. Tässä työssä perinteiset mikroskooppiobjektit korvataan linssimatolla, kompaktin ja kustannustehokkaan rakenteen saavuttamiseksi. Käyttökohteena laitteelle on kenttädiagnostiikka. Uusi kuvausjärjestelmä perustuu mikrolinssimattoihin, joilla pystytään näytteistämään valokenttää. Muuta taittavaa optiikka ei käytetä. Sadat halkaisijaltaan 100-200 µm olevat linssit kuvaavat kukin pienen osan näytteestä. Linssien välisten signaalien sekoittumisen estämiseen käytetään hyvin kontrolloitua valonlähdettä. Aiemmin esitetyissä ratkaisuissa käytetään esimerkiksi fyysisiä rakenteita yksittäisten linssien takana. Nyt esitetty ratkaisu on yksinkertaisempi. Työssä esitetään uusi menetelmä osakuvista muodostuvan datan rekonstruktioon. Tuloskuvien muodostamiseksi pikselien arvot kerätään rekonstruktiopinnalle, joka on sijoitettu vapaasti esineavaruuteen. Tämä mahdollistaa laskennallisesti tehokkaan tuloskuvan muodostuksen, sekä tilastollisten menetelmien käytön tuloksen laadun parantamiseen. Kehitetyn järjestelmän resoluutiota rajoittaa kameran pikselikoko ja sillä voidaan havaita muutaman mikrometrin kokoisia kohteita. Tulokset osoittavat, että kuvausmenetelmä sopii mikroskooppisten kohteiden kuvaamiseen ilman kalliita suurentavia linssejä. Menetelmän käyttökelpoisuutta havainnollistetaan, muun muassa, automaattisella Schistosoma parasiitin munien tunnistuksella virtsanäytteestä. Uusi kuvausjärjestelmä on mahdollista toteuttaa edullisesti, siinä ei ole liikkuva osia ja se on pieni verrattuna tavanomaiseen mikroskooppiin. Esitetty ratkaisu soveltuu yhdeksi vaihtoehdoksi kenttädiagnostiikan tarpeisiin.

Abstract Bone marrow mesenchymal stromal cells (MSCs) and mononuclear cells (BM-MNCs) have shown great therapeutic potential in various clinical settings. Although intravascular transplantation of the cells constitutes the optimal delivery route, massive pulmonary entrapment, with the threat of embolization, remains a major obstacle for using this type of therapy. Because pulmonary entrapment is at least partially mediated by adhesion molecules, cell surface modification could enhance pulmonary passage. We used a porcine model of allogeneic MSC and autologous BM-MNC transplantation and radionuclide labelling to track the cells. The role of the transplantation route on lung entrapment, biodistribution, safety and BM-MNC targeting to the injured brain was studied. Effects of pronase detachment on the lung passage of MSCs were studied in porcine and murine models; a rat model of acute limb injury was used to further evaluate tissue targeting. Treatment with pronase to detach cell surface molecules and the effect on stem cell potential was assessed in vitro. Intra-arterial administration of MSCs diminishes their lung deposition; intravascular transplantation did not cause pulmonary embolisms. Intra-arterially transplanted BM-MNCs did not reach the brain in significant numbers. Transient proteolytic modification of MSCs with pronase decreased lung accumulation and tissue targeting without affecting their therapeutic characteristics. Intra-arterial transplantation increases lung passage of MSCs. Although thromboembolic events were not observed, further studies are warranted to ensure the safety of this route of MSC delivery. Pronase detachment is a promising method to enhance the potential of systemic MSC therapies. / Tiivistelmä Luutytimen mesenkymaaliset kantasolut (MSC) ja mononukleaariset solut (BM-MNC) ovat osoittautuneet tehokkaiksi useissa kliinisissä käyttöaiheissa. Solujen systeeminen annostelu verenkiertoon olisi käytännön kannalta paras soluterapian toteutukseen, mutta solujen merkittävä taipumus jäädä keuhkoihin loukkuun ja veritulppariski muodostavat haasteen. Keuhkohakeutumisen tiedetään ainakin osin johtuvan solujen pintamolekyyleistä ja näiden muokkaaminen voisi parantaa solujen keuhkoläpäisevyyttä. Tutkimuksessa käytettiin koe-eläimenä sikaa, jolle istutettiin systeemisesti allogeenisia mesenkymaalisia kantasoluja tai autologisia luuytimen mononukleaarisia soluja; solujen kudoshakeutumisen seuranta toteutettiin isotooppileimauksella- ja kuvannuksella. Tutkimuksessa arvioitiin annostelureitin vaikutusta keuhkoläpäisevyyteen, solujen kudojakautumista, toimenpiteen turvallisuutta sekä mononukleaarisolujen hakeutumista vaurioituneeseen aivokudokseen. Pronaasikäsittelyn vaikutusta mesenkymaalisten kantasolujen keuhkoläpäisevyyteen arvioitiin sika- ja hiirimallissa; rotan raajavauriomallia käytettiin lisäksi pronaasin kudoshakeutumisvaikutusten arvioimiseen. Pronaasikäsittelyn vaikutuksia solujen pintarakenteisiin ja toiminnallisuuteen arvioitiin in vitro- kokeissa. Mesenkyymalisten kantasolujen annostelu valtimonsisäisesti paransi solujen keuhkoläpäisevyyttä; tutkimuksissa käytetyt solut eivät aiheuttaneet keuhkoveritulppia. Valtimonsisäisesti annostellut mononukleaarisolut eivät hakeutuneet vaurioituneeseen aivokudokseen sikamallissa. Pronaasikäsittely muovasi solujen pintaproteiineja palautuvasti ja tämä lisäsi huomattavasti mesenkymaalisten kantasolujen keuhkoläpäisevyyttä ja kudoshakeutumista vaikuttamatta solujen toiminnallisuuteen. Mesenkymaalisten kantasolujen annostelu valtimonsisäisesti voi parantaa solujen keuhkoläpäisevyyttä. Tutkimuksessa ei todettu keuhkoveritulppaa tai muita tromboembolisia tapahtumia, mutta lisätutkimuksia tarvitaan MSC- terapian turvallisuuden takaamiseksi. Pronaasikäsittelyn tulokset mesenkymaalisten kantasolujen systeemisen annostelun parantamisessa olivat lupaavia.

