Abstract Medical x-ray imaging is used to visualise patients’ anatomical structures and in some cases their physiology. X-rays are ionizing radiation, thus their use needs to be optimised, as stochastic effects are assumed to increase linearly with the exposure dose. Imaging protocols need to be optimised to a radiation dose level that follows the as low as reasonably achievable principle without compromising the diagnostic value of the image. Different methods can be used to help in the optimisation process, such as simulations, radiation dose and image quality assessments with dosimeters and phantoms and utilising the latest technology in the most efficient way. The purpose of this doctoral thesis was to investigate the applicability of metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor (MOSFET) dosimeters for dose determinations in conventional x-ray and computed tomography (CT) examinations. Additionally, dose optimising methods were investigated in dental panoramic imaging using radiophotoluminescence (RPL) dosimeters. Anthropomorphic phantoms were used in every study to simulate patients, as their structures enable dosimeters to be positioned at locations that correspond to different organs. The MOSFET’s properties for dose determinations were evaluated against the reference dosimeter in a conventional x-ray set-up. Comparisons of absorbed and effective doses in thorax x-ray imaging were made between RPLs, MOSEFTs and Monte Carlo simulations. The effect of the organ-based tube current modulation and bismuth shields were compared against the reference imaging method in a chest CT with one scanner model. Absorbed doses and quantitative image quality were evaluated using each method. Possible dose reduction from segmented dental panoramic tomography (sDPT) imaging was compared against full DPT. Dose measurements were done using RPL dosimeters in pediatric and adult set-up using phantoms. MOSFETs are accurate enough to be used in conventional x-ray and CT, but they require a careful calibration before use as their reproducibility is limited with low doses. Bismuth shields provided the best dose reduction, but with a negative impact on quantitative image quality, especially when metal artefact removal software was used. The final study showed that the use of sDPT programmes and pediatric protocols enable a notably dose reduction compared to the full DPT adult protocol. / Tiivistelmä Lääketieteellisessä kuvantamisessa käytetään röntgensäteilyä potilaan anatomian ja joissain tapauksissa fysiologian visualisointiin. Röntgensäteily on ionisoivaa ja stokastisten vaikutusten kasvaessa oletettavasti lineaarisesti säteilyn funktiona, tulee säteilyn olla kokonaisvaltaisesti optimoitua. Kuvauksissa käytetyn röntgensäteilyn käytön tulee noudattaa ALARA-periaatetta, minkä vuoksi kuvauksessa tulee käyttää niin vähän säteilyä kuin vain mahdollista, diagnostiikan vaarantumatta. Optimoinnin apuna voidaan käyttää esim. simulointeja, annos- ja kuvanlaatumäärityksiä dosimetreilla ja fantomeilla, tai laitevalmistajien tuomia uusia teknologioita. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia metallioksidi-puolijohdekanavatransistorien (MOSFET) soveltuvuutta natiiviröntgentutkimuksissa ja tietokonetomografiassa (TT). Lisäksi työssä tutkittiin hammaskuvauksissa käytettyjä annossäästömenetelmiä radiofotoluminesenssidosimetreilla (RPL). Potilasvasteena työssä käytettiin antropomorfisia fantomeita, minkä ansiosta säteilyannoksia voidaan mitata eri elimiä vastaavilta kohdilta. MOSFET annosmittarin ominaisuuksia arvioitiin natiiviröntgenasetelmassa referenssimittariin nähden. Absorboituneiden ja efektiivisten annosten eroa MOSFET:tien, RPL:ien ja simulointien kesken tutkittiin keuhkoröntgentutkimuksessa. Pintakudoksia säästävän putkivirranmodulointimenetelmän ja vismuttisuojien vaikuttavuutta verrattiin TT:ssä referenssimetelmää vasten. Vaikuttavuutta arvioitiin absorboituneiden annosten ja kvantitatiivisen kuvanlaadun avulla. Segmentoidun hammaspanoraamakuvauksen (sDPT) annossäästömahdollisuuksia verrattiin tavalliseen panoraamakuvaukseen. Annosmääritykset tehtiin käyttäen RPL dosimetreja lapsi- ja aikuisfantomeissa. MOSFET dosimetreja voidaan käyttää annosmäärityksiin natiiviröntgenkuvauksissa ja TT:ssä, mutta niiden kalibrointi ja toistettavuus matalilla annoksilla aiheuttaa kuitenkin rajoituksia niiden käytölle. Vismuttisuojat tuottivat parhaan annossäästön, huonontaen kuitenkin kuvanlaatua. Kuvanlaadun huonontuminen oli erityisen huomattavaa, kun metallista aiheutuvien kuvavirheiden poistamiseen suunniteltua ohjelmaa käytettiin. Viimeinen tutkimus osoitti, että sDPT ohjelmat ja lapsille suunnatut protokollat mahdollistavat huomattavan annossäästön verrattuna aikuisten kokopanoraamaan.

