Sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa. Tilaisuutta voi seurata Kuopion kampuksella ja verkossa.
Mikä on väitöskirjatutkimuksesi aihe? Miksi aihe on tärkeä?
Väitöskirjatutkimukseni keskittyy polvinivelen monimutkaisen biomekaniikan ymmärtämiseen. Keskityin tutkimuksessani erityisesti mallintamaan polvinivelen ruston mekaanisia vasteita. Tutkin, miten erilaiset tekijät, kuten käytetty kuvantamismenetelmä, nivelruston materiaaliominaisuudet ja yksilöllisen liikedatan käyttö, vaikuttavat polven laskennallisen mallin ennustamien mekaanisten vasteiden tarkkuuteen ja luotettavuuteen.
Vertailin työssäni malleja ja niiden mekaanisia tuloksia tapauksissa, joissa mallit oli rakennettu magneettikuvantamisen tai röntgenkuvantamisen avulla, toteutettu ihmisen tai naudan rustojen ominaisuuksilla ja täysin yksilöllisillä tai kirjallisuuteen perustuvilla kävelyn liikedatalla. Tekemäni vertailut auttavat parantamaan ymmärrystä siitä, kuinka polvinivelen ja ruston mekaniikkaa voidaan mallintaa.
Tutkimukseni on tärkeä, koska polveen liittyvät sairaudet, erityisesti nivelrikko, ovat yksi merkittävimmistä liikuntakyvyn ja elämänlaadun heikkenemisen syistä maailmanlaajuisesti. Vaikka nivelrikon diagnoosissa on edistytty, sairauteen ei ole vielä löydetty tehokasta hoitoa. Tarkat potilaskohtaiset työkalut, jotka parantavat ymmärrystä nivelrikon biomekaanisista riskitekijöistä, ennustavat sairauden etenemistä ja auttavat optimoimaan hoitosuunnitelmia, voisivat tarjota ratkaisun tähän haasteeseen. Kasvattamalla polvinivelen mallien tarkkuutta ja sovellettavuutta väitöskirjatutkimuksellani on potentiaalia parantaa kliinisiä toimenpiteitä, viivyttää nivelrikon kehittymistä ja lopulta edistää parempia potilaiden hoitotuloksia.
Mitkä ovat väitöskirjatutkimuksesi keskeiset löydökset?
Väitöskirjatutkimukseni keskeisin löydös on saavutettavan ja tarkan laskennallisen mallin kehittäminen polvinivelen ja ruston mekaniikan arvioimiseksi. Mallissani hyödynnettiin tavallista röntgenkuvantamista, joka tarjoaa kustannustehokkaan vaihtoehdon magneettikuvantamiselle. Lisäksi tutkimuksessani vertailtiin malleja, joissa käytettiin ihmisen rusto-ominaisuuksia ja verrattiin tämän mallin tuloksia yleisemmin käytettyihin naudan rusto-ominaisuuksia hyödyntäviin malleihin. Tulokset osoittivat merkittäviä eroja polviruston mekaniikassa näiden kahden mallinnuslähestymistavan välillä korostaen ihmisen rusto-ominaisuuksien käytön tärkeyttä aina, kun se on mahdollista.
Lisäksi työni osoittaa polvinivelen simulaatioiden olevan herkkiä yksilölliselle kävelyn liikedatalle, mikä korostaa potilaskohtaisen liikkeen mittauksen ja käytön merkitystä tavoiteltaessa nivelruston mekaanisten vasteiden luotettavaa ennustamista. Löydökseni tarjoavat arvokasta tietoa alan tutkijoille, ja ne ovat myös olennaisia laskennallisten mallien tarkkuuden parantamisessa, polvinivelen mekaniikan paremmassa ymmärtämisessä sekä uusien nivelrikon diagnoosi- ja hoitostrategioiden kehittämisessä.
Miten väitöskirjatutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?