Abstract Epidemiological and clinical data suggest that acute appendicitis might have two different forms with different disease severities. Uncomplicated and complicated acute appendicitis appear to be distinct entities instead of consecutive events. Appendicitis does not always inevitably progress to perforation and most cases are uncomplicated by nature. This supports the importance of an accurate differential diagnosis between uncomplicated and complicated acute appendicitis enabling treatment optimization. This thesis consists of three studies. The first study evaluated the possibility to differentiate between uncomplicated and complicated appendicitis using only clinical symptoms and laboratory markers with a special focus on predicting the presence of an appendicolith without the use of modern imaging. We found neither sufficiently reliable to accurately estimate the severity of acute appendicitis or to determine the presence of an appendicolith, supporting the use of computed tomography imaging to assess the disease. The second study focused on clarifying the histopathological differences between uncomplicated acute appendicitis and acute appendicitis presenting with an appendicolith; a calcified deposit of faecal material in the appendiceal lumen. It’s presence has been shown to predict perforation and failure of conservative treatment. This study evaluated the histopathological findings of computed tomography diagnosed uncomplicated acute appendicitis and appendicolith appendicitis without perforation. Acute appendicitis presenting with an appendicolith was histopathologically different from uncomplicated acute appendicitis on all the assessed histological parameters, indicating the potentially complicated nature of appendicolith appendicitis. The third study was a randomized, multicentre clinical trial comparing interval appendectomy with follow-up with magnetic resonance imaging after successful initial non-operative treatment of complicated acute appendicitis presenting with a periappendicular abscess. The study hypothesis was that an interval appendectomy might not be necessary based on the previously reported low appendicitis recurrence rate after a periappendicular abscess. The original study hypothesis was left unresolved, as an unexpectedly high rate of appendiceal neoplasms was detected in the study population and the study was prematurely terminated. The neoplasm rate after a periappendicular abscess in this prematurely terminated study was high (20%). All the neoplasms were detected in patients over 40 years of age, strongly supporting an interval appendectomy for all patients over 40 years of age if this rate of neoplasms is validated in future studies. / Tiivistelmä Aiemmat tutkimukset viittaavat siihen, että on olemassa kaksi erillistä akuutin umpilisäkkeen tulehduksen muotoa: komplisoitumaton ja komplisoitunut. Nämä muodot eivät ole toistensa jatkumo: umpilisäkkeen tulehdus ei aina johda umpilisäkkeen puhkeamiseen, vaan valtaosa umpilisäkkeen tulehdustapauksista on komplisoitumattomia. Oikean hoitotavan valinta edellyttää tarkkaa erotusdiagnostiikkaa tautimuotojen välillä Tämä väitöskirjatyö koostuu kolmesta osatyöstä. Ensimmäisen osatyö selvitti, onko komplisoitumaton ja komplisoitunut umpilisäkkeen tulehdus mahdollista erottaa ilman kuvantamista kliinisin löydöksin ja laboratoriokokein painottaen ulostekiven olemassaolon ennustamista. Umpilisäkkeen tulehduksen vaikeusasteen tai ulostekiven olemassaolon ennustaminen ei ollut mahdollista pelkästään kliinisten löydösten tai laboratoriokokeiden perusteella. Tämä korostaa tietokonetomografian merkitystä taudin vaikeusasteen arvioinnissa. Toinen osatyö selvitti histologisia eroja komplisoitumattoman umpilisäkkeen tulehduksen ja ulostekiven sisältävän äkillisen umpilisäkkeen tulehduksen välillä. Ulostekiven tiedetään ennustavan umpilisäkkeen puhkeamaa ja konservatiivisen hoidon epäonnistumista. Tutkimuksessa selvitettiin histologisia löydöksiä potilailla, joilla oli tietokonetomografiatutkimuksella varmistettu komplisoitumaton äkillinen umpilisäkkeen tulehdus tai ulostekiven sisältävä äkillinen umpilisäkkeen tulehdus ilman puhkeamaa. Tutkimuksessa todettiin, että ulostekiven sisältävät tulehtuneet umpilisäkkeet poikkeavat kaikkien tutkittujen parametrien osalta komplisoitumattomasta umpilisäkkeen tulehduksesta. Tämä tukee käsitystä ulostekiven sisältävän umpilisäkkeen tulehduksen komplisoituneesta luonteesta. Kolmas osatyö oli randomoitu monikeskustutkimus, jossa verrattiin toisiinsa rauhallisessa vaiheessa tehtyä umpilisäkkeen poistoa ja seurantaa magneettiresonanssikuvauksella potilailla, joilla oli onnistuneesti hoidettu konservatiivisesti umpilisäkkeen ympäryskudoksen paise. Hypoteesina oli, että myöhempi umpilisäkkeen poisto ei ole tarpeen, koska tulehduksen uusiutumisen riski umpilisäkkeen vieruskudoksen paiseen hoidon jälkeen on aiemmin raportoitu matalaksi. Tutkimushypoteesi jäi avoimeksi, koska tutkimuksen aikana havaittiin runsaasti umpilisäkkeen kasvaimia, mikä johti tutkimuksen ennenaikaiseen keskeyttämiseen. Umpilisäkkeen kasvainten ilmaantuvuus oli 20 %, kaikki yli 40-vuotiailla potilailla. Mikäli tutkimuksen tulokset vahvistuvat tulevissa tutkimuksissa, kaikille yli 40-vuotiaille potilaille tulisi suositella umpilisäkkeen poistoa sairastetun umpilisäkkeen vieruskudoksen paiseen jälkeen.

