Abstract Earlier studies on lumbar degenerative imaging findings in magnetic resonance imaging (MRI) have been done mainly in adult populations and the associations of degenerative findings with low back pain (LBP) are controversial. Only a few studies have involved adolescents and young adults. Heritability has been acknowledged as the only explicit risk factor of disc degeneration (DD). This study investigated the prevalence and environmental determinant of lumbar degenerative findings in MRI and their association with low back symptoms among young adults. The data were based on two physical assessments, three questionnaires and one lumbar MRI that were executed on members of the Oulu Back Study (n=558), a subsample of Northern Finland Birth Cohort 1986, between 16 and 21 years of age. Prevalences of lumbar DD (54%), bulging (25%), protrusion (18%) and Schmorl’s node (17%) were high, whereas other degenerative findings were rare among young adults. Males had higher prevalence of DD and Schmorl’s nodes than females. DD and herniations were associated with low back symptoms. On the other hand, symptoms were present among subjects without DD or other abnormal findings on MRI. Of the environmental determinants, high body mass index and MRI-based obesity measurements of visceral adiposity were associated with lumbar DD among males. Waist circumference and smoking showed a comparable association with DD among males, but the level of physical activity was not associated with DD in either gender. Low back symptoms are more common among young adults with a higher degree of DD or presence of disc herniation. Smoking and overweight are associated with lumbar DD among young male adults. / Tiivistelmä Aikaisempia tutkimuksia magneettikuvantamisella (MK) todetuista lannerangan rappeumamuutoksista ja niiden yhteyksistä alaselkäkipuun on tehty lähinnä aikuisväestöllä ja tulokset ovat ristiriitaisia. Vain muutamia tutkimuksia on tehty alle 25-vuotiailla. Välilevyrappeuman mahdollisista riskitekijöistä vain perimästä on vahvaa näyttöä. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin MK:lla todettujen lannerangan rappeumamuutosten esiintyvyyttä, niihin vaikuttavia ympäristötekijöitä ja yhteyttä alaselkäoireisiin nuorilla aikuisilla. Tutkimuksen aineisto perustui kahteen kliiniseen tutkimukseen, kolmeen kyselyyn ja yhteen MK:een, jotka toteutettiin Pohjois-Suomen syntymäkohortti 1986:een kuuluville Oulun selkätutkimuksen koehenkilöille (n=558) 16-21 vuoden iässä. Lannerangan välilevyrappeumalla (54 %), välilevyn pullotuksilla (bulge; 25 %), sellaisilla välilevyn pullistumilla jotka eivät läpäisseet selkärangan takimmaista pitkittäissidettä (protruusio; 18 %) sekä päätelevyn läpi suuntautuvilla välilevyn pullistumilla (Schmorlin keräset; 17 %) oli korkea esiintyvyys nuorilla aikuisilla, kun taas muut kuvantamislöydökset olivat harvinaisia. Välilevyrappeuma ja Schmorlin keräset olivat yleisempiä miehillä. Sekä välilevyrappeuma että pullistumat olivat yhteydessä alaselkäoireisiin molemmilla sukupuolilla, mutta kaikilla oireisilla ei todettu poikkeavia löydöksiä MK:ssa. Ympäristötekijöistä korkea kehon painoindeksi ja MK:sta mitatut rasvan määrää mittaavat muuttujat olivat miehillä yhteydessä välilevyrappeumaan. Miehillä vyötärönympärys ja tupakointi olivat heikommin yhteydessä välilevyrappeumaan, kun taas liikunta-aktiivisuus ei ollut kummallakaan sukupuolella yhteydessä rappeumaan. Alaselkäoireet ovat yleisempiä nuorilla aikuisilla, joilla on vaikea-asteisempi välilevyrappeuma tai välilevyn pullistuma. Tupakointi ja ylipaino ovat yhteydessä lannerangan välilevyrappeumaan nuorilla aikuisilla miehillä.

