Abstract This thesis explores the use of assistive in-situ technologies for formal caregivers in nursing homes. More specifically, focus is placed on improving context awareness and medication management. Although these topics have previously been researched for elderly care in general, few solutions targeting nursing homes have been generated. As the aging population further increases the burden on this care environment, it is important that solutions are found to help maintain care quality. The main findings in this thesis emphasise how technology can assist formal caregivers and facilitate increased patient wellbeing. The articles presented in this thesis describe our creation of a context-aware sensor system (named CARE) and a non-expert miniaturised near-infrared spectroscopy (MNIRS) solution. Both systems were designed iteratively with the help of nurses and were evaluated in a nursing home. CARE quantifies elderly residents’ behaviour, analyses the resulting data and produces valuable and actionable insights for nurses. Results from a two-month-long user study demonstrate that the system can facilitate increased awareness of patients’ needs and enhance care service. The custom MNIRS solution allows nurses to scan pharmaceuticals and obtain accurate identifications. This method significantly outperforms currently available tools in nursing homes and represents a promising solution that can reduce medication mismanagement. In the discussion section of the thesis, we revisit the research questions defined in the introduction and examine how each were answered. In addition, we discuss the augmentation of nursing home technology and various stakeholders’ perspectives. We then highlight how the work covered in this thesis was conducted in collaboration with industry and offer some conclusions, limitations and reflections. / Tiivistelmä Tämä väitöstyö tutkii paikkasidonnaisten teknologioiden käyttöä hoitajien työn helpottamiseksi vanhusten palvelukodeissa. Työn keskiössä on erityisesti kontekstitietoisuuden lisääminen ja lääkehoidon valvonta. Näitä aiheita on tutkittu laajalti aiemminkin, mutta aitoihin ympäristöihin keskittyviä ratkaisuja on vielä vain vähän. Väestön ikääntyminen aiheuttaa haasteita vanhustenhoidossa, ja siksi on tärkeää kehittää ratkaisuja hoidon laadun ylläpitoa varten. Väitöstyön löydökset painottavat teknologian roolia hoitajien avustajana sekä hoidettavien hyvinvoinnin ylläpitäjänä. Työn artikkelit kuvailevat kontekstitietoisen järjestelmän (CARE) koko kehitys- ja elinkaaren sekä lähi-infrapunaspektroskopiaan perustuvan ratkaisun lääkehoidon prosessien parantamiseksi. Molemmat järjestelmät kehitettiin iteratiivisesti hoitajien avulla ja koestettiin aidossa ympäristössä vanhainkodissa. CARE analysoi asiakkaiden liikkeitä ja toimintoja sekä visualisoi niistä korkeamman tason tietoa hoitajille. Kahden kuukauden kenttäkokeen tuloksena voidaan todeta, että järjestelmät yhdessä voivat auttaa hoitajia ymmärtämään asiakkaiden tarpeita sekä parantamaan hoidon laatua. Lähi-infrapunaspektroskopiaan perustuvalla kannettavalla ratkaisulla puolestaan hoitajat voivat varmistaa lääkehoidon oikeellisuuden. Tämä menetelmä on tarkempi ja parempi kuin tämänhetkiset käytössä olevat ratkaisut lääkkeiden oikeaksi toteamiseen. Väitöstyön keskusteluosuus palaa tutkimuskysymyksiin ja selventää, kuinka tehty työ ja saavutetut tulokset vastaavat niihin. Lisäksi keskustelu antaa yleiskuvan eri osapuolien näkemyksistä kehitetyn ratkaisun hyödyistä ja sen soveltuvuudesta käytännön työhön. Lopuksi väitöstyö luo katsauksen yhteistyön rooliin eri osa-alueiden toteuttamisessa ja esittää kriittisen näkökulman työn puutteisiin sekä yhteenvedon.