Abstract This Thesis proposes and describes the use of optical coherence tomography (OCT) as a non-contact and non-destructive characterization technique for printed electronics. It is based on and includes the first published results of such an application of the OCT technique. Several different types of structures were studied to evaluate the feasibility of the application. The measurement data was used to define the surface topography, physical dimensions of the specimen features, and to evaluate the ability to characterize multi-layered and multi-material structures. Presented OCT measurements were done for: screen-printed conductive and insulating structures, microfluidic channels, microscopy glass and organic field effect transistors (OFET), both coated with polymer, and inkjet-printed colour filters. A novel approach to encapsulation inspection was presented. The results show that OCT could be used for full volumetric and non-destructive characterization of the 1-to-2-µm-thin protective layers used in organic and printed electronics. The measurements presented in the Thesis were done using OCT devices in time and in spectral domains. Despite the focus on studying the application of the technique, as a result of observations and limitations of the existing equipment, a new type of OCT device has been developed. A high data acquisition rate of the spectrometer-based systems (SD-OCT) was combined with a broadband supercontinuum light source, used so far mainly in the time-domain (TD-OCT), to enable the sub-micron-resolution spectral domain optical coherence tomography (SMR SD-OCT). The supercontinuum generation effects with virtually white probing light and enables not only superior resolution, but also, e.g., true-colour OCT imaging. The measurements performed on the inkjet-printed colour filters confirm that despite the absorptive properties of the materials, characterization of the few-microns-thin ink layers is possible using visible range of the electromagnetic spectrum and spectral domain OCT. The study shows the potential and versatility of OCT in the printed electronics characterization. In addition, the Thesis discusses further development of the technique, needed to fully match the challenging requirements of the on-line quality inspection. / Tiivistelmä Väitöstyössä sovelletaan optista koherenssitomografiaa (OCT) painetun elektroniikan kontaktittomaan ja kohdetta rikkomattomaan karakterisointiin. Väitöstyö pohjautuu tuloksiin, joissa OCT-tekniikkaa on hyödynnetty ensimmäistä kertaa painettavan elektroniikan rakenteen karakterisoinnissa. Tekniikan soveltuvuutta tutkittiin mittaamalla useita erilaisia näytteitä. Mitattua dataa käytettiin pinnan topografian ja näytteen dimensioiden määritykseen. Lisäksi tutkittiin tekniikan soveltuvuutta monikerrosrakenteiden ja useista eri materiaaleista koostuvien näytteiden mittaukseen. OCT-mittaukset tehtiin seuraaville näytteille; silkkipainetuille johteille ja eristeille, mikrokanaville, polymeerillä päällystetyille mikroskooppilaseille ja orgaanisista aineista valmistettu kanavatransistoreille (OFET) sekä mustesuihkutulostimella valmistetuille värisuodattimille. Orgaaniset materiaalit ja painettava elektroniikka suojataan yleensä koteloinnilla. Tässä väitöstyössä esitellään uusi menetelmä koteloinnin tarkastukseen. Tulokset osoittavat, että OCT-tekniikkaa voidaan hyödyntää 1-2 mikrometrin paksuisen eristekerroksen volumetrisen rakenteen karakterisointiin kohdetta rikkomatta. Tässä väitöstyössä tehdyt mittaukset tehtiin aika- ja spektritason OCT-laitteilla. Huolimatta siitä, että väitöskirjatutkimus keskittyi tekniikan uusiin sovelluksiin, väitöstyössä havaittiin käytettävissä olevien laitteiden puutteellisuudet, jonka vuoksi myös uusi OCT-laite kehitettiin. Spektrometriin pohjautuvan OCT-systeemin (SD-OCT) nopeus yhdistettiin laajakaistaisen supercontinuum valonlähteen kanssa, jota on käytetty aikaisemmin käytännössä vain aikatason OCT-laitteissa (TD-OCT). Laajakaistainen valonlähde mahdollistaa jopa alle mikrometrin syvyyssuuntaisen resoluution. Supercontinuum valonlähde tuottaa käytännöllisesti katsoen valkoista valoa, joka mahdollistaa sekä erinomaisen tarkkuuden, että objektin luonnollisen värin mittaamisen. Mittaustulokset värisuodattimilla osoittavat, että vaikka suodattimissa käytetyt materiaalit absorpoivat spektritason OCT:ssa hyödynnettyä näkyvän aallonpituusalueen spektriä, tekniikalla on mahdollista mitata muutamien mikrojen paksuisia värisuodatinkalvoja. Väitöstutkimus osoittaa OCT-tekniikan monipuolisuuden ja mahdollisuudet painettavan elektroniikan karakterisoinnissa. Lisäksi väitöstyö käsittelee tekniikan jatkokehitystä, jotta se voisi vastata mahdollisimman hyvin reaaliaikaisen laadunvalvonnan tarpeisiin.