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 Increased plasma cholesterol is a well-known risk factor for cardiovascular diseases in middle and early old age. At older ages, this association seems to disappear. Very few studies have assessed the impact of the lifelong cholesterol burden on old age, the purpose of this thesis. Study populations consisted of 1) old persons with familial hypercholesterolemia (FH), a genetic disorder associated with an increased risk of coronary heart disease (CHD) if untreated, and 2) initially healthy men (The Helsinki Businessmen Study, HBS) followed-up from midlife to old age. A population-based FH cohort, aged ≥ 65 years (n=37, aged 65 to 84 years) agreed to participate in this study. All but one of them had been using statin therapy for approx. 15 years. Variables studied were: health-related quality of life (HRQoL) with questionnaires (RAND-36, 15D), a brain magnetic resonance imaging (MRI) scan and cognitive tests (CERAD). These older FH patients enjoyed a similar HRQoL as controls in the general population. Only two (6%) of the older FH patients had clinically silent brain infarcts detected by MRI and those aged 65 to 74 years did not have more white matter hyperintensities (WMHIs) when compared to middle-aged controls. In the cognitive assessments, FH patients, especially those with duration of statin therapy longer than median, even expressed better episodic memory than population controls. HBS consists of a cohort of men (3277 men) who at baseline (1964–1973) were healthy and in their 40s. They were subdivided into seven groups according to baseline total cholesterol value at 1 mmol/L intervals starting from ≤  4 mmol/L. In 2000, at a mean age of 73 years, they filled a postal questionnaire including RAND-36. Cumulative mortality data were collected up to January 2010. A strong and graded relation was found between the cholesterol level and total mortality, those men with a cholesterol level ≤  4 mmol/L exhibiting the lowest mortality. A low cholesterol value at midlife also predicted a better score in the Physical functioning scale of RAND-36 in old age. In conclusion, in initially healthy men, a low cholesterol value at midlife was associated with better survival and better physical function in old age. Despite their genetic risk, FH patients on long-term statin medication seemed to enjoy a health and cognitive status similar to the general population. / Tiivistelmä Suurentunut plasman kolesterolipitoisuus on tunnettu valtimotautien riskitekijä keski-iässä, mutta vanhuusiässä kolesterolin merkitys näyttää vähentyvän. Hyvin harvassa tutkimuksessa on tutkittu elämänaikaisen kolesterolitason vaikutuksia vanhuusiän terveydentilaan, kuten tässä väitöskirjatyössä. Tutkimuskohteina olivat 1) iäkkäät, joilla on familiaalinen hyperkolesterolemia (FH) eli perinnöllinen sairaus, johon hoitamattomana liittyy lisääntynyt sepelvaltimotaudin riski, sekä 2) alun perin terveet miehet (Helsingin Johtajatutkimus), joita seurattiin keski-iästä vanhuuteen. Väestöpohjainen, 65 vuotta täyttänyt (65–84 vuotta, 37 henkilöä) FH-potilaiden ryhmä oli yhtä lukuun ottamatta käyttänyt keskimäärin 15 vuoden ajan statiinilääkitystä. Heille tehtiin seuraavat tutkimukset: terveyteen liittyvän elämänlaadun kyselyt (RAND-36- ja15D-mittarit), aivojen magneettitutkimus (MRI) ja kognitiota tutkivat testit (CERAD). FH-potilaiden elämänlaatu ei eronnut väestöverrokeista. Aivojen MRI tutkimuksessa vain kahdella (6 %) FH-potilaalla oli todettavissa kliinisesti hiljainen aivoinfarkti ja 65–74-vuotiailla FH-potilailla ei ollut enempää valkean aineen muutoksia kuin keski-ikäisillä verrokeilla. Kognitiotutkimuksissa FH-potilailla oli parempi episodinen muisti kuin väestöverrokeilla, etenkin niillä FH-potilailla, joiden statiinihoidon kesto oli mediaania pidempi. Helsingin Johtajatutkimukseen kuului alun perin 3 277 lähtötilanteessa (1964–1973) tervettä keski-ikäistä miestä. Heidät jaettiin lähtövaiheen kolesterolitason perusteella seitsemään ryhmään yhden millimoolin välein siten, että alin ryhmä oli alle 4 mmol/l. Vuonna 2000 (keski-ikä 73 vuotta) lähetettiin postikysely, johon kuului myös RAND-36. Kokonaiskuolleisuutta seurattiin tammikuuhun 2010 asti. Kokonaiskuolleisuuden ja keski-iän kokonaiskolesterolin välillä oli vahva ja asteittainen suhde siten, että niillä miehillä oli pienin kuolleisuus, joilla oli alin kolesteroli (alle 4 mmol/l). Pienin kolesterolipitoisuus keski-iässä oli myös yhteydessä RAND-36-mittarin Fyysinen toimintakyky -osion parempaan pistemäärään. Yhteenveto: Alun perin terveillä miehillä pieni kolesterolipitoisuus keski-iässä ennusti pitempää elämää ja myös parempaa fyysisistä toimintakykyä vanhalla iällä. Huolimatta perinnöllisestä riskistä oli pitkäaikaista statiinilääkitystä käyttäneiden FH-potilaiden terveydentila muuta väestöä vastaava.

