MSc Amir Esrafilian kehitti väitöstutkimuksessaan erilaisia yksilöllisiä polvinivelen laskennallisia mallinnusmenetelmiä nivelen mekaanisen kuormituksen ja pehmytkudosten, kuten rustojen, vasteiden arvioimiseksi eri päivittäistoiminnoissa ja kuntoutusharjoitteissa.
Polvinivel välittää voimia alemmas raajassa ja toimii iskunvaimentimen tavoin. Polviniveleen kohdistuvat suuret kuormitukset ja monimutkainen rakenne tekevät nivelestä alttiin vammoille sekä polven kudosten rappeumasairauksille, kuten polven nivelrikolle. Nivelten mekaanisen kuormituksen ja kuormitusvasteiden perusteellinen ymmärrys on välttämätöntä nivelsairauksien syiden selvittämisessä, hoidon suunnittelussa ja vamman tai leikkauksen jälkeisessä toiminnan palautumisen optimoimisessa. Polvinivelen kuormituksen mittaaminen vaatii polveen kajoavia kirurgisia toimenpiteitä, joten matemaattiset mallit ja tietokonesimulaatiot ovat yleisesti käytetty menetelmä polven kuormituksen arvioinnissa. Toistaiseksi käytössä ei kuitenkaan ole kliinisen päätöksenteon tueksi soveltuvia menetelmiä, joiden avulla voitaisiin yksilöllisesti selvittää polvinivelen kuormittumista eri aktiviteeteissä.
Väitöstutkimuksessaan MSc Amir Esrafilian kehitti erilaisia yksilöllisiä polvinivelen laskennallisia mallinnusmenetelmiä nivelen mekaanisen kuormituksen ja pehmytkudosten, kuten rustojen, vasteiden arvioimiseksi eri päivittäistoiminnoissa ja kuntoutusharjoitteissa. Kehitetyt menetelmät erosivat polvinivelmallin monimutkaisuuden ja mallin yksilöllistämisen osalta. Väitöstutkimuksessa kehitettiin myös menetelmä, joka mahdollistaa yksilöllisen polvinivelmallin luomisen ja tietokonesimulaatioiden suorittamisen aikaisempaa huomattavasti nopeammin (atlas-pohjainen menetelmä). Tätä menetelmää hyödynnettiin polven nivelrikkoa sairastavien henkilöiden polvinivelen mekaanisen kuormituksen selvittämiseksi päivittäistoimintojen ja kuntoutusliikkeiden aikana. Tavoitteena oli osoittaa menetelmän hyödyt yksilöllisten kuntoutusohjelmien luomisessa.
Väitöstutkimuksessa kehitetyt mallinnusmenetelmät tarjoavat mahdollisuuden yhdistää eri mittaskaalan matemaattiset mallit koko nivelen tasolta aina solutasolle asti. Väitöskirjassa havaittiin, että yksinkertaisemman polvimallin hyödyntäminen ja simulaatioiden avustaminen yksilöltä mitatuilla lihasten aktivaatioilla voi parantaa simulaatioiden tarkkuutta verrattuna monimutkaisten polvimallien käyttämiseen. Tämä myös vähentää simulaatioiden suorittamiseen kuluvaa aikaa. Nivelrikkopotilailta saatuja tuloksia voidaan hyödyntää tehokkaampien ja yksilöllisten kuntoutusohjelmien suunnittelussa polven eri alueiden kuormituksen optimoimiseksi. Tietokonesimulaatioavusteisella polven kuormituksen optimoimisella voidaan mahdollisesti esimerkiksi hidastaa polven nivelrikon kehittymistä.
Yhteenvetona väitöskirjatutkimuksessa kehitetty pitkälle automatisoitu polven mallinnus- ja simulaatiomenetelmä mahdollistaa polvinivelen toiminnan nopean mallintamisen, sekä polven rustojen ja nivelkierukoiden mekaanisten vasteiden arvioimisen tarkasti ja yksilöllisesti eri päivittäistoiminnoissa ja kuntoutusliikkeissä. Menetelmä osoitti myös potentiaalinsa suurilla potilasaineistoilla toteutettaviin tutkimuksiin ja kliiniseen työhön avustamaan päätöksentekoa liiallista kuormitusta ja kipua ehkäisevien kuntoutusprotokollien yksilöimisessä. Tulevaisuudessa tähän menetelmään voidaan yhdistää algoritmeja ennustamaan yksilöllisesti kuormituksen aiheuttama polven kudosten rappeuma, kuten nivelrikossa havaittu kudosten solukuolema ja kollageenisäikeiden vaurioituminen.
Väittelijä on saanut väitöstutkimukselleen EU:n Horisontti 2020 Marie Sklodowska-Curie -rahoitusta (nro 713645).
MSc Amir Esrafilianin sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Multiscale computational modeling of the knee joint: Development, validation, and application of musculoskeletal finite element modeling methods tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa 3.9. Kuopion kampuksella ja verkossa. Vastaväittäjänä toimii professori Elena Gutierrez Farewik, KTH Royal Institute of Technology, Ruotsi, ja kustoksena professori Rami K. Korhonen, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on englanti.