Abstract Kidney diseases affect an increasing number of people worldwide, and there is a growing demand to develop new treatments and increase the number of transplantable organs. New treatments can be designed when new knowledge is gained by studying the details of kidney development. The ex vivo culture techniques have been used for over a century to study the development of kidneys, but they are not optimal for long-term imaging and following the nephrogenesis process over time. Kidney organoids, which are cellular aggregates resembling the in vivo kidney, together with intact embryonic kidneys, present a platform for these studies. However, there are limitations when working with primary embryonic kidney cells. Primary embryonic metanephric mesenchymal cells are usually low in number and lose the ability to undergo nephrogenesis rapidly. New ways to culture, biobank, and transfect cells can offer ways for functional testing of the effects of different genes on the nephrogenesis. This study presents new tools for studying nephrogenesis. Time-lapse imaging of organ development may be enhanced by using a Fixed Z-direction (FiZD) culture system where the kidney explant is grown in a restricted 70μm space. The technique enables the segmentation of the individual cells in a two-dimensional image and a dynamic analysis of the time-lapse data. This study also presents a technique of dissociation and reaggregation of the uninduced kidney metanephric mesenchyme (MM). With this novel method of culturing the dissociated MM cells in a growth factor medium for 24 hours, the cells can keep their competence for nephrogenesis. This technique allows the genetic manipulation of the MM cells before the induction to form nephrons, allowing functional testing of genes in the metanephric mesenchyme. This study further presents different techniques for gene editing of MM cells and introduces biobanking of primary kidney cells. It is shown here that the MM and ureteric bud (UB) cells have the capability to remember their fates and build nephron-like structures or continue branching after the cryopreservation in the liquid nitrogen. The methods introduced here provide new ways to create kidney organoids, manipulate their genome, and biobank the primary embryonic kidney cells. The developed FiZD culture system enhances the imaging of kidney development compared to the previously used culture methods. Using this method, the morphogenesis of the developing kidney can be followed more precisely, even in a single cell level. This culture method may also be used to culturing other organs, such as ovary, and may help provide insights into the development of other tissues as well. / Tiivistelmä Munuaissairauksiin sairastuvien määrä on lisääntynyt maailmanlaajuisesti, ja se on aikaansaanut tarpeen uusien hoitokeinojen sekä siirtoelimien kehitykseen. Näiden kehittämiseksi tarvitsemme uutta tietoa munuaisen kehityksestä ja toiminnasta. Munuaisen kehitystä on tutkittu ex vivo -viljelyn avulla jo yli vuosisadan ajan, mutta nykyiset elinviljelytekniikat eivät ole kuitenkaan optimaalisia pitkäkestoiseen time-lapse-kuvaukseen. Tässä työssä käytetään munuaisen kehityksen tutkimiseen hiiren alkion munuaisia sekä munuaisorganoideja, jotka ovat munuaissoluista koostuvia ja aitoa munuaista mallintavia soluaggregaatteja. Primaaristen munuaissolujen käyttöön sisältyy rajoitteita, ja tämä luo tarpeen uusien organoiditekniikoiden kehitykseen ja optimointiin. Primaarisia munuaissoluja on yleensä käytettävissä pieniä määriä, ja ne eivät myöskään sovellu pitkäkestoiseen kasvatukseen, koska ne menettävät nopeasti kykynsä muodostaa nefroneita. Uusien tekniikoiden avulla voidaan parantaa näiden solujen kasvatusta, säilytystä ja transfektointia ja edistää eri geenien vaikutuksia tutkivat funktionaaliset testaukset. Tässä tutkimuksessa esitetään uusia työkaluja nefrogeneesin tutkimiseen. Elinten kehitystä seuraavan time-lapse-kuvauksen laatua voidaan parantaa käyttämällä tässä työssä esitettyä FiZD-kasvatusmenetelmää, jossa munuaiseksplantti kasvaa rajoitetussa 70μm:n tilassa. Kuvat ovat korkealaatuisia, ja se mahdollistaa 2D-kuvan yksittäisten solujen segmentoinnin ja solujen liikkeiden dynaamisen analyysin. Lisäksi tässä tutkimuksessa esitetään ei-indusoidun munuaismesenkyymin käsittelyyn kehitetty dissosiaatio- ja reaggregaatiomenetelmä. Munuaisen kehityksen alkuvaiheessa on mahdollistaerottaa nefroneja muodostava metanefrinen mesenkyymi (MM) sekä munuaisen kokoajaputkiston muodostava ureterin silmu. Metanefrinen mesenkyymi voidaan hajottaa yksisolususpensioksi, säilyttää 24 tuntia kasvutekijämediumissa ja tämän jälkeen reaggregoida ja indusoida muodostamaan nefroneita. Tämä tekniikka mahdollistaa MM-solujen geneettisen muokkauksen, ennen kuin munuaisen kehitys alkaa. Tämä tekniikka mahdollistaa myös dissosioitujen MM solujen geneettiset muokkaukset. Geenien yliekspression tai hiljentämisen avulla voidaan tehdä funktionaalisia kokeita näiden muutosten vaikutuksesta nefrogeneesiin. Lisäksi tässä työssä esitetään munuaisprogenitorisolujen säilömistä syväjäädytyksellä. Munuaisprogenitorisolut voidaan säilöä nestetyppeen, minkä jälkeen ne ovat edelleen kykeneviä muodostamaan nefronirakenteita tai haarautumaan. Tässä väitöskirjatyössä esitettyjen menetelmien avulla on tulevaisuudessa mahdollista saada lisätietoa munuaisten kehitysprosessista. Kehitetty FiZD-kasvatusmenetelmä parantaa munuaisen kehityksen kuvantamista ja mahdollistaa yksittäisten solujen seuraamisen. Tämä kasvatusmenetelmä sopii myös muiden elinten, kuten munarauhasten, ja kudosten kasvatukseen, ja sen avulla voidaan saada tietoa myös niiden kehityksestä.