Abstract This dissertation is a pioneering effort in a project to document, preserve and study the human remains found beneath old Northern Finnish churches. These remains have spontaneously mummified as a result of the early modern elite’s practice of burying under church floors. The main subject of the study is an early 17th-century Vicar of the Kemi parish, Nikolaus Rungius, and his mummified remains. His mummy that still is an important tourist attraction and a popular character in local lore, has a unique history as it has been exhibited since the 18th-century. The computed tomography scanning performed on the mummy revealed pathological findings suggesting that the Vicar suffered from obesity-related conditions. The most convincing of these was the manifestation of DISH in his thoracic spine. There were also indications of tuberculosis, such as a probable Pott’s spine, as well as calcifications, for example, in subareolar regions. The latter may also represent gynaecomastia, which currently is a rather common finding in elderly men. The scans also provided information concerning the preservation. In addition to the right forearm that was lost by the mid-19th-century, six cervical vertebrae are missing. The head still appears to be attached through a continuous band of soft tissue, and has likely belonged to the same person as the rest of the body. Both the Vicar’s dental health examined through the scans, and the results of the stable isotope analyses (δ13C, δ15N) of his nail keratin, along with the obesity-related findings, indicated a rather heavy diet rich in protein. This is in line with what is known about the early modern Northern Finnish diets. They were mainly based on foodstuffs acquired by hunting, fishing and animal husbandry. These interpretations also comport with the Vicar’s status, and assumed wealth. Typically, the clergy could maintain abundant diets. Even manifestations of DISH are rather commonly found in remains from monastery sites. The Vicar’s δ15N value was elevated in comparison to the values of the control group comprised of other early modern human remains in Northern Finnish churches. This discrepancy may be due to a stronger input of dietary protein sourced from top aquatic predators, such as the seal. Another plausible explanation could be the connection between the elevated δ15N value and DISH previously found by several authors. / Tiivistelmä Tämä väitöstutkimus on osa projektia, jonka päämääränä on vanhojen pohjoissuomalaisten kirkkojen alla lepäävien muumioituneiden vainajien dokumentointi, säilyttäminen ja tutkimus. Muumioitumisen taustalla on varhaisen uuden ajan eliitin tapa haudata kirkkojen lattioidenalaisiin tiloihin. Tutkimuksen pääkohteena on 1600-luvun alun Kemin seurakunnan kirkkoherran, Nikolaus Rungiuksen hyvin säilynyt ruumis. Kirkkoherran muumiolla on ainutlaatuinen historia, sillä se on ollut nähtävillä 1700-luvulta lähtien. Tämä paikallistaruston hyvin tuntema hahmo on edelleenkin tärkeä turistikohde. Muumion tietokonetomografinen kuvantaminen paljasti useita patologisia löydöksiä. Osa niistä vihjaa kirkkoherran kärsineen tiloista, joilla on yhteys ylipainoon. Kaikista vakuuttavimmin siihen viittaisi hänen rintarangassaan havaittu diffuusin idiopaattisen skeletaalisen hyperostoosin (DISH) aiheuttama leesio. Myös tuberkuloosista havaittiin viitteitä, kuten mahdollinen Pottin tauti, sekä subareolaariset kalkkeumat. Jälkimmäiset voivat tosin olla gynekomastiankin aiheuttamat. Kuvantaminen tarjosi tietoa myös muumion säilyneisyydestä. Pitkään kadoksissa olleen oikean kyynärvarren lisäksi kuusi