Takaisin

Uudet laskentamenetelmät parantavat fotoakustista tomografiaa

Jenni TickVäitös laskennallisen fysiikan alalta
Väittelijä: FM Jenni Tick
Aika ja paikka: 20.12.2019 klo 12, SN200, Snellmania, Kuopion kampus

Filosofian maisteri Jenni Tickin väitöskirjatyössä kehitettiin uusia laskentamenetelmiä fotoakustisen tomografian kuvan rekonstruktioon eli alkupaineen estimointiongelmaan. Väitöskirjatyössä lähestyttiin tätä ongelmaa Bayesilaisten inversio-ongelmien menetelmien avulla. Väitöskirjatyössä kehitetyt menetelmät paransivat estimoitavien kuvien laatua sekä mahdollistivat kvantitatiiviset estimaatit alkupaineesta ja niiden luotettavuuden arvioinnin perinteisten kvalitatiivisten fotoakustisten kuvien lisäksi.

Fotoakustinen tomografia on kuvantamismenetelmä, joka perustuu kohteeseen syötetyn valopulssin aiheuttamaan fotoakustiseen ilmiöön ja siitä seuraavaan ultraäänitaajuisen akustisen aallon mittaamiseen. Kuvan rekonstruktiossa fotoakustinen kuva, eli valon absorption aiheuttama alkupaine, estimoidaan kuvannettavan kohteen pinnalta mitatuista ultraäänisignaaleista. Korkean optisen kontrastin ja tarkan ultraäänen resoluution ansiosta fotoakustinen tomografia on kasvattanut kiinnostusta erityisesti biolääketieteellisenä ja lääketieteellisenä kuvantamismenetelmänä, joissa sitä on käytetty esimerkiksi iho- ja rintasyövän sekä verisuoniston kuvantamisessa.

Erityisesti käytännön sovelluskohteissa fotoakustisen kuvan rekonstruktio on huonokuntoinen inversio-ongelma.  Väitöskirjatyössä esitettiin Bayesilaisten inversio-ongelmien menetelmään perustuva ratkaisumenetelmä, jossa mittauksia, mittaustilannetta kuvaavaa matemaattista mallia ja etukäteistietoa kuvannettavasta kohteesta hyödynnettiin inversio-ongelman ratkaisussa. Kehitetyllä menetelmällä voidaan sekä rekonstruoida kuva että määrittää sen virherajat, jolloin saadaan arvio kuvan luotettavuudelle.  Menetelmää testattiin tietokonesimulaatioilla ja kokeellisella mittausdatalla käyttäen kahta mittauslaitteistoa.  Niin simulaatioiden kuin kokeellisten mittauksien tulokset osoittivat, että Bayesilaisten inversio-ongelmien menetelmällä voidaan saada tarkkoja estimaatteja alkupaineesta tomografiakuvien muodossa ja arviot näiden kuvien luotettavuudelle.

Fotoakustisen tomografian kuvanmuodostusongelman huonokuntoisuuden vuoksi menetelmä on herkkä mallinnus- ja mittausvirheille. Tyypillisesti fotoakustisen tomografian sovelluksissa kuvannettavan kohteen äänennopeutta ei tunneta tarkasti, minkä vuoksi muodostettuihin fotoakustisiin kuviin saattaa tulla virheitä.  Tätä varten väitöskirjassa sovellettiin Bayesilaista mallinnusvirheteoriaa, jolla tutkittavan kohteen äänennopeuteen liittyvät epävarmuudet voitiin huomioida. Epävarmuuksien mallinnuksen havaittiin parantavan sekä muodostettavien kuvien laatua että niiden kvantitatiivista luotettavuutta.

Filosofian maisteri Jenni Tickin laskennallisen fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Image reconstruction and modelling of uncertainties in photoacoustic tomography (Kuvan rekonstruktio ja epävarmuuksien mallinnus fotoakustisessa tomografiassa) tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä toimii tutkimusprofessori Johanna Tamminen Ilmatieteen laitokselta ja kustoksena apulaisprofessori Tanja Tarvainen Itä-Suomen yliopistosta.

Väittelijän painolaatuinen kuva on osoitteessa  https://kuvapankki.uef.fi/A/UEF+kuvahakemisto/18459?encoding=UTF-8