Abstract The duration of untreated psychosis (DUP) and its association with the course of illness in schizophrenia has been widely addressed, but the conclusions still remain essentially unclear. The studies with unselected samples and longitudinal data are few and needed. The aim of this dissertation was to study DUP and the long-term course of illness in schizophrenia in a meta-analysis and in the Northern Finland 1966 Birth Cohort (NFBC 1966). A meta-analysis of 31 original studies on the long-term association between DUP and clinical and social outcomes showed that long DUP had a small but statistically significant association with poor symptomatic, social, and global outcomes. However, there was no significant correlation between DUP and use of treatment, employment, and quality of life. In the NFBC 1966, the associations between DUP and the outcomes (n=89) were assessed with several measurements of mental and psychical state, treatment factors, education, and ability to work. In the short-term outcome, long DUP was associated with longer first hospitalization and increased risk of re-hospitalization. In the long-term, long DUP was associated only with a decreased rate of disability pension. When the association between DUP and brain structures using magnetic resonance imaging (MRI) was analyzed (n=46), long DUP correlated with decreased gray-matter density in the right hippocampus. DUP may be a modest marker of a more severe clinical phenotype regarding early outcome, but in the NFBC 1966, longer DUP seems to associate with better clinical and occupational outcomes. The relatively modest effect of DUP on outcomes indicates that shortening DUP may have positive effects on the long-term clinical course. However, it is unlikely that early intervention alone could significantly improve the overall long-term outcome of schizophrenia. Early detection of psychosis is one of the possibilities to achieve the improvement, especially in the short-term outcome of schizophrenia. / Tiivistelmä Hoitamattoman psykoosin kestoa ja sen yhteyttä skitsofrenian taudinkulkuun on tutkittu laajasti, mutta johtopäätökset asiasta ovat jääneet olennaisilta osilta epävarmoiksi. Aihetta koskevia valikoitumattomien aineistojen pitkittäisseurantoja on olemassa vain vähän. Tämän osajulkaisuväitöskirjan tavoitteena oli tutkia hoitamattoman psykoosin keston ja skitsofrenian taudinkulun pitkäaikaista yhteyttä meta-analyysin sekä Pohjois-Suomen vuoden 1966 syntymäkohorttiaineiston avulla. Meta-analyysi hoitamattoman psykoosin keston ja kliinisen ja sosiaalisen ennusteen välillä osoitti, että pidentynyt hoitamattomuus on tilastollisesti merkitsevästi yhteydessä vakavampiin oireisiin ja huonompaan sosiaaliseen toimintakykyyn sekä kokonaisennusteeseen pitkäaikaisseurannoissa. Merkitsevää yhteyttä ei ollut hoitamattoman psykoosin keston ja sairaalahoitojen määrän, työllistymisen tai elämänlaadun välillä. Pohjois-Suomen vuoden 1966 syntymäkohortissa tutkittiin hoitamattoman psykoosin yhteyttä taudinkulkuun ja ennusteeseen (n=89) ja aivojen rakenteeseen (n=46). Kahden ensimmäisen vuoden seurannassa pitkä hoitamattomuus oli yhteydessä pidempään ensimmäiseen sairaalahoitoon ja uuden sairaalahoidon kohonneeseen riskiin. Pitkäaikaisseurannassa pidentynyt hoitamattomuus oli merkitsevästi yhteydessä vähäisempään työkyvyttömyyseläkkeellä olemiseen. Kun aivojen rakennetta tutkittiin magneettikuvantamisen (MRI) avulla, löytyi yhteys pidentyneen hoitamattomuuden ja harmaan aineen pienemmän tiheyden välillä oikean hippokampuksen alueella. Hoitamattoman psykoosin keston tilastollisesti merkitsevä yhteys taudin eri ennusteisiin viittaa siihen, että psykoosin varhaisella tunnistamisella voi olla myönteisiä vaikutuksia. Muut mahdollisuudet parantaa skitsofrenian pitkäaikaisennustetta lienevät keskeisiä ja voivat tehostaa varhaisen tunnistamisen vaikutuksia.

Abstract Brain disorders such as epilepsy, dementia and other mental illnesses induce increasing costs on health care systems with aging populations. The most effective treatment of these disorders would be either prevention or intervention of the disorder before irreversible damage develops. However, despite the increased interest in different brain diseases, many of them are still detected too late. One reason for this is the lack of appropriate functional imaging modality that can critically sample the targeted physiological phenomenon. Furthermore, it has been shown that one imaging modality is not enough to cover brain functionality properly; a multimodal approach is required. The main goal of this thesis was to validate near-infrared spectroscopy (NIRS) for brain measurement and to integrate it into a multimodal neuroimaging setup that can critically sample basic human physiological phenomena. A novel key element was the combined use of NIRS with ultra-fast magnetic resonance encephalography (MREG), electroencephalography (EEG), continuous non-invasive blood pressure and anesthesia monitoring as a synchronous system. This unique multimodal neuroimaging set-up with a new functional magnetic resonance imaging sequence, MREG, can sample human brain physiology at 10 Hz sampling rate without cardiorespiratory aliasing. The implemented setup was successfully used in scanning multiple patient and control populations. With the help of critical sampling rate, non-stationarity between the measured signals reflecting brain pulsations could be detected. Combined NIRS and EEG showed the capability to monitor therapeutic opening of the blood-brain barrier during treatment of central nervous system lymphoma for the first time in humans. Furthermore, our multimodal neuroimaging setup enabled the mapping of the recently described brain avalanches and glymphatic pulsation mechanisms of the brain. In conclusion, the ultra-fast multimodal laboratory with integrated NIRS offers novel and more comprehensive views on basic brain physiology. The measures from this thesis also have