kaulanikamaa puuttuivat. Pää ja torso näyttäisivät kuitenkin edelleen yhdistyvän toisiinsa niskassa, mikä tarkoittaisi molempien osien kuuluneen samalle yksilölle. Sekä kirkkoherran hammasterveys, että kynnen keratiinin isotooppianalyysit (δ15N, δ13C) indikoivat, että hänen ruokavalionsa lienee ollut raskas ja proteiinirikas. Rintarangan DISH-leesio tukee tätä päätelmää, joka sopii yhteen myös aiempien pohjoissuomalaista varhaisen uudenajan ruokavaliota koskevien tietojen kanssa. Ravinto hankittiin lähinnä metsästämällä, kalastamalla ja karjanhoidolla. Tulokset yhtenevät kirkkoherran sosiaalisen statuksen ja oletetun vaurauden kanssa: papisto kykeni tyypillisesti nauttimaan runsaasta ruokavaliosta. Jopa ylipainoon yhdistetty DISH on erityisen tyypillinen löydös nimenomaan luostarikaivauksien vainajissa. Stabiili-isotooppianalyysit paljastivat kirkkoherran typpiarvon merkittävästi muista pohjoissuomalaisista muumioista koostuvan verrokkiaineiston arvoja korkeammaksi. Ero selittynee ravinnon suuremmalla määrällä vesistöjen huippusaalistajien, kuten hylkeiden proteiinia. Toinen mahdollinen selitys voi liittyä kohonneiden typpiarvojen ja DISHin väliltä aiemmin löydettyyn yhteyteen.

Abstract This thesis evaluated the factors affecting bone flap survival and bone flap resorption after primary cranial reparation surgery, cranioplasty, conducted to repair a cranial bone defect with an autologous cryopreserved bone flap. Emphasis is put on the predictors, progression, and definition of an important yet poorly understood postoperative complication, bone flap resorption. Study I assessed the rates and predictors of bone flap removal and bone flap resorption in a Finnish retrospective multicentre setting. 40% of patients developed complications of whom half required bone flap removal. Bone flap resorption and surgical site infections were the underlying cause in 90% of bone flap removal surgeries. The prevalence of both surgical site infections and bone flap resorption was 9%. In summary, young age was found to predict bone flap resorption and smoking predisposed patients to infections requiring bone flap removal. Study II applied computed tomography-based volumetry to evaluate the prevalence of subclinical bone flap resorption and to monitor its progression. In the follow-up, 90% of patients were found to have decreased bone flap volumes indicating varying degrees of resorption. However, the progression of bone flap resorption as a function of follow-up time was non-linear on the cohort level, and thus routine radiological follow-up seems unjustified. Most bone flaps do not appear to resorb enough to require removal even in the long-term follow-up. Study III addressed the unclarity in the definition of bone flap resorption. The computed tomography-based Oulu Resorption Score was developed to standardise the interpretation of radiological bone flap resorption and to guide follow-up interventions. The score values range from 0 to 9 with increasing values implying more severe bone flap resorption. Coupled with radiological evaluation conducted by independent neurosurgeons, an Oulu Resorption Score of ≥5 was defined to be clinically relevant. Further, the scores were divided into four grades based on the recommended follow-up procedures. Grades 0 (score 0) and I (scores 1 to 4) require no additional follow-up, but those with a grade II (score 5 to 8) or III (score 9) should be referred to neurosurgical consultation with reoperation considered at least in cases of grade III bone flap resorption. / Tiivistelmä Tässä väitöstyössä selvitettiin potilaan omalla kylmäsäilytetyllä