Abstract Isolated lateral malleolar supination-external rotation (SER) -type ankle fractures without incongruity on the standard radiographs can be either stable or unstable depending on the status of the deep deltoid ligament. Neither clinical signs of injury on the medial aspect of the ankle nor the displacement of fibular fracture on mortise radiographs seem to predict stability. Therefore, stress testing has been adopted in clinical use. No “gold standard” method exists but the manual external rotation (ER) stress test is the most extensively studied. The ER stress test has some disadvantages, and other methods—such as gravity stress radiography and magnetic resonance imaging—have been suggested instead. However, the evidence to support the use of these methods is still insufficient. The aims of this dissertation were to assess the roles of (1) morphological factors from standard radiographs of 286 patients, (2) clinical findings on the medial side of the ankle and gravity stress radiography of 79 patients, and (3) MRI of 61 patients in evaluating the stability of the ankle mortise in patients with unimalleolar SER-type fractures with no talar shift on standard radiographs. The ER stress test result was considered to be the reference for stability throughout these studies. We found that a fracture line width < 2 mm in lateral radiographs, only two fracture fragments, and female sex are independent factors predicting a stable ankle mortise. Neither clinical signs on the medial side of the ankle nor gravity stress radiography alone predict the stability of the ankle mortise accurately. According to our MRI findings, total tears of the deep deltoid ligaments are rare, and partial tears are common in this this patient group. The reliability of the MRI assessment is only moderate. In conclusion, patients with non-comminuted fractures and < 2 mm displacement on lateral radiographs have stable ankle mortises and need no further stress testing. The gravity stress radiography is an accurate test for the evaluation of the ankle mortise stability only if the clinical signs indicate a similar result with the gravity stress radiographs. The use of MRI provides no additional benefit compared to ER stress testing for stability evaluation of an SER-type ankle fracture. / Tiivistelmä Supinaatio-ulkokiertomekanismilla syntyneet isoloidut ulkokehräsluun murtumat ilman röntgenkuvassa näkyvää telaluun siirtymää voivat olla joko vakaita tai epävakaita nilkan sisemmän nivelsiteen syvän lehden tilasta riippuen. Kliinisessä tutkimuksessa todettujen nilkan sisäreunan vamman merkkien tai röntgenkuvauksella todettavan ulkokehräsluun murtuman virheasennon ei ole osoitettu ennustavan nivelhaarukan mahdollista epävakautta, joten nilkkaa kuormittaen tehtäviä röntgenkuvauksia on otettu kliiniseen käyttöön. Mikään näistä kuvausmenetelmistä ei ole niin sanottu kultainen standardi, mutta ulkokiertovääntötestiä (ER-testi) on tutkittu laajimmin. ER-testin käyttöön liittyy kuitenkin ongelmia, joiden vuoksi niin sanottua painovoimakuvausta tai muun muassa magneettikuvausta (MRI) on ehdotettu käytettäväksi sen sijaan. Näiden menetelmien käyttöä tukeva tieteellinen näyttö on kuitenkin vielä riittämätöntä. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli tutkia (1) 286 potilaan tavallisista kuormittamattomista röntgenkuvista morfologisten tekijöiden, (2) 79 potilaan nilkan sisäreunan kliinisen tutkimuksen ja painovoimakuvauksen sekä (3) 61 potilaalla MRI:n merkitystä ja tarkkuutta arvioitaessa supinaatio-ulkokiertomekanismilla syntyneiden ulkokehräsluun murtumien vakautta. ER-testin tulosta käytettiin referenssinä nivelhaarukan vakaudelle kaikissa osatöissä. Sivukuvasta mitattuna ulkokehräsluun murtuman leveys < 2 mm, vain kahden kappaleen murtuma ja naissukupuoli ovat itsenäisiä vakaata nivelhaarukkaa ennustavia tekijöitä. Kliininen tutkimus tai painovoimakuvaus eivät yksinään pysty ennustamaan nivelhaarukan vakautta riittävän tarkasti. MRI:n perusteella sisemmän nivelsiteen syvän lehden täydelliset repeämät ovat tässä vammatyypissä harvinaisia mutta osittaiset repeämät ovat hyvin tavallisia huolimatta ER-testin tuloksesta. MRI:n tulkinnan luotettavuus on ainoastaan kohtalainen. Yhteenvetona voidaan todeta, että ilman ilmeistä telaluun siirtymää röntgenkuvassa yksinkertaiset supinaatio-ulkokiertomekanismilla syntyneet ulkokehräsluun murtumat ovat vakaita eikä nivelhaarukan vakauden testaaminen ole tarpeen, jos murtumaraon leveys sivukuvassa on < 2 mm. Painovoimakuvaus on luotettava, mikäli sen tulos on sama ulkoisten vamman merkkien kanssa. Magneettikuvauksesta ei ole hyötyä arvioitaessa tämän nilkkamurtumatyypin vakautta.

Abstract Osteoarthritis (OA) is a common chronic condition that reduces the quality of life of millions of individuals worldwilde. In OA, the progressive degradation of articular cartilage (AC) and bone can cause joint pain and disability. Currently there is no effective treatment available for OA besides gross joint replacement surgery. This is largely due to the lack of accurate biomarkers to test potential drugs and treatments that could stop or reverse the disease progression. The primary tools in use for OA diagnostics are inadequate in the early stage of the disease and merely allow its late manifestations to be visualized. Quantitative MRI (qMRI) has demonstrated the ability to distinguish degenerated from intact AC prior to radiographic changes. Moreover, so-colled rotating frame relaxation time parameters are sensitive to the slow molecular motion domain, relevant for clinical applications. T1ρ and T2ρ relaxation time measurements using adiabatic spin-lock pulses (AdT1ρ and AdT2ρ) have shown superior sensitivity to cartilage degeneration in vitro over conventional qMRI parameters. This thesis aimed to compare the differences that exist between established qMRI methods for AC against arthroscopic evaluation as well as optimize and validate AdT1ρ and AdT2ρ mapping of cartilage in vivo. The findings showed that T1 and T2 relaxation time and delayed gadolinium enhanced MRI of cartilage (dGEMRIC) were able to discriminate among different arthroscopic grades of cartilage lesions. However, arthroscopic findings and qMRI parameters were not correlated, supporting the viewpoint that qMRI may be able to elicit more comprehensive information on the quality of remaining cartilage tissue as compared to diagnostic arthroscopy, which detects cartilage loss. AdT1ρ and AdT2ρ mapping of cartilage in vivo were successfully implemented and validated on a clinical MRI system. AdT1ρ and AdT2ρ were able to overcome limitations of the existing methods (continuous wave spin-lock approach), which are challenging to implement on clinical settings for their susceptibility to field inhomogeneity and relatively high power deposition in tissue. The association of AdT1ρ and AdT2ρ with cartilage and bone marrow lesions and osteophytes was demonstrated. The findings indicate the utility of AdT1ρ and AdT2ρ mapping as potential biomarkers for evaluation of early cartilage degeneration in OA research and clinical applications. / Tiivistelmä Nivelrikko on tavallinen krooninen sairaus, joka huonontaa miljoonien ihmisten elämänlaatua ympäri maailman. Nivelrikossa nivelruston ja luun asteittain etenevä rappeuma voi aiheuttaa nivelkipua ja liikuntakyvyttömyyttä. Tällä hetkellä nivelrikkoon ei ole muuta tehokasta hoitokeinoa kuin tekonivelleikkaus. Tämä johtuu suuremmaksi osaksi tarkkojen biomarkkereiden puutteesta, joiden avulla