Hyppää pääsisältöön

Ukrainan sodan vaikutukset yliopistoon

Pyöreitä tarroja lasiseinällä.

FM Jyrki Jauhiaisen väitös 28.1.2022: Laskennallisia menetelmiä impedanssitomografialle

Sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöstutkimus tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa Kuopion kampuksella ja verkossa.

Mikä on väitöstutkimuksesi aihe?

Tutkin ja kehitin väitöskirjassani laskennallisia menetelmiä impedanssitomografiaa (Electrical impedance tomography, EIT) varten. EIT on kuvantamismenetelmä, jonka avulla voidaan selvittää kuvannettavan kohteen sisäinen sähkönjohtavuus. Johtavuuden kuvantaminen EIT:llä perustuu kohteen reunalle sijoitettavien elektrodien kautta tehtyihin virransyöttöhin ja jännitemittauksiin.

EIT:llä on potentiaalisia sovelluksia muun muassa lääketieteessä, maaperän kuvantamisessa ja robotiikassa. Eräs lupaava sovellus EIT:lle on niin kutsuttu sensing skin -tekniikka. Siinä kuvannettavan kohteen pinta maalataan sähköä johtavalla maalilla ja maalipinnan johtavuutta seurataan EIT:n avulla. Kun maali on valittu sopivasti, sen johtavuus reagoi muutoksiin kohteen pinnalla.

Sensing skin -tekniikkaa voidaan hyödyntää mahdollisesti esimerkiksi murtumien paikantamiseen geotermisten voimaloiden maanalaisissa rakenteissa. Reaaliaikainen monitorointi vaatii kuitenkin uusien ja tehokkaampien laskennallisten menetelmien kehittämistä. Toisena tavoitteena uusien laskentamenetelmien kehityksessä on kuvantamisen tarkkuuden parantaminen.

Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?

Väitöskirjatyössä kehitettiin EIT:tä varten uusi ratkaisumenetelmä, niin sanottu Relaxed Inexact Proximal Gauss-Newton -menetelmä. Sen toimivuus osoitettiin sekä teoreettisesti, että numeerisesti ja kokeellisesti. EIT:n tapauksessa menetelmän hyödyntäminen paransi kuvien laatua ja lyhensi laskenta-aikaa merkittävästi. Lisäksi sillä on mahdollisia sovelluksia myös muissa matemaattisesti saman tyyppisissä kuvantamisongelmissa.

Toisena keskeisenä aiheena väitöskirjatyössä oli sensing skin -tekniikan laajentaminen tilanteisiin, joissa kohteen pinta ei ole tasomainen. Aiemmissa tutkimuksissa laskenta on sisältänyt oletuksen pinnan tasomaisuudesta, mutta tekniikalle on tarvetta myös lukuisissa sellaisissa sovelluksissa, joissa oletus ei ole voimassa. Uuden, ei-tasomaisen pinnan kuvantamiseen kehitetyn laskentamallin toimivuus näytettiin toteen muun muassa sovelluksissa, joissa tavoitteena oli vaurioiden havaitseminen putkien tai painesäiliöiden pinnalla.

Miten väitöstutkimuksesi tuloksia voidaan hyödyntää käytännössä?

Väitöskirjassa kehitettyjä laskennallisia menetelmiä voidaan mahdollisesti hyödyntää kaupallisissa EIT-sovelluksissa, esimerkiksi sensing skin -sovelluksessa. Lisäksi kehitetyt menetelmät soveltuvat myös muihin vastaaviin kuvantamisongelmiin. Työn teoreettiset tulokset luovat pohjaa myös tulevalle laskennalliselle tutkimukselle.

Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?

Tutkimuksen teoreettiset tulokset pohjautuvat aiempaan tutkimukseen korkeaulotteisten optimointiongelmien ratkaisumenetelmistä ja EIT:stä. Tutkimuksen laskennalliset menetelmät toteutettiin pääsääntöisesti alusta asti, mutta nämä toteutukset perustuvat Itä-Suomen yliopiston sovelletun fysiikan laitoksen Laskennallisen fysiikan ja inversio-ongelmien työryhmän aiempaan tutkimukseen. Työssä käytettiin myös laboratorio-oloissa mitattua dataa. EIT-mittalaitteen on valmistanut kuopiolainen Rocsole Oy. Mittausdataa kerättiin muun muassa sensing skin -mittausasetelmasta.

FM Jyrki Jauhiaisen sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Non-smooth optimization and regularization for electrical impedance tomography (Epäsileän optimoinnin ja regularisoinnin hyödyntäminen impedanssitomografiassa) tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa, Kuopion kampuksella, Snellmania, SN200, 28.1.2022 klo 12. Vastaväittäjänä toimii apulaisprofessori Antti Hannukainen, Aalto-yliopisto, ja kustoksena professori Aku Seppänen, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on englanti ja sitä voi seurata verkossa.

Lisätietoja:

Jyrki Jauhiainen, jyrki.jauhiainen@uef.fi

Väittelijän painolaatuinen kuva

Tilaisuus verkossa

Väitöskirja verkossa

Avainsanat