the potential to offer new, quantitative biomarkers for the detection of different brain disorders prior to irreversible damage. / Tiivistelmä Aivosairaudet kuten epilepsia, dementia ja muut mielenterveyden häiriöt aiheuttavat kasvavissa määrin kuluja ikääntyvien ihmisten terveydenhuollossa. Näiden tautien tehokkain hoitokeino olisi joko ennaltaehkäisy tai varhainen havaitseminen ennen peruuttamattomien kudosvaurioiden kehittymistä. Lisääntyneestä kiinnostuksesta huolimatta monet aivosairaudet havaitaan edelleen liian myöhään. Osasyy tähän on sopivan toiminnallisen kuvausmenetelmän puuttuminen, jolla voitaisiin kuvata haluttu fysiologinen ilmiö riittävän nopeasti. Onkin osoitettu, ettei yksittäinen kuvausmenetelmä riitä aivojen toiminnan riittävän tarkkaan ymmärtämiseen, vaan siihen tarvitaan eri menetelmien yhdistämistä. Tämän väitöskirjatutkimuksen päätarkoituksena oli arvioida lähi-infrapunaspektroskopian (NIRS) soveltuvuutta aivojen toiminnan mittaamisessa sekä integroida se osaksi multimodaalista neurokuvantamisjärjestelmää. Uutena elementtinä NIRS:iä käytettiin yhdessä ultranopean magneettiresonanssienkefalogrammin (MREG), aivosähkökäyrän (EEG), jatkuva-aikaisen kajoamattoman verenpaineen mittauksen ja anestesiamonitoroinnin kanssa samanaikaisesti, ajallisesti synkronoituna. Yhdessä uuden toiminnallisen magneettikuvaussekvenssin, MREG:n, kanssa tällä ainutlaatuisella multimodaalisella neurokuvantamisjärjestelmällä voidaan kuvata ihmisen aivojen perusfysiologiaa 10 Hz näytteistysnopeudella ilman sydämen sykkeen ja hengityksen laskostumista. Toteutetulla multimodaalisella mittausjärjestelmällä tehtiin useita onnistuneita kuvauksia eri potilasryhmillä ja terveillä koehenkilöillä. Kriittisen näytteistämisen ansiosta voitiin havaita epästationaarisuutta aivojen pulsaatioita heijastelevien signaalien välillä. NIRS:n ja EEG:n samanaikainen mittaaminen mahdollisti ensimmäistä kertaa ihmisen veriaivoesteen aukeamisen monitoroinnin keskushermostolymfoomapotilaiden hoidossa. Lisäksi multimodaalinen neurokuvantamisjärjestelmä mahdollisti hiljattain havaittujen aivojen vyöryjen (engl. avalanches) ja glymfaattisten pulsaatioiden kartoittamisen. Yhteenvetona voidaan todeta, että väitöskirjatyön aikana toteutettu multimodaalinen laboratorio yhdessä NIRS:n kanssa mahdollistaa aivojen perusfysiologian edistyksellisen ja tarkan tutkimisen. Nyt kehitetyt mittarit saattavat myös tarjota uusia, kvantitatiivisia biomarkkereita eri aivosairauksiin ennen vakavien vaurioiden syntymistä.

Abstract In brain surgery the operated region is often removable pathological tissue or a functional nucleus. To reach the region neurosurgeons utilize imaging and guiding methods to locate and demarcate the region of surgical interest (ROSI). This thesis has focused on the three most common intraoperative imaging modalities used in brain surgery, namely magnetic resonance imaging (MRI), ultrasound imaging (US) and computed tomography (CT). The aim was to form practical intraoperative imaging concepts for brain tumor resections and stereotactic procedures and then to evaluate their feasibility and accuracy. A versatile intraoperative MRI (iMRI) unit based on a 0.23 T resistive C-shaped scanner was designed, assembled and studied. The horizontally open resistive magnet enabled a staged imaging protocol with adequate image quality during neurosurgical operations while minimizing patient movement between the imaging and surgical spaces. Turning off the magnetic field eliminated the safety risks associated with operating in magnetic fringe fields. Edema attenuation was studied to investigate the capability of inversion recovery (IR) MRI-sequences to suppress signal from edema, thereby differentiating it from resectable tumor and improving image quality in the low-field MRI unit. Use of the edema suppression IR sequence was a promising tool for image guided neurosurgery (IGS) in the context of the ROSI paradigm, but its use intraoperatively was restricted by clinical limitations. Use of the second intraoperative imaging method, US, was studied in the intraoperative MRI environment. When these intraoperative imaging modalities, US and MRI, were interlinked together using the neuronavigation method, the localization and delineation of the region of surgical interest was more reliable. The third intraoperative imaging method, CT with limited scanning volume, was studied in stereotactic operations where exact spatial information is the fundamental property at the cost of soft tissue contrast. The concept allowed neurosurgeons to scan the patients intraoperatively in 2D- or 3D-mode, to calculate coordinates of the specific target, to control the positioning of the applied instruments and to ensure final position of implanted objects. Thus neurosurgeons obtained valuable supplemental information of the results including the possibility to exclude hemorrhages. Results of this thesis indicate that the use of intraoperative imaging methods with the neuronavigation should be available in sophisticated neurosurgical centers and used selectively in neurosurgical operations. Users should be familiar with the benefits and limitations of applied modalities. / Tiivistelmä Tutkimus käsittelee magneettikuvauksen (MK), ultraäänikuvauksen (UÄ) ja tietokonetomografian (TT) käyttöä aivojen neurokirurgisissa operaatioissa. Päämääränä oli muodostaa edellä mainittuja menetelmiä soveltamalla leikkauksen aikaisen kuvantamisen konsepteja, joita voidaan käyttää aivotuumoreiden poistoissa ja aivojen stereotaktisissa toimenpiteissä. Työssä on myös tutkittu konseptien käytettävyyttä ja tarkkuutta. Leikkauksen aikaisen magneettikuvauksen tutkimiseksi suunniteltiin ja toteutettiin resistiiviseen ja avoimeen 0,23 T:n MK-laitteistoon perustuva leikkauksen aikaisen magneettikuvauksen konsepti. Horisontaalisesti avoin, resistiivinen ja matalakenttäinen MK-laitteisto mahdollisti neurokirurgisen potilaan kuvantamisen tarkoituksenmukaisella kuvanlaadulla