voitaisiin kokeilla mahdollisia nivelrikon pysäyttäviä tai tautia parantavia lääkkeitä tai hoitokeinoja. Nykyisin nivelrikon diagnostiikassa käytetyimmät menetelmät ovat riittämättömiä sairauden alkuvaiheessa, ja ne tunnistavat vain sairauden loppuvaiheet. Kvantitatiivisilla magneettikuvausmenetelmillä pystytään erottamaan rappeutunut ja ehjä nivelrusto toisistaan ennen röntgenkuvissa havaittavia muutoksia. Nk. pyörivän koordinaatiston relaksaatioaikaparametrit ovat herkkiä havaitsemaan hidasta molekyyliliikettä, jolla on merkitystä kliinisissä sovelluksissa. Kokeellisissa olosuhteissa T1ρ- ja T2ρ-relaksaatioaikojen mittaaminen käyttäen adiabaattisia spin-lukkopulsseja (AdT1ρ ja AdT2ρ) on osoittautunut erityisen tarkaksi nivelruston rappeutumisen toteamiseksi verrattuna perinteisiin kvantitatiivisiin magneettikuvausmenetelmiin. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli vertailla vakiintuneita nivelrikon kvantitatiivisia magneettikuvausmenetelmiä sekä optimoida ja validoida AdT1ρ- ja AdT2ρ-menetelmien käyttöä ihmisen ruston tutkimisessa. Tulokset osoittivat, että T1- ja T2-relaksaatioajat sekä varjoainetehosteinen nivelruston magneettikuvaus pystyivät erottelemaan niveltähystyksessä määritettyjä nivelrikon eri asteita. Kuitenkaan niveltähystyslöydökset ja kvantitatiiviset magneettikuvausparametrit eivät korreloineet viitaten kvantitatiivisen magneettikuvauksen kykyyn osoittaa tarkemmin jäljellä olevan ruston laatua verrattuna niveltähystykseen, jossa arvioidaan ruston puutosta. Nivelruston AdT1ρ- ja AdT2ρ-relaksaatioaikamittaukset onnistuttiin suorittamaan ja validoimaan vapaaehtoisilla koehenkilöillä kliinisellä magneettikuvauslaitteella. AdT1ρ ja AdT2ρ eivät kärsineet samoista puutteista kuin tavanomaiset jatkuva-aaltoiset spin-lukkomenetelmät, joka ovat herkkiä kenttäepähomogeenisuuksille ja aiheuttavat suuremman radiotaajuusaltistuksen. Tutkimuksessa osoitettiin AdT1ρ- ja AdT2ρ-mittausten ja luuödeemin sekä osteofyyttien välinen yhteys. Tulokset osoittivat, että AdT1ρ- ja AdT2ρ-mittaukset ovat potentiaalisia biomarkkereita varhaisen nivelruston rappeuman havaitsemiseksi tutkimus- ja kliinisessä käytössä.

Abstract Wood is an essential material that has many applications in the fields of engineering and especially in the forest industry, which is particularly important in Fennoscandia. Among the various modification methods for wood, thermal modification has grown substantially over the past decades. It is an environmentally friendly method for increasing the lifetime and usability of timber. The aim of this thesis is to characterize the properties of thermally modified wood as well as to obtain new information on the changes taking place in pinewood due to the thermal modification process. Several NMR methods were used to gain information on the effect of thermal modification on the microstructure and moisture components of Pinus sylvestris pinewood. Pinewood samples thermally modified at different temperatures were studied and compared to corresponding unmodified wood samples. Diffusion of water and methane was studied using pulsed-field-gradient stimulated-echo measurements to determine the highly anisotropic size distribution of pores in different cell structures of pinewood. NMR cryoporometry and relaxometry measurements were conducted to gain information on the amounts and environments of both the bound and free water absorbed into the wood samples. Cryoporometry measurements resulted in an upper limit value for the size of bound water sites and the combination of cryoporometry and relaxometry data enabled the size determination of cell wall micropores. Magnetic resonance imaging was used to visualize the spatial distribution of absorbed free water in the studied samples. Together