luuistutteella tehtyjen kallon luupuutosten ensikertaisten korjausleikkausten tuloksiin vaikuttavia tekijöitä. Erityisesti tarkasteltiin luuistutteen liukenemisen, erään tärkeän, joskin heikosti ymmärretyn komplikaation ennustavia tekijöitä, etenemistä ja määritelmää. Tutkimuksessa I selvitettiin luuistutteen poiston ja liukenemisen yleisyyttä ja näihin vaikuttavia tekijöitä suomalaisessa takautuvassa monikeskusaineistossa. Potilaista 40 %:lle kehittyi komplikaatio. Komplikaatioista puolet johti istutteen poistoon. Luuistutteen liukeneminen ja leikkausalueinfektiot muodostivat 90 % poistoon johtaneista komplikaatioista. Sekä infektioiden että istutteen liukenemi¬sen esiintyvyys oli 9 %. Nuori ikä altisti istutteen liukenemiselle ja tupakointi leikkausalueinfektiolle. Tutkimuksessa II sovellettiin tietokonetomografiaan perustuvaa tilavuusmittausta luuistutteen oireettoman liukenemisen esiintyvyyden ja etenemistaipumuksen selvittämiseksi. Seurannassa 90 %:lla potilaista todettiin alentunut luuistutteen tilavuus viitaten asteeltaan vaihtelevaan istutteen liukenemiseen. Koko tutkimusjoukon tasolla istutteiden liukeneminen ei kuitenkaan edennyt lineaarisesti seuranta-ajan funktiona, joten rutiininomainen seuranta kuvantamistutkimuksin ei vaikuta perustellulta. Suurin osa luuistutteista liukeni niin vähän, ettei uutta leikkausta tarvittu pitkässäkään seurannassa. Tutkimuksessa III käsiteltiin luuistutteen liukenemisen nykyisellään epäselvää määritelmää ja kehitettiin uusi tietokonetomografiaan perustuva pisteytysjärjestelmä (Oulu resorption score) tarkoituksena vakioida radiologisten luuistutteen liukenemislöydösten tulkinta ja ohjata hoitolinjan valintaa. Pisteytysarvot vaihtelevat välillä 0-9. Kasvava arvo kuvaa luuistutteen liukenemisen vaikeusasteen kasvua. Luokitus yhdistettiin riippumattomien neurokirurgien radiologisiin arvioihin, joiden perusteella pistemäärä ≥5 määriteltiin kliinisesti merkitykselliseksi. Pistemäärät jaettiin neljään luokkaan suositeltujen jatkotoimenpiteiden mukaisesti. Luokkia 0 (0 pistettä) ja I (1–4 pistettä) vastaava luuistutteen liukeneminen ei vaadi jatkotoimenpiteitä. Luokkia II (5–8 pistettä) ja III (9 pistettä) vastaavasta luuistutteen liukenemisesta suositellaan konsultoitavan neurokirurgia. Uusintaleikkausta suositellaan harkittavan ainakin luokan III tapauksissa.

Abstract Osteoarthritis (OA) is a heterogenic joint disease significantly affecting the quality of life of a patient, causing pain and disability. OA causes degenerative changes to the structure and composition of articular cartilage and subchondral bone. Currently, effective treatments for OA are limited, partly due to limitations in defining the imaging biomarkers of early OA. Improvement of imaging modalities in OA research and clinical setup is a requirement for quantitating early OA-related tissue features. In the clinical and preclinical setup, computed tomography (CT) enables imaging of bone and, using specific contrast agents, articular cartilage. The aim of this study is to create and validate novel micro-computed tomography (μCT) methods to quantify OA-related features and modifications in articular cartilage and subchondral bone. Contrast-enhanced μCT methods for imaging the collagen (phosphotungstic acid (PTA) and phosphomolybdic acid (PMA)) and GAG (CA4+) content of the articular cartilage in vitro were validated against various reference methods measuring the biochemical composition of articular cartilage. To improve the μCT imaging of subchondral bone, grey-level co-occurrence matrix (GLCM) based analysis of sub-resolution features of