Hyppää pääsisältöön

Koronavirustilanne Itä-Suomen yliopistossa

Polvinivelen mallinnuskuva tietokoneen näytöllä

Uusia keinoja kuvanmuodostukseen toiminnallisessa magneetti- ja PET-kuvantamisessa

Filosofian maisteri Ville-Veikko Wettenhovi tutki väitöstyössään kuvanmuodotusalgoritmeja toiminnallisessa magneetti- ja PET-kuvantamisessa. Tulokset osoittavat magneettikuvantamisen osalta Kalman-suotimen toimivaksi kuvanmuodostusmenetelmäksi ajasta riippuviin ongelmiin.

Wettenhovi toteutti myös avoimen lähdekoodin ohjelmiston PET-kuvantamiseen, mikä mahdollistaa monien eri kuvanmuodostusalgoritmien helpon käytön.

Magneettikuvantaminen ja PET-kuvantaminen ovat hyvin erilaisia lääketieteellisiä kuvantamismenetelmiä, joista ensimmäistä käytetään pääsääntöisesti anatomian kuvaamiseen ja jälkimmäistä fysiologisten toimintojen kuvaamiseen. Magneettikuvantamista voidaan kuitenkin käyttää myös toiminnallisessa muodossa, jolloin tutkitaan jotakin ajasta riippuvaa kohdetta, kuten aivojen käyttäytymistä tiettyihin ärsykkeisiin. PET-kuvantamisessa ei tutkita anatomiaa vaan joko toiminnallisia ominaisuuksia, kuten aivojen toimintaa tai fysiologisia ja aineenvaihdunnallisia toimintoja, kuten sokeriaineenvaihduntaa. Jälkimmäistä voidaan käyttää syöpädiagnosoinnissa, kun käytetään radioaktiivisesti merkittyä glukoosia. PET-kuvantaminen toisaalta aiheuttaa ionisoivaa säteilyä mitä magneettikuvantamisessa ei ole.

Tutkittaessa ajasta riippuvaa kohdetta, vaaditaan kuvanmuodostusalgoritmilta enemmän kuin normaalissa anatomisessa kuvantamisessa. Ajasta riippuvassa tapauksessa muodostettuja kuvia ei ole vain yksi per leike, vaan näitä muodostetaan niin monta kuin ajallisia mittauksia on tehty. Kuvia saattaa olla kymmeniä tuhansia jokaista leikettä kohti, jolloin myös laskentavaatimukset ovat suuremmat. Lisäksi ajasta riippuvien menetelmien tulisi ottaa huomioon myös tämä aikariippuvuus, jolloin algoritmit ottaisivat huomioon myös menneet tapahtumat, ja mahdollisesti myös tulevat tapahtumat.

Kalman-suodin on matemaattinen algoritmi, joka pysty huomioimaan myös ajallisen tiedon. Suodinta on käytetty tilaestimoinnissa monissa eri kohteissa, kuten paikannusjärjestelmissä, seurannassa ja konenäössä. Kuvantamisessa sen käyttö on kuitenkin ollut rajallista, johtuen laskennallisista vaatimuksista.

Laskentanopeutta pystytään nykyään nopeuttamaan käyttämällä grafiikkasuorittimia normaalin suorittimen sijasta. Grafiikkasuorittimet ovat erityisen hyviä tilanteissa, joissa monia pieniä laskuja suoritetaan yhtä aikaa, kuten matriisilaskennassa. Grafiikkasuorinten hyödyntäminen vaatii kuitenkin erilaista ohjelmointikielen käyttöä ja eri koodikirjastojen hyödyntämistä.

Kalman-suodinta testattiin toiminnallisessa magneettikuvantamisessa hyödyntäen grafiikkasuorittimien kykyä huomattavasti nopeampaan laskentaan. Se osoittautui toimivaksi menetelmäksi jopa erittäin pienellä datamäärällä, jolloin perinteiset menetelmät eivät enää onnistuneet saamaan hyväksyttävää kuvaa aikaiseksi. Kalman-suodinta sovellettiin usealla eri tavalla, joista jokaisella menetelmällä oli omat hyötynsä. Monet näistä menetelmistä ovat lisäksi yhdisteltävissä toisiinsa, jota ei kuitenkaan tässä tapauksessa vielä toteutettu.

Wettenhovi kehitti myös uuden PET-kuvanmuodostukseen tarkoitetun avoimen lähdekoodin ohjelmiston, nimeltään OMEGA. Tämä ohjelmisto mahdollistaa PET-kuvien muodostamisen helposti useilla eri algoritmeilla, jotka voidaan laskea käyttäen hyväksi grafiikkasuorittimia. Ohjelmistoa voidaan käyttää helposti myös täysin uusien algoritmien kehittämiseen, joissa voidaan hyödyntää ohjelmiston kykyä grafiikkasuorittimien käytössä.

Kalman-suodin on erittäin potentiaalinen menetelmä kuvanmuodostukseen aikariippuvassa magneettikuvantamisessa. Menetelmästä on mahdollista kehittää kliiniseen ympäristöön sopiva automaattinen kuvanmuodostusalgoritmi. OMEGA-ohjelmisto tarjoaa tehokkaan ja helpon kuvanmuodostuksen PET-kuvantamisessa, mahdollistaen lisäksi nykyistä paremman algoritmien vertailun ja kehityksen.

FM Ville-Veikko Wettenhovin sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Image reconstruction in functional MRI and PET tarkastetaan luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa 23.6.2021 klo 12 Kuopion kampuksella ja verkossa. Vastaväittäjänä toimii apulaisprofessori Simo Särkkä, Aalto-yliopisto, ja kustoksena professori Marko Vauhkonen, Itä-Suomen yliopisto. Tilaisuuden kieli on suomi.

Lisätietoja: Ville-Veikko Wettenhovi, p. 050 400 2451, ville-veikko.wettenhovi (a) uef.fi

Väittelijän painolaatuinen kuva

Tilaisuus verkossa

Väitöskirja verkossa

OMEGA-ohjelmisto