these methods give a broad overall picture of the effects of the modification process. The results of this work give new insight into the microstructure of thermally modified pinewood and its relationship to moisture, which is of importance for both wood science as well as industry. The applicability of the NMR techniques used here to the study of wood is also proven in this work. Using the techniques developed, it is possible to determine the optimal modification temperature, which is high enough to obtain the desired effects, but low enough not to destroy the microstructure of wood. / Tiivistelmä Puuta pystytään hyödyntämään useilla eri aloilla ja se on materiaalina tärkeä etenkin Fennoskandiassa merkittävälle metsäteollisuudelle. Useiden erilaisten puun käsittelymenetelmien joukossa lämpökäsittely on kasvattanut voimakkaasti suosiotaan viime vuosikymmeninä. Kyseessä on ympäristöystävällinen menetelmä, jolla voidaan pidentää puun käyttöikää sekä käytettävyyttä erilaisissa sovelluskohteissa. Tämän väitöskirjan päämääränä on ollut lämpökäsitellyn puun ominaisuuksien tutkiminen ja uuden tiedon saaminen puussa lämpökäsittelyprosessin myötä tapahtuvista muutoksista. Työssä käytettiin useita eri NMR-menetelmiä lämpökäsitellyn mäntypuun (Pinus sylvestris) mikrorakenteen sekä puussa olevan kosteuden aiheuttamien vaikutusten tutkimiseksi. Työssä tutkittiin eri lämpötiloissa käsiteltyjä mäntypuunäytteitä, joita verrattiin vastaaviin käsittelemättömiin näytteisiin. Veden ja metaanin diffuusiota tutkittiin PGSTE-menetelmällä puun erittäin anisotrooppisen solurakenteen sisältämien huokosten mittojen määrittämiseksi. NMR-kryoporometria- ja -relaksometriamittaukset antoivat tietoa puuhun imeytyneen sidotun ja vapaan veden määrästä ja esiintymisympäristöstä. Kryoporometria-mittausten tuloksista saatiin yläraja sidotun veden esiintymispaikkojen koolle, ja kryoporometria- ja relaksometriamittausten tuottaman tiedon yhdistäminen mahdollisti soluseinämien mikrohuokosten koon määrittämisen. Magneettikuvausta käytettiin näytteisiin absorboituneen veden avaruudellisen jakauman määrittämiseen. Käytetyt menetelmät tarjoavat laajan kokonaiskuvan lämpökäsittelyprosessin vaikutuksista puulle. Tämän työn tulokset antavat puutiedettä ja -teollisuutta hyödyttävää uutta tietoa lämpökäsitellyn männyn mikrorakenteesta sekä sen suhteesta kosteuteen. Väitöskirja myös osoittaa käytettyjen NMR-menetelmien soveltuvan hyvin puun tutkimiseen. Tämän tutkimuksen myötä kehitettyjen menetelmien avulla voidaan määrittää mm. optimaalinen lämpökäsittelylämpötila, joka on riittävän korkea haluttujen ominaisuuksien kannalta aiheuttamatta kuitenkaan puun mikrorakenteen hajoamista.

Abstract Several anaesthetics are able to induce a burst-suppression (B-S) pattern in the electroencephalogram (EEG) during deep levels of anaesthesia. A burst-suppression pattern consists of alternating high amplitude bursts and periods of suppressed background activity. All monitors measuring the adequacy of anaesthesia recognize the EEG B-S as one criterion. A better understanding of EEG burst-suppression is important in understanding the mechanisms of anaesthesia. The aim of the study was to acquire a more comprehensive understanding of the function of neural pathways during deep anaesthesia. The thesis is comprised of four prospective clinical studies with EEG recordings from 64 patients, and of one experimental study of a porcine model of epilepsy with EEG registrations together with BOLD fMRI during isoflurane anaesthesia (II). In study I, somatosensory cortical evoked responses to median nerve stimulation were studied under sevoflurane anaesthesia at EEG B-S levels. In study III, The EEGs of three Parkinson`s patients were observed to describe the characteristics