Hyppää pääsisältöön

Koronavirustilanne Itä-Suomen yliopistossa

Polvinivelen mallinnuskuva tietokoneen näytöllä

Yksinkertaiset laskennalliset tietokonemallit auttavat ennustamaan vamman jälkeistä nivelrikkoa

Polvinivelen vauriot, kuten eturistisiteen repeämä, ovat yleisiä urheilijoilla. Terveessä nivelessä nivelsiteet tukevat polven vakautta ja toimintaa. Tämä tehtävä kuitenkin vaikeutuu eturistisiteen repeytyessä, jolloin nivelside korjataan kirurgisesti. Kuitenkin monessa tapauksessa eturistisiteen vaurion ja korjausleikkauksen on havaittu johtavan posttraumaattisen nivelrikon etenemiseen. Nivelrikko on yleisin tuki- ja liikuntaelimistön nivelsairauksista, jossa pääasiassa rusto ja ruston alainen luu rappeutuvat aiheuttaen samalla sietämätöntä nivelkipua. Nivelrikko vaikuttaa yli 250 miljoonan ihmisen elämään ja se aiheuttaa valtavan taloudellisen rasitteen sekä potilaalle että yhteiskunnalle.

Paras ja kustannustehokkain hoitokeino nivelrikkoon on taudin synnyn ja etenemisen ehkäisy. Se on kuitenkin mahdollista vain, jos nivelrikon eteneminen voidaan ennustaa. Laskennallista tietokonemallinnusta hyödyntäen voidaan ennustaa nivelrikon etenemiselle alttiita alueita nivelpinnoilla. Potilaskohtaisia malleja varten tarvitaan kolme tietoa: nivelen geometria, potilaan liike sekä kudosten materiaaliominaisuudet. Näistä polvinivelen geometria saadaan kliinisestä magneettikuvantamisesta ja potilaan liike voidaan mitata hyödyntäen iholle asetettavia heijastavia merkkilappuja, kun taas pehmytkudosten rappeutumisominaisuuksia ei tiedetä tarkasti. Täten suurin mallien laajaa käyttöä rajoittava tekijä on mallien ennustamien tulosten kriittinen varmistaminen eli verifikaatio.

FM Paul Bolcosin väitöskirjassa kehitettiin nopea ja luotettava menetelmä potilaskohtaisen liikkeen siirtämiseksi tietokonemalleihin. Tätä menetelmää käyttäen tunnistettiin eturistisiteen korjausleikkauksen läpikäyneet potilaat, joilla on kohonnut riski polvinivelen nivelrikon kehittymiseen. Tutkimuksessa huomioitiin useita eri rappeutumismekanismeja, kuten liiallinen ruston venyminen ja muovautuminen sekä ylikuormitus. Laskennallisen mallin luotettavuuden varmistamiseksi mallin ennusteita verrattiin ruston rakenteellisiin ja koostumuksellisiin muutoksiin, jotka havaittiin edistyneillä magneettikuvantamistekniikoilla.

Väitöskirjassa havaittiin, että yksinkertaistetut ja nopeammat mallit tuottavat samankaltaisia ennusteita kuin monimutkaisemmat ja laskennallisesti raskaammat mallit. Lisäksi yksinkertaistettujen mallien ennustamat alueet, joissa nivelrikon synty ja eteneminen tapahtuvat vastasivat kliinisen seurantadatan tuloksia. Täten väitöskirjassa kehitettyä laskennallista menetelmää voitaisiin hyödyntää tunnistettaessa nivelrikon riskipotilaita kliinisessä ympäristössä. Lisäksi malli voi auttaa optimaalisten ja potilaskohtaisten kuntouttamisohjelmien suunnittelussa, sekä ehkäistä tai viivästyttää nivelrikon etenemistä.

Tutkimus on saanut rahoitusta Itä-Suomen yliopiston Luonnontieteen, teknologian ja laskennan tohtoriohjelmalta (SCITECO), Suomen Akatemialta, Sigrid Juséliuksen säätiöltä ja Orionin tutkimussäätiöltä.

Filosofian maisteri Paul Octavian Bolcosin väitöskirja Finite element modeling of anterior cruciate ligament reconstructed knee joints: toward clinical use via fast motion implementation and verification against MRI follow-up (Eturistisideleikkauksen läpikäyneiden potilaiden polvinivelten mallintaminen elementtimenetelmällä: kohti kliinistä käyttöä hyödyntäen nopeaa liikkeen siirtämistä tietokonemalleihin ja verifikaatio magneettikuvausseurantadatalla) tarkastetaan Itä-Suomen yliopiston luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa 19.2.2021 klo 15.  Vastaväittäjänä toimii professori Amy Lerner Rochesterin yliopistosta Yhdysvalloista, ja kustoksena professori Rami K. Korhonen Itä-Suomen yliopistosta. Väitöstilaisuus pidetään englanniksi ja sitä voi seurata verkossa. 

Väittelijän painolaatuinen kuva

Tilaisuus verkossa

Väitöskirja verkossa

Taulukot. Kuva Paul Bolcos.