subchondral bone was introduced. In addition, to test the translatability of the GLCM-based analysis to clinical resolution, sub-resolution features extracted from clinical cone-beam CT were validated against the subchondral bone morphometrics from the μCT. PTA showed stronger association with the collagen content of the articular cartilage compared to PMA. PTA was also associated with collagen content even in degraded articular cartilage. CA4+ distribution was found to accumulate in chondrons and surrounding areas, suggesting that it is a prominent contrast agent for high-resolution μCT studies of chondrocytes. The GLCM-based analysis of subchondral bone provided information on cellular structure from μCT images and trabecular bone micro-structures from clinical CT images. In conclusion, μCT imaging can provide quantitative information on the collagen content and chondrons of articular cartilage, as well as on osteocytes in subchondral bone. The methods presented here extend the tools for researchers to quantify osteochondral tissue modifications in OA. Furthermore, the developed image processing tools could be translatable to the clinical CT. / Tiivistelmä Nivelrikko on heterogeeninen niveltauti, joka huonontaa yksilön elämän laatua aiheuttaen kipua ja liikuntakyvyttömyyttä. Nivelrikko aiheuttaa nivelkudosten rappeumaa vaikuttaen mm. ruston ja rustonalaisen luun rakenteeseen ja koostumukseen. Nivelrikon kudosmuutosten kuvantamisen kehittäminen ja määrällinen tutkiminen taudin alkuvaiheissa tukisivat nykyisten nivelrikon hoitomenetelmien kehittämistä. Kliinisessä käytössä ja perustutkimuksessa, tietokonetomografia (TT) mahdollistaa luukuvantamisen ja varjoaineita käytettäessä myös rustokuvantamisen. Tämän väitöskirjan tavoitteena on esitellä ja validoida uusia mikrotietokonetomografia-menetelmiä (μTT) nivelrikon rusto- ja luumuutosten määrälliseen tutkimukseen. Varjoaineavusteisia μTT in vitro menetelmiä ruston kollageenin (fosfovolframihappoa (PTA) ja fosfomolybdeenihappoa (PMA)) ja GAG (CA4+) jakauman määrälliseen tutkimukseen validoitiin useilla eri ruston biokemiallista koostumusta mittaavilla vertailumenetelmillä. Rustonalaisen luun kuvantamista kehitettiin soveltamalla harmaasävyjen tekstuurianalyysiä, jolla pyrittiin tunnistamaan kuva-alkiota pienempiä luurakenteita. Rustonalaisen luun μTT-kuvien analyysien tulokset validoitiin synkrotronisäteilyyn perustuvan μTT:n avulla. Lisäksi tekstuurianalyysin soveltuvuutta testattiin kliinisen resoluution kartiokeilan TT-kuville. Kuvista analysoituja tekstuuriparametrejä verrattiin μTT:lla mitattuun todelliseen rustonalaisen luun rakenteeseen. Väitöskirjan tulokset osoittavat, että PTA on spesifimpi kollageenille testatuista varjoaineista ja sen jakauma on verrannollinen kollageenijakaumaan jopa rappeutuneessa nivelrustossa. GAG-spesifisen varjoaineen CA4+:n todettiin kerääntyvän myös kondroneihin, mikä viittaa siihen, että kyseinen varjoaine soveltuisi potentiaalisesti rustosolujen korkean resoluution μTT-tutkimuksiin. Rustonalaisen luun μTT-kuvista analysoitujen tekstuuriparametrien havaittiin olevan verrannollisia osteosyyttien tilavuusfraktion kanssa. Väitöskirjassa esitettyjen tulosten perusteella μTT-kuvantaminen tarjoaa kvantitatiivisen menetelmän nivelruston kollageenijakauman ja rustosolujen sekä rustonalaisen luun osteosyyttien tutkimuksiin. Väitöskirjassa esitetyt menetelmät laajentavat jo olemassa olevaa tutkimusmenetelmien kirjoa nivelrikon aiheuttamien nivelrusto- ja luumuutosten tutkimuksessa. Lisäksi kehitetyt kuva-analyysimenetelmät voivat tarjota tarkempaa tietoa kliinisestä TT:sta.