of B-S during propofol anaesthesia using scalp electrodes and depth electrodes in the subthalamic nucleus. In study IV, EEG topography was observed in 20 healthy children under anaesthesia mask induction with sevoflurane. Twenty male patients were randomized to either controlled hyperventilation or spontaneous breathing groups for anaesthesia mask induction with sevoflurane in study V. EEG alterations in relation to haemodynamic responses were examined in studies IV and V. Somatosensory information reached the cortex even during deep anaesthesia at EEG burst-suppression level. Further processing of these impulses in the cortex was suppressed. The EEG slow wave oscillations were synchronous over the entire cerebral cortex, while spindles and sharp waves were produced by the sensorimotor cortex. The development of focal epileptic activity could be detected as a BOLD signal increase, which preceded the EEG spike activity. The epileptogenic property of sevoflurane used at high concentrations especially during hyperventilation but also during spontaneous breathing together with heart rate increase, was confirmed in healthy children and male. Spike- and polyspike waveforms concentrated in a multifocal manner frontocentrally. / Tiivistelmä Useat anestesia-aineet pystyvät aiheuttamaan aivosähkökäyrän (EEG) purskevaimentuman syvän anestesian aikana. Purskevaimentuma koostuu EEG:n suuriamplitudisten purskeiden sekä vaimentuneen taustatoiminnan vaihtelusta. Kaikkien anestesian syvyyttä mittaavien valvontalaitteiden toiminta perustuu osaltaan EEG:n purskevaimentuman tunnistamiseen. Tämän ilmiön parempi tunteminen on tärkeää anestesiamekanismien ymmärtämiseksi. Tutkimuksen päämääränä oli saada kattavampi käsitys hermoratojen toiminnasta syvässä anestesiassa. Väitöskirjatyö koostuu neljästä prospektiivisesta yhteensä 64 potilaan EEG-rekisteröinnit sisältävästä tutkimuksesta sekä yhdestä kokeellisen epilepsiatutkimuksen koe-eläintyöstä, jossa porsailla käytettiin isofluraanianestesiassa sekä EEG-rekisteröintejä sekä että magneettikuvantamista (fMRI) samanaikaisesti (II). Ensimmäisessä osatyössä tutkittiin keskihermon stimulaation aiheuttamia somatosensorisia herätepotentiaaleja aivokuorella EEG:n purskevaimentumatasolla sevofluraanianestesian aikana. Kolmannessa osatyössä selvitettiin propofolianestesian aiheuttamaa EEG:n purskevaimentumaa kolmelta Parkinsonin tautia sairastavalta potilaalta käyttäen sekä pintaelektrodien että subtalamisen aivotumakkeen syväelektrodien rekisteröintejä. Neljännessä osatyössä tutkittiin EEG:n topografiaa 20:llä terveeellä lapsella indusoimalla anestesia sevofluraanilla. Kaksikymmentä miespotilasta nukutettiin sevofluraanilla ja heidät satunnaistettiin joko kontrolloidun hyperventilaation tai spontaanin hengityksen ryhmiin osatyössä V. EEG-muutoksia sekä niiden yhteyttä verenkiertovasteisiin selviteltiin molemmissa osatöissä IV ja V. Omasta kehosta tuleviin tuntoärsykkeisiin liittyvä somatosensorinen informaatio saavutti aivokuoren myös syvässä EEG:n purskevaimentumatasoisessa anestesiassa. Impulssien jatkokäsittely aivokuorella oli kuitenkin estynyt. EEG:n hidasaaltotoiminta oli synkronista koko aivokuoren alueella, sen sijaan unisukkulat ja terävät aallot paikantuivat sensorimotoriselle aivokuorelle. Paikallisen epileptisen toiminnan kehittyminen oli mahdollista havaita jo ennen piikikkäiden EEG:n aaltomuotojen ilmaantumista edeltävänä BOLD-ilmiöön liittyvänä aivoverenkierron lisääntymisenä. Sevofluraanin epileptogeenisyys varmistui erityisesti hyperventilaation, mutta myös spontaanin hengityksen yhteydessä ja näihin liittyi sykkeen nousu sekä terveillä lapsilla että miehillä. Piikkejä ja monipiikkejä käsittävien aaltomuotojen keskittymistä esiintyi otsalohkon keskialueilla.