Väitöskirjatutkimukseni tuloksia voidaan hyödyntää kliinisesti tarjoamalla helpommin saavutettava ja tehokkaampi menetelmä polvinivelen ja ruston mekaniikan arvioimiseksi röntgenkuvantamispohjaisen laskennallisen polvimallin avulla. Tämä voi auttaa lääkäreitä ymmärtämään paremmin potilaidensa polven biomekaniikkaa ilman, että heidän täytyy tukeutua kalliisiin ja vaikeammin saatavilla oleviin magneettikuviin.
Kun polvimallissa käytetään ihmisen ruston ominaisuuksia ja yksilöllistä kävelyn liikedataa, tutkijat ja tulevaisuudessa myös terveydenhuollon ammattilaiset voivat tehdä tarkempia ennusteita nivelruston mekaanisesta käyttäytymisestä ja ruston rappeutumisesta. Tämä voi olla merkittävä etu nivelrikkopotilaiden hoidon suunnittelussa. Nämä edistysaskeleet voivat parantaa potilaiden hoitotuloksia ja ohjata uusien kirurgisten ja ennaltaehkäisevien kuntouttavien strategioiden kehittämistä.
Mitkä ovat väitöskirjatutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -materiaalit?
Väitöskirjatutkimuksessani hyödynnettiin laskennallista lihas-luuranko- ja elementtimenetelmämallinnusta polven kokeman kuormituksen ja mekaniikan simuloimiseksi keskittyen erityisesti nivelruston biomekaniikkaan kävelyn aikana. Käytimme polven röntgen- ja magneettikuvista määritettyjä polven anatomisia mittoja ja polvimallikirjastoon pohjautuvaa lähestymistapaa polvinivelen elementtimallin luomiseksi ja yksilöimiseksi. Lopuksi röntgenkuvantamispohjaisia malleja verrattiin magneettikuvantamispohjaisiin malleihin menetelmän validoimiseksi. Tämä lähestymistapa mahdollisti nopeamman ja saavutettavamman mallien luomisen verrattuna perinteisiin käsin tehtyihin malleihin.
Keskeisiin menetelmiin kuului kolmiulotteisten polvimallien kehittäminen röntgen- ja magneettikuvista sekä ihmisen rusto-ominaisuuksien lisääminen polvimalliin ruston mekaanisten vasteiden arvioimiseksi. Lihas-luurankomallinnuksessa hyödynnettiin kävelyn liikeanalyysiä, joissa koehenkilöt kävelivät itselleen sopivalla vauhdilla. Tästä koehenkilökohtaisesta liikeanalyysistä laskettiin lihas-luurankomallilla polven sisäinen kuormitustila, joka toimi polven elementtimallin liikesyötteenä. Tämän jälkeen polven elementtimallin avulla analysoitiin nivelruston kokemaa rasitusta, kudospuristumaa ja kudosnesteen painetta kävelyn aikana. Lopuksi suoritin joukon malliparametrien herkkyysanalyysejä, joissa selvitettiin ruston materiaaliominaisuuksien ja lihas-luurankomallissa tehtyjen oletuksien vaikutuksia nivelruston mekaniikkaan kävelyn aikana.
FM Sana Jahangirin sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Imaging-based computational modelling of knee joint mechanics: Radiograph-informed model generation and simulation of the sensitivity of the selected model parameters on cartilage mechanics (Kuvantamiseen perustuvan polvinivelen mekaniikan laskennallinen mallinnus: Röntgenkuviin perustuvan mallin luonti ja valittujen malliparametrien herkkyyden vaikutus ruston mekaniikkaan) tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa Kuopion kampuksella ja verkossa. Vastaväittäjänä toimii Dr. Dimitrios Tsaopoulos, Center for Research and Technology Hellas, Institute for Bio-Economy and Agri-Technology, Kreikka, ja kustoksena professori Rami K. Korhonen, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on englanti.
Lisätietoja:
Sana Jahangir, sana.jahangir@uef.fi, puh. +358 50 573 8151