ja kirurgisen toiminnan samassa tilassa vähäisellä potilaan siirtämisellä kuvantamis- ja operointialueen välillä. Magneettikentässä työskentelyyn liittyvät riskit voitiin minimoida sammutettavan magneettikentän avulla. Kasvainkudoksen ympärille muodostuva aivoturvotus voi hankaloittaa leikattavan alueen paikantamista. Rajapinnan korostamiseksi selvitettiin käänteispalautukseen perustuvan MK-sekvenssin mahdollisuuksia vaimentaa aivoturvotuksesta tulevaa signaalia matalakenttäisessä magneettikuvauksessa. Aivoturvotuksen suppressointi magneettikuvista todettiin lupaavaksi työkaluksi kirurgisesti poistettavan aivokasvainalueen rajaamisessa, mutta sen käytettävyys leikkauksen aikana osoittautui rajalliseksi. Leikkauksen aikainen ultraäänikuvaus liitettiin yhteen leikkauksen aikaisen magneettikuvauksen kanssa käyttämällä apuna neuronavigointilaitteistoa. Yhdistämällä nämä kaksi leikkauksen aikaista kuvantamismenetelmää saatiin täsmällisempää tietoa operoitavan kohteen sijainnista ja rajautumisesta. Stereotaktisen syväaivostimulaattorin asennuksen ohjaamiseksi ja kontrolloimiseksi kehitettiin menetelmä, jossa hyödynnetään kartiokeila-TT-laitteistoa leikkauksen aikana. Menetelmä mahdollisti potilaan kuvantamisen kaksi- ja kolmiulotteisesti leikkauksen aikana. Menetelmässä ratkaistiin käytetyn kuvantamislaitteen puutteellisen kuva-alan aiheuttamat rajoitukset. Tiedon avulla voitiin määrittää tarkasti kohdetumakkeiden stereotaktiset koordinaatit, kontrolloida toimenpiteen eri vaiheissa aivoissa käytettävien instrumenttien paikka ja varmentaa aivoihin jätettävien elektrodien lopullinen sijainti. Kuvantamisen avulla kyettiin poissulkemaan leikkauksen aikana mahdollinen aivoverenvuoto. Työn tulokset osoittavat, että leikkauksen aikainen kuvantaminen ja neuronavigointi tulisi olla käytettävissä neurokirurgisissa keskuksissa. Käytettävät menetelmät tulisi valikoida toimenpiteen mukaan ja menetelmiä soveltavien tulisi olla perehtyneitä eri modaliteettien ominaisuuksiin.

Abstract The uniformity of conductive materials is an important property in thin film electronic applications such as solar cells and light emitting diodes (LED). Such uniformity variations are often very small, invisible or below the surface of the film and thus are difficult to detect even when using high-resolution characterization devices. Thus, surface measurement instruments such as profilometer, atomic force microscope, or scanning electron microscope can all encounter remarkable challenges. The uniformity of films can also be analyzed by conductivity measurements. However, they do not provide the precise spatial uniformity information of a large area sample. To be able to investigate systematically the defects of conductive thin films an appropriate sample preparation method was constructed. In addition, a synchronized heating and IR-imaging based system (called synchronized thermography = ST) was developed to overcome the limitations of existing characterization methods. ST performance was tested and analyzed by measuring the single and multi-layer structures. In this work, Indium Tin Oxide (ITO) and poly(3,4-ethylenedioxy-thiopene):poly(styrene-sulfonate) (PEDOT: PSS) were used as examples of conductive thin films. Obtained results show that ST is capable of localizing even small defects from thin film structures based on a single IR-image. In order to make automatic identification of the defect locations and the sizes of the defects, a data processing algorithm was implemented. The performed experiments have proven ST capable of determining the conductivity of the films and the critical bending curvature of ITO. Based on thin film multi-layer PEDOT:PSS measurements, the results suggest use of the ST-method is also suitable for thickness measurements. ST with automatic data processing is a simple method to localize small defects in large-area thin film structures. This approach opens up new possibilities in measuring industrial scale manufacturing processes. / Tiivistelmä Johtavien materiaalien tasalaatuisuus on tärkeä ominaisuus ohutkalvoelektroniikan sovelluksissa kuten aurinkokennoissa ja valoa emittoivissa diodeissa (LED). Tasalaatuisuuserot ovat usein erittäin pieniä, näkymättömiä tai ne sijaitsevat pinnan alla, joten niiden havaitseminen on vaikeaa jopa korkean resoluution karakterisointivälineillä. Niinpä pintaa mittaavat laitteet kuten profilometri, atomivoimamikroskooppi ja skannaava elektronimikroskooppi kohtaavat merkittäviä haasteita. Pinnan tasalaatuisuutta voidaan analysoida myös johtavuusmittauksilla. Ne eivät kuitenkaan anna täsmällistä spatiaalista informaatiota suurista näytteistä. Johtavien ohutkalvojen rikkoutumien systemaattista tutkimista varten kehitettiin oma näytteiden käsittelymenetelmä. Lisäksi kehitettiin synkronoituun lämmitykseen ja infrapunakuvantamiseen perustuva mittaussysteemi (menetelmän nimi: synkronoitu termografia = ST), jolla pyritään ratkaisemaan nykyisten menetelmien rajoitukset. ST-menetelmää testattiin ja analysoitiin mittaamalla yksi- ja monikerroksisten kalvojen rakenteita. Indiumtinaoksidia (ITO) ja poly(3,4-etyleenidioksi-tiofeeni):poly(styreeni-sulfonaatti):a (PEDOT: PSS) käytettiin esimerkkeinä johtavista kalvoista. Tulokset osoittavat, että ST kykenee paikallistamaan pienetkin virheet ohutkalvorakenteista jopa yhden infrapunakuvan perusteella. Automaattisen tiedonkäsittelyn algoritmi implementoitiin identifioimaan virheiden paikkariippuvuuksia ja kokoja. Tehdyt kokeet osoittavat, että ST-menetelmä soveltuu kalvojen johtavuuden ja ITO:n kriittisen taivutussäteen määrittämiseen. Monikerroksisiin PEDOT:PSS rakennemittauksiin perustuen ST-menetelmä näyttäisi soveltuvan myös ohutkalvojen paksuuksien määrittämiseen. ST-menetelmä yhdistettynä automaattiseen mittaustiedon prosessointiin on yksinkertainen menetelmä paikallistamaan pieniä virheitä suuripinta-alaisilla näytteillä. Tämä lähestymistapa avaa uusia mittausmahdollisuuksia teollisuuden tuotantoprosesseihin.