Abstract Multimodal measurements are increasingly being employed in the study of human physiology. Brain studies in particular can draw advantage of simultaneous measurements using different modalities to analyse correlations, mechanisms and relationships of physiological signals and their dynamics in relation to brain functions. Moreover, multimodal measurements help to identify components of physiological dynamics generated specifically by the brain. This thesis summarizes the study, design and development of non-invasive medical instruments that can be utilized in conjunction with magnetic resonance imaging (MRI). A key challenge in the development of measurement methods is posed by the extraordinary requirements that the MRI environment poses - all materials need to be MR-compatible and the selected instruments and devices must not be affected by the strong magnetic field generated by the MRI scanner nor the MRI by the instruments placed within its scanning volume. The presented methods allow simultaneous continuous measurement of heart rate (HR) and metabolism from the brain cortex as well as pulse wave velocity (PWV) and blood pressure measurements in synchrony with electroencephalography (EEG) and MRI. Furthermore, the thesis explored the reliability and accuracy of the responses gathered by the developed instruments and, using new experimental methods, estimated the propagation of near-infrared light in the human brain. The goal of the novel multimodal measurement environment is to provide more extensive tools for medical researchers, neurologists in particular, to acquire accurate information on the function of the brain and the human body. Measurements have been performed on more than 70 persons using the presented multimodal setup to study such factors as the correlation between blood oxygen level-dependent (BOLD) data and low-frequency oscillations (LFOs) during the resting state. / Tiivistelmä Multimodaalisia kuvantamismenetelmiä käytetään enenevässä määrin ihmisen fysiologian ja elintoimintojen tutkimisessa. Erityisesti aivotutkimuksessa samanaikaisesti useammalla modaliteetilla mittaaminen mahdollistaa erilaisten fysiologisten mekanismien ja niiden korrelaatioiden tutkimisen kehon ja aivotoimintojen välillä. Lisäksi multimodaaliset mittaukset auttavat yksilöimään fysiologiset komponentit toisistaan ja identifioimaan aivojen tuottamia fysiologisia signaaleja. Tämä väitöskirja kokoaa tutkimustyön sekä laite- ja instrumentointisuunnittelun ja sen kehittämistyön ei-invasiivisesti toteutettujen lääketieteen mittausmenetelmien käyttämiseksi magneettikuvauksen aikana. Erityishaasteena työssä on ollut magneettikuvausympäristö, joka asettaa erityisvaatimuksia mm. mittalaitteissa käytettäville materiaaleille sekä laitteiden häiriönsiedolle magneettikuvauslaitteen aiheuttaman voimakkaan magneettikentän takia. Kehitettävät mittausmenetelmät eivät myöskään saa aiheuttaa häiriöitä magneettikuvauslaitteen tuottamalle kuvainformaatiolle. Väitöskirjassa esitettävät mittausmenetelmät tekevät mahdolliseksi mitata magneettikuvausympäristössä ihmisen sydämen sykettä, veren virtauksen kulkunopeutta ja verenpaineen vaihteluja sekä aivokuoren metaboliaa - kaikki synkronissa aivosähkökäyrän mittaamisen ja magneettikuvantamisen kanssa. Lisäksi väitöskirjassa tutkitaan kehitettyjen mittausmenetelmien antamaa mittaustarkkuutta sekä arvioidaan lähi-infrapunavalon etenemistä ihmisen aivoissa uudenlaisella menetelmällä. Kehitetyllä multimodaalisella mittausympäristöllä on tavoitteena antaa lääketieteen alan tutkijoille, erityisesti neurologeille, käyttöön mittausmenetelmiä, joiden avulla voidaan tutkia ihmisen aivojen ja kehon välisiä toimintoja aiempaa kattavammin. Laitekokonaisuudella on tutkittu jo yli 70:tä henkilöä. Näissä mittauksissa on tutkittu mm. veren happitasojen hitaita vaihteluja ihmisen aivojen ollessa lepotilassa, ns. resting state -tilassa.

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.