Abstract Osteoarthritis (OA) is the commonest joint disease in the world, and it has a major socioeconomic impact. OA causes progressive degenerative changes in the composition and structure of articular cartilage and subchondral bone. Clinical diagnosis of OA is based on physical examination and qualitative evaluation of changes on plain radiographs. Current clinical imaging methods are subjective or insensitive to early OA changes. Therefore, new methods are needed so as to quantify composition of the cartilage and characteristics of the subchondral bone. The aim of this thesis was to evaluate the potential of clinically applicable X-ray-based methods for the assessment of the cartilage proteoglycan content as well as the structure and density of subchondral bone in a knee joint. Subchondral bone density and structure (local binary patterns, Laplacian, and fractal-based algorithms) analysis methods for two-dimensional (2-D) plain radiographs were validated against three-dimensional (3-D) bone microarchitecture obtained from micro-computed tomography ex vivo and applied to plain radiographs in vivo. Furthermore, a method developed for the evaluation of articular cartilage proteoglycan content from computed tomography (CT) was validated against a delayed gadolinium-enhanced magnetic resonance imaging of cartilage (dGEMRIC), which is widely used as a proteoglycan sensitive method, in subjects referred for an arthroscopy of the knee joint. Subchondral bone density and structure evaluated from 2-D radiographs were significantly related to the bone volume fraction and true 3-D microarchitecture of bone, respectively. In addition, bone density- and structure-related parameters from radiographs were significantly different among subjects with different stages of OA. Cartilage proteoglycan content evaluated from CT was significantly related to dGEMRIC method. Furthermore, dGEMRIC was associated with bone structure from a 2-D radiograph. In conclusion, analysis of bone structure and density is feasible from clinically available 2-D radiographs. A novel CT method sensitive to proteoglycan content should be considered when a 3-D view of cartilage quality is needed. / Tiivistelmä Nivelrikko on maailman yleisin nivelsairaus. Se aiheuttaa merkittävää kärsimystä potilaille, ja sillä on suuri taloudellinen vaikutus yhteiskuntaan. Nivelrikko aiheuttaa palautumattomia muutoksia nivelrustokudoksen ja rustonalaisen luun koostumukseen ja rakenteeseen. Nivelrikon diagnoosi perustuu kliiniseen tutkimukseen ja röntgenkuvien silmämääräiseen arviointiin. Nykyiset nivelrikon kliiniset kuvantamismenetelmät ovat subjektiivisia eivätkä riittävän tarkkoja nivelrikon varhaisten muutosten osoittamiseen, minkä vuoksi rustokudoksen koostumuksen ja rustonalaisen luun muutosten arviointiin tarvitaan uusia menetelmiä. Tämän väitöskirjantyön tarkoituksena oli tutkia uusien röntgensäteilyyn perustuvien menetelmien soveltuvuutta polvinivelen rustokudoksen proteoglykaanipitoisuuden sekä luun tiheyden ja rakenteen arviointiin. Rustonalaisen luun tiheyttä ja rakennetta arvioitiin digitaalisesta röntgenkuvasta tietokonepohjaisilla menetelmillä ja tuloksia verrattiin mikrotietokonetomografiassa nähtävään luun kolmiulotteiseen rakenteeseen. Röntgenkuvasta laskettavia muuttujia verrattiin myös eriasteisesta nivelrikosta kärsivien henkilöiden välillä. Rustokudoksen proteoglykaanipitoisuutta epäsuorasti mittaavaa tietokonetomografiamenetelmää verrattiin vastaavaan magneettikuvausmenetelmään henkilöillä, jotka olivat menossa polven niveltähystykseen. Röntgenkuvasta laskettu rustonalaisen luun tiheys ja rakenne olivat tilastollisesti selkeästi yhteydessä luun tilavuusmäärään ja mikrorakenteeseen, ja ne erosivat eriasteisesta nivelrikosta kärsivien henkilöiden välillä. Proteoglykaanipitoisuutta arvioivien tietokonetomografia- ja magneettikuvausmenetelmien välillä oli tilastollisesti merkitsevä korrelaatio. Ruston proteoglykaanipitoisuutta arvioivan magneettikuvausmenetelmän ja röntgenkuvasta laskettavan luun rakenteen välillä oli myös tilastollinen yhteys. Loppupäätelmänä voidaan todeta, että luun tiheyttä ja rakennetta on mahdollista arvioida kliinisesti saatavilla olevista röntgenkuvista. Tietokonetomografiamenetelmän käyttöä tulee harkita tutkimuksissa silloin, kun rustokudoksen tilasta halutaan kolmiulotteista tietoa.