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 Osteoarthritis is a common joint disease in the adult population characterized by degeneration and limited repair capability of articular cartilage. Cartilage degeneration is also associated with remodeling and sclerosis of the subchondral bone. The relative contributions of these processes are not fully understood partly because of a lack of proper biomarkers for the diagnosis and follow-up of the disease progress. Current diagnostic methods are too insensitive or subjective for reliable and early diagnosis of osteoarthritis. Novel magnetic resonance imaging (MRI) techniques can be used for indirect assessment of cartilage constituents. In addition, the imaging of the subchondral bone and osteochondral junction has become feasible, which has been very difficult with conventional MRI methods due to the very fast signal (T2) decay in those tissues. Quantitative MRI of cartilage involves measurement of relaxation time parameters (T1, T2, T1ρ, T2ρ, TRAFF, T1sat) and investigation of how the parameters reflect the properties of the cartilage. SWIFT (Sweep imaging with Fourier transform) is an MRI technique capable of imaging short T2 structures, enabling assessment of the osteochondral junction as well as the subchondral bone. The aim of this work was to investigate osteoarthritic changes occurring in articular cartilage and subchondral bone in experimental animal models of osteoarthritis and degenerated human specimens with quantitative MRI measurements and SWIFT imaging at 9.4 T. Moreover, the feasibility of the different quantitative MRI techniques in the assessment of osteoarthritic changes was studied. For reference, biomechanical, quantitative and qualitative histology, biochemical and micro-computed tomography measurements were conducted. Novel adiabatic T1ρ and T2ρ relaxation time parameters were more sensitive than conventional methods (T1, T2) or continuous wave T1ρ to both early degenerative changes in a rabbit model of cartilage degeneration and to spontaneous degeneration of human cartilage. SWIFT enabled assessment of the structural properties of the subchondral bone. Moreover, signal changes related to the degree of osteoarthritis were detected at the cartilage–bone interface with SWIFT. These methods may provide new tools for improving the diagnosis of early osteoarthritis. Further studies are needed to investigate the clinical feasibility of these MRI techniques. / Tiivistelmä Nivelrikko on yleinen nivelsairaus, johon ei tällä hetkellä ole parannuskeinoa. Nivelrikossa nivelrusto rappeutuu asteittain aiheuttaen lopulta kudoksen tuhoutumisen; samanaikaisesti myös rustonalaisessa luussa sekä rusto–luurajapinnassa tapahtuu muutoksia. Nivelrustokudoksen uusiutumiskyky on erittäin heikko, joten vauriot olisi hyvä havaita varhaisessa vaiheessa. Nivelrikon syntymekanismeja ei kuitenkaan vielä täysin ymmärretä, koska nykyiset seurantamenetelmät eivät ole riittävän tarkkoja taudin etenemisen tarkkailemiseksi. Magneettikuvausteknologian kehitys mahdollistaa kuitenkin nivelruston koostumuksen tarkastelun nivelen ulkopuolelta. Kvantitatiivisen magneettikuvauksen avulla (T1, T2, T1ρ, T2ρ, TRAFF, T1sat relaksaatioaikaparametrit) voidaan mitata epäsuorasti nivelruston koostumusta ja rakennetta. SWIFT (Sweep Imaging with Fourier Transform) on uusi lyhyen kaikuajan magneettikuvausmenetelmä, joka mahdollistaa myös erittäin lyhyen T2-relaksaatioajan omaavien kudosten, kuten rusto–luurajapinnan sekä rustonalaisen luun kuvaamisen. Työssä tutkittiin nivelrikossa syntyviä muutoksia nivelrustossa, rusto–luurajapinnassa ja rustonalaisessa luussa erilaisissa eläinmalleissa sekä ihmiskudoksessa. Lisäksi työssä tarkasteltiin eri magneettikuvaustekniikoiden herkkyyttä havaita muutokset näissä kudoksissa. Nivelruston ja rustonalaisen luun ominaisuuksien määrittelemiseen käytettiin verrokkimenetelminä biomekaanisia, histologisia sekä biokemiallisia mittauksia ja tietokonetomografiakuvauksia. Kvantitatiivisista magneettikuvausparametreista adiabaattinen T1ρ sekä adiabaattinen T2ρ osoittautuivat herkimmiksi havaitsemaan muutoksia varhaisen nivelrikon eläinmallissa sekä ihmiskudosnäytteissä. SWIFT-magneettikuvaustekniikka puolestaan mahdollisti sekä rustonalaisen luukudoksen tilan arvioinnin että nivelrikossa tapahtuvien muutosten havainnoinnin rusto–luurajapinnassa. Nämä menetelmät voivat mahdollistaa nivelrikon diagnosoinnin taudin varhaisessa vaiheessa, mutta lisätutkimuksia vaaditaan menetelmien soveltuvuudesta kliiniseen käyttöön.