Abstract Minimally invasive surgery (MIS) techniques have seen rapid growth as methods for improved operational procedures. The main technology of MIS is based on image guided surgery (IGS) devices, namely surgical navigators, surgical robotics and image scanners. With their widespread use in various fields of surgery, methods and tools that may be used routinely in the hospital setting for “real world” assessment of the accuracy of these devices are lacking. In this thesis the concept of accuracy testing was developed to meet the needs of quality assurance of navigators and robots in a hospital environment. Thus, accuracy was defined as the difference between actual and measured distances from an origin, also including determination of directional accuracy within a specific volume. Two precision engineered accuracy assessment phantoms with assessment protocols were developed as advanced materials and methods for the community. The phantoms were designed to include a common region of surgical interest (ROSI) that was determined to roughly mimic the size of the human head. These tools and methods were utilized in accuracy assessment of two commercial navigators, both enabling the two most widely used tracking modalities, namely the optical tracking system (OTS) and the electromagnetic tracking system (EMTS). Also a study of the accuracy and repeatability of a prototype surgical interactive robot (SIRO) was done. Finally, the phantoms were utilized in spatial accuracy assessment of a commercial surgical 3D CT scanner, the O-Arm. The experimental results indicate that the proposed definitions, tools and methods fulfill the requirements of quality assurance of IGS devices in the hospital setting. The OTS and EMTS tracking modalities were nearly identical in overall accuracy but had unique error trends. Also, the accuracy of the prototype robot SIRO was in the range recommended in the IGS community. Finally, the image quality of the O-Arm could be analyzed using the developed phantoms. Based on the accuracy assessment results, suggestions were made when setting up each IGS device for surgical procedures and for new applications in minimally invasive surgery. / Tiivistelmä Mini-invasiivisen eli täsmäkirurgian tekniikoita ja teknologioita on alettu hyödyntää viime aikoina yhä enemmän. Tavoitteena on ollut parantaa kirurgisten operaatioiden tarkkuutta ja turvallisuutta. Täsmäkirurgiassa käytetyt teknologiat pohjautuvat kuvaohjattuihin kirurgisiin paikannuslaitteisiin. Kuvaohjattuihin laitteisiin kuuluvat navigaattorit, kirurgiset robotit ja kuvantalaitteet. Näiden laitteistojen kehittyminen on mahdollistanut tekniikoiden hyödyntämisen monialaisessa kirurgiassa. Paikannuslaitteistojen ja robottien yleistyminen on kuitenkin nostanut sairaaloissa esiin yleisen ongelman paikannustarkkuuden määrittämisessä käytännön olosuhteissa. Tässä väitöskirjassa esitetään kirurgisten yksiköiden käyttöön menetelmä sekä kaksi uutta fantomia ja protokollaa käytössä olevien paikannuslaitteistojen tarkkuuden määrittämiseen. Fantomit suunniteltiin sisältämään ennalta määritetty kirurginen kohdealue, mikä rajattiin käsittämään ihmisen kallon tilavuus. Fantomeita ja protokollaa hyödynnettiin kahden kaupallisen paikannuslaitteen tarkkuuden määrityksessä. Navigaattorit käyttivät optiseen ja elektromagneettiseen paikannukseen perustuvaa tekniikkaa. Lisäksi työssä kehitetyillä menetelmillä tutkittiin prototyyppivaiheessa olevan kirurgisen robotin paikannus- ja toistotarkkuutta sekä tietokonetomografialaitteen O-kaaren kuvan tarkkuuden määritystä. Kokeellisten tulosten perusteella työssä kehitetyt fantomit ja protokollat ovat luotettavia ja tarkkoja menetelmiä kirurgisten paikannuslaitteistojen tarkkuuden määrittämiseen sairaalaoloissa. Kirurgisten navigaattoreiden tarkkuuden määritystulokset osoittivat optisen ja elektromagneettisen paikannustekniikan olevan lähes yhtä tarkkoja. Prototyyppirobotin tarkkuus oli tulosten perusteella kirjallisuudessa esitettyjen suosituksien mukainen. Lisäksi O-kaaren kuvanlaatua voitiin tutkia kehitetyillä fantomeilla. Tarkkuudenmääritystulosten perusteella työssä ehdotetaan menetelmiä laitteistojen optimaalisesta käytöstä leikkaussalissa sekä laajennetaan niiden käyttömahdollisuuksia. Tuloksia voidaan hyödyntää myös paikannuslaitteistojen kehittämistyössä.