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 Hip fracture is a significant problem in health care incurring major costs to society. Therefore, it is necessary to study fracture mechanisms and develop improved methods to estimate individual fracture risk. In addition to conventional bone density measurements, computational finite element (FE) analysis has been recognized as a valuable method for studying biomechanical characteristics of a hip fracture. In this study, computed tomography (CT) based finite element methods were investigated and simulation models were developed to estimate experimental femoral fracture load and hip fracture type in a sideways fall loading configuration. Cadaver femur specimens (age 55–100 years) were scanned using a CT scanner and dual-energy X-ray absorptiometry (DXA), and the femurs were mechanically tested for failure in a sideways fall loading configuration. CT images were used for generating the FE model, and DXA was used as a reference method. FE analysis was done for simulation models of the proximal femur in a sideways fall loading configuration to estimate the experimentally measured fracture load and fracture type. Statistical analyses were computed to compare the experimental and the FE data. Cervical and trochanteric hip fractures displayed characteristic strain patterns when using a FE model mainly driven by bone geometry. This relatively simple FE model estimation provided reasonable agreement for the occurrence of experimental hip fracture type. Accurate assessment between experimental and finite element fracture load (r2 =  0.87) was achieved using subject-specific modeling, including individual material properties of trabecular bone for bilinear elastoplastic FE models. Nevertheless, the study also showed that proximal femoral fracture load can be estimated with reasonable accuracy (r2 =  0.73) by a relatively simple FE model including only cortical bone. The cortical bone FE model was more predictive for fracture load than DXA and slightly less accurate than the subject-specific FE model. The accuracy and short calculation time of the model suggest promise in terms of effective clinical use. / Tiivistelmä Lonkkamurtuma on huomattava ongelma terveydenhuollossa aiheuttaen merkittäviä kustannuksia yhteiskunnalle. Tämän vuoksi on tärkeää tutkia ja kehittää uusia yksilöllisen murtumariskin arviointimenetelmiä. Elementtimenetelmä on tehokas laskennallinen työkalu lonkkamurtuman biomekaanisten ominaisuuksien tutkimisessa. Tässä työssä tutkittiin ja kehitettiin tietokonetomografiaan perustuvia reisiluun simulaatiomalleja kokeellisten murtolujuuksien ja lonkkamurtumatyyppien arviointiin. Reisiluunäytteet (ikä 55–100 vuotta) kuvattiin tietokonetomografialaitteella ja kaksienergisellä röntgenabsorptiometrialla, jonka jälkeen reisiluut kuormitettiin kokeellisesti murtolujuuden ja murtumatyypin määrittämiseksi sivuttaiskaatumisasetelmassa. Tietokonetomografialeikekuvia käytettiin simulaatiomallien luomiseen, ja kaksienergistä röntgenabsorptiometriaa käytettiin vertailumenetelmänä. Reisiluun simulaatiomallit analysoitiin elementtimenetelmän avulla kokeellisten murtolujuuksien ja murtumatyyppien arvioimiseksi. Tilastoanalyysiä käytettiin verrattaessa kokeellista aineistoa ja simulaatioaineistoa. Reisiluun muotoon perustuva simulaatiomalli osoitti, että reisiluun kaulan ja sarvennoisen murtumilla on tyypilliset jännitysjakaumat. Tämän suhteellisen yksinkertaisen mallin murtumatyyppi oli lähes yhdenmukainen kokeellisen murtumatyypin kanssa. Reisiluun kokeellinen murtolujuus pystyttiin arvioimaan tarkasti (r2 =  0.87) käyttäen yksityiskohtaista simulaatiomallia, joka sisältää yksilölliset hohkaluun materiaaliominaisuudet. Toisaalta murtolujuus pystyttiin arvioimaan kohtuullisella tarkkuudella (r2 =  0.73) melko yksinkertaisellakin mallilla, joka käsittää ainoastaan kuoriluun. Kuoriluuhun perustuva malli oli tarkempi arvioimaan reisiluun kokeellista murtolujuutta kuin kaksienerginen röntgenabsorptiometria ja lähes yhtä tarkka kuin yksityiskohtaisempi simulaatiomalli. Mallin tarkkuus ja lyhyt laskenta-aika antavat lupauksia tehokkaaseen kliiniseen käyttöön.

