Lääketieteellisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa Kuopion kampuksella. Tilaisuutta voi seurata myös verkossa.
Mikä on väitöstutkimuksesi aihe? Miksi aihepiiriä on tärkeää tutkia?
Unihäiriöt, kuten uniapnea ja unettomuus, ovat hyvin yleisiä ja alidiagnosoituja sairauksia. Unihäiriöistä kärsivillä henkilöillä voi esiintyä elämänlaatua merkittävästi heikentäviä oireita, kuten poikkeavaa päiväaikaista väsymystä. Heillä on myös suurempi riski sairastua moniin vakaviin liitännäissairauksiin, kuten sydän- ja verisuonisairauksiin. Lisäksi nykyiset terveydenhuollon resurssit eivät pysty vastaamaan unihäiriöiden yleisyyden asettamaan laajaan diagnostiseen tarpeeseen. Kustannustehokkaampia ja yksinkertaistettuja diagnostisia mittaustekniikoita ja pitkälle automatisoituja, tarkkoja analysointitekniikoita tarvitaan etenkin potilaiden kotona tehtävien tutkimusten kehittämiseksi.
Unilaboratoriossa tehtävä unipolygrafia on tarkin unihäiriöiden diagnostinen mittaustekniikka, jota tarvitaan etenkin unihäiriöiden erotusdiagnostiikassa. Kannettavilla laitteilla potilaan kotona tehtävät mittaukset ovat kuitenkin suositumpia, ja esimerkiksi hengityksen mittaamiseen perustuvaa yöpolygrafiaa käytetään usein uniapnean diagnostiikassa. Yöpolygrafiassa ei kuitenkaan rekisteröidä aivosähkökäyrää (elektroenkefalografia, EEG), joka on edelleen ainoa tarkka menetelmä arvioida unta. Tämä mittaustekninen puute voi johtaa unihäiriön vakavuusasteen virheelliseen tulkintaan. Aivosähkökäyrän puuttuminen kotona tehtävistä rekisteröinneistä johtuu EEG antureiden heikosta käytettävyydestä.
Tässä väitöskirjatutkimuksessa tutkittiin EEG:n mittaustekniikoita, jotka on suunniteltu niin, että potilas voi pukea ne itsenäisesti ohjeistusta seuraten kotona. Tällaiset anturit ovat elektrodeja, jotka asetetaan otsalle hiusrajan alapuolelle. Näiden anturien tekninen soveltuvuus mitata aivosähkötoiminnan piirteitä, jotka mahdollistavat unen tarkan tulkinnan, on kuitenkin kyseenalaistettu. Väitöskirjatyössä selvitettiin, kuinka otsalta mitattu aivosähkökäyrä eroaa unilaboratoriossa pään muilta alueilta rekisteröidystä aivosähkökäyrästä ja ovatko nämä anturit teknisesti soveltuvia kotona tehtäviin unirekisteröinteihin.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?
Väitöskirjassa tutkittiin kahta erilaista puettavaa elektroditekniikkaa: otsalle asetettavaa tekstiilielektrodipantaa ja iholle liimautuvista elektrodeista koostuvaa elektrodisarjaa. Tekstiilielektrodien ihokontakti ilmensi suurempaa virran vastustusta ja polarisoituvuutta, minkä takia ne ovat herkempiä sähköisille häiriöille kuin tavanomaiset unitutkimuksissa käytetyt EEG elektrodit. Sähköisen ihokontaktin havaittiin kuitenkin paranevan ja vakiintuvan ensimmäisen tunnin sisällä tekstiilielektrodien otsalle asettamisesta. Otsalle liimautuvat elektrodit olivat sähköisiltä ominaisuuksiltaan verrattavissa nykyisin diagnostiikassa käytettäviin kuppielektrodeihin, mutta niiden havaittiin irtoavan helpommin yön aikana. Otsalta mitattu aivosähkökäyrä ilmensi unelle tyypillisiä piirteitä eri univaiheissa, ja aivosähkökäyrän laadun ja piirteiden osalta tulokset olivat yhtenäisiä molempien tutkittujen elektroditekniikoiden tapauksessa. Verrattuna tavallisesti unitutkimuksissa mitattuihin aivosähkökäyriin, otsalta mitattu aivosähkökäyrä oli jännitevaihteluiltaan pienempää, ja sisälsi enemmän silmän liikkeistä syntyvää sähköistä aktiivisuutta.
Havaintojen perusteella nykyistä unen vaiheiden tulkintaan käytettävää ohjeistusta ei voida suoraan soveltaa otsalta mitattuihin aivosähkökäyriin. Tämän haasteen ratkaisemiseksi väitöskirjatutkimuksessa kehitettiin otsalta mitatun aivosähkökäyrän analysointiin sopiva koneälyyn perustuva univaiheistusmalli, joka mahdollistaa tarkasti ja automaattisesti unen eri vaiheiden erottelun tutkimustulosten perusteella. Tämä teknologia mahdollistaa unirekisteröintien nopean analysoinnin, ja yhdessä puettavien sensoritekniikoiden kanssa myös useamman kuin yhden yön diagnostiset unirekisteröinnit voisivat tulevaisuudessa olla toteuttamiskelpoisia, lisäten tulosten diagnostista luotettavuutta.
Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Väitöskirjan tuloksia voidaan soveltaa puettavien otsalle asetettavien aivosähkökäyrän mittaustekniikoiden käyttöönotossa. Väitöskirjan johtopäätösten mukaan tutkitut elektrodit ovat ominaisuuksiltaan sopivia kotona tehtäviin unirekisteröinteihin, mutta niiden tekniset ominaisuudet ja mitattujen aivosähkökäyrien erikoispiirteet tulee huomioida unirekisteröintien toteutuksessa ja tulkinnassa. Esimerkiksi tekstiilielektrodien ihokontaktin tulee antaa vakiintua ennen rekisteröinnin aloitusta, ja niillä mitatun aivosähkökäyrän tulkinnassa tulee ottaa huomioon signaalin matalampi teho sekä mahdolliset häiriöt.
Väitöskirjassa kehitettyä automaattista aivosähkökäyrän analysointimenetelmää voidaan hyödyntää unirekisteröintien tulkinnan tukena. Se mahdollistaa unen rakenteen nopean ja luotettavan analysoinnin, tukien unen määrän ja laadun arviointia tutkimuksellisissa käyttötarkoituksissa. Tulevaisuudessa menetelmä voidaan viedä kliiniseen käyttöön. Tällöin automaattianalyysit vapauttavat myös terveydenhuollon resursseja, sillä ilman automaattisia apuvälineitä unen vaiheiden tulkinta on työlästä ja kallista. Väitöskirjassa kehitettyä automaattista univaiheiden tulkintamenetelmää voidaan hyödyntää myös tutkimuksellisesti jo toteutettujen laajojen mittaussarjojen uudelleenanalysoinnissa.
Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?
Väitöstutkimus toteutettiin Itä-Suomen yliopiston teknillisen fysiikan laitoksella STAR-tutkimusryhmässä (https://sites.uef.fi/star) tiiviissä yhteistyössä Kuopion yliopistollisen sairaalan ja Reykjavikin yliopiston kanssa. Yhteistyöyritykset FocusBand Technologies (Windaroo, Australia) ja Nox Medical (Reykjavik, Islanti) tarjosivat tutkimukseen materiaaliresursseja. Väitöskirjatutkimus on osa NordSleep- (https://sites.uef.fi/star/projects/nordsleep/) ja SleepRevolution -projekteja.
Tekstiilielektrodien teknisiä ominaisuuksia tutkittiin Kuopiossa terveillä vapaaehtoisilla koehenkilöillä toteutetuilla ihoelektrodirajapinnan tutkimuksilla (n=10) ja päiväaikaisilla laboratoriossa sekä yöaikaisilla koehenkilön kotona tehdyillä aivosähkökäyrän rekisteröinneillä (n=10+10). Otsalle liimautuvaa elektrodisarjaa tutkittiin Islannissa terveillä ja unihäiriöistä kärsivillä vapaaehtoisilla heidän kotonaan tehdyillä unirekisteröinneillä (n=174). Kaikissa mittauksissa verrokkina uusille aivosähkökäyrän mittaustekniikoille käytettiin nykyisin kliinisesti käytössä olevia tekniikoita.
Automaattinen koneälyyn perustuva univaiheistusmalli kehitettiin hyödyntämällä Princess Alexandra sairaalassa (Brisbane, Australia) kerättyä laajaa kliinistä mittaussarjaa uniapneaepäiltyjen potilaiden unirekisteröinneistä (n=876). Tämän menetelmän testauksessa käytettiin sekä uniapneaa sairastavien että terveiden koehenkilöiden unirekisteröintejä ja Kuopiossa koehenkilöiden kotona uusilla aivosähkökäyrän mittaustekniikoilla tehtyjä unirekisteröintejä.
Väitöskirjan tulokset ja automaattinen univaiheiden tulkintamenetelmä ovat jo käytössä laajassa EU:n rahoittamassa kansainvälisessä SleepRevolution tutkimusprojektissa. Lisätietoja tutkimusprojektista on saatavilla osoitteessa: https://sleeprevolution.eu/en/home/.
FM Matias Rusasen lääketieteellisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Self-Applied Electroencephalography Sensor Techniques for Home-Based Sleep Recordings (Puettavia aivosähkökäyrän mittaustekniikoita kotona tehtäviin unirekisteröinteihin) tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa, Kuopion kampuksella ja verkossa. Vastaväittäjänä toimii Senior Researcher Daniel Álvarez González, University of Valladolid, ja kustoksena dosentti Sami Myllymaa Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on englanti, mutta lektio pidetään suomeksi.
Lisätietoja:
Matias Rusanen, matias.rusanen@uef.fi