Abstract Hip fracture is the most severe complication of osteoporosis. The occurrence of hip fracture is increasing worldwide as a result of the ageing of the population. The clinical assessment of osteoporosis and to some extent hip fracture risk is based on the measurement of bone mineral density (BMD) using dual X-ray absorptiometry (DXA). However, it has been demonstrated that most hip fractures occurring after a fall involve non-osteoporotic populations and that the geometry plays a critical role in the fracture risk assessment. A potential alternative for the assessment of hip fracture risk is finite element modelling, which is a computational method allowing simulation of mechanical loading. The aim of this study was to investigate different finite-element (FE) methods for predicting hip fracture type and eventually hip failure load in the simulation of a fall on the greater trochanter. An experimental fall on the greater trochanter was performed on over 100 cadaver femurs in order to evaluate the failure load and fracture type. In all studies, assessment of BMD, measurement of geometrical parameters and generation of finite element models were performed using DXA, digitized plain radiographs and computed tomography scans. The present study showed that geometrical parameters differ between specific hip fracture types. FE studies showed feasible accuracy in the prediction of hip fracture type, even by using homogeneous material properties. Finally, a new method to generate patient-specific volumetric finite element models automatically from a standard radiographic picture was developed. Preliminary results in the prediction of failure load and fracture type were promising when compared to experimental fractures. / Tiivistelmä Lonkkamurtuma on osteoporoosin vakavin seuraus. Lonkkamurtumatapaukset kasvavat maailmanlaajuisesti väestön ikääntymisen myötä. Osteoporoosin ja osin myös lonkkamurtumariskin kliininen arviointi perustuu luun mineraalitiheyden mittaamiseen kaksienergisellä röntgenabsorptiometrialla (Dual-energy X-ray absorptiometry, DXA). On kuitenkin osoitettu, että suurin osa kaatumisen seurauksena tapahtuvista lonkkamurtumatapauksista tapahtuu henkilöillä joilla ei ole todettua osteoporoosia, ja että myös luun muoto on tärkeä tekijä arvioitaessa lonkkamurtumariskiä. Laskennallinen mallintaminen elementtimenetelmällä mahdollistaa mekaanisen kuormituksen simuloinnin ja on potentiaalinen vaihtoehto lonkkamurtumariskin arviointiin. Tämän työn tarkoituksena on tutkia elementtimenetelmiä lonkkamurtumatyypin ja lopulta lonkan murtolujuuden ennustamiseksi simuloimalla kaatumista sivulle. Yli sataa reisiluuta kuormitettiin kokeellisesti murtolujuuden ja murtumatyypin määrittämiseksi. Luun mineraalitiheyden arviointi, muotoparametrien mittaus ja elementtimallit tehtiin käyttäen DXA:a, digitalisoituja röntgenkuvia ja tietokonetomografiakuvia. Tämä tutkimus osoittaa, että luun muotoparametrit vaihtelevat eri lonkkamurtumatyyppien välillä. Lonkkamurtumatyyppi voitiin ennustaa hyvällä tarkkuudella elementtimenetelmän avulla silloinkin, kun käytettiin homogeenisia materiaaliominaisuuksia. Lopuksi kehitettiin uusi menetelmä yksilöllisten kolmiulotteisten elementtimallien automaattiseen luontiin tavallisista röntgenkuvista. Alustavat tulokset lonkan murtolujuuden ja murtumatyypin ennustamisessa ovat lupaavia.