Elävän kudoksen mallintaminen lääketieteellisessä kuvantamisessa (MaDaMe)

Professori Erkki Somersalo
Teknillinen korkeakoulu

Lääketieteellisessä kuvantamisessa tavoitteena on saada anatomista ja toiminnallista informaatiota ihmisen kehosta ilman, että kohteelle aiheutetaan vahinkoa. Samoin uusien hoitomenetelmien kehittämisessä pyritään siihen, että terveitä kudoksia ei vahingoitettaisi hoidon aikana. Nämä pyrkimykset ovat johtaneet kuvantamis- ja hoitomenetelmiin, jotka perustuvat mm. sähkömagneettisten kenttien, akustisten aaltojen tai lähi-infrapunavalon käyttöön. Kaikille näille on ominaista se, että ne vuorovaikuttavat ihmisen kehon kudosten kanssa. Tämän vuorovaikutuksen kuvailu fysikaalisesti ja matemaattisesti on usein hankalaa kudosten monimutkaisen luonteen johdosta.

Ihmiskeho koostuu ominaisuuksistaan hyvin erilaisista materiaaleista, ja usein näissä materiaaleissa esiintyy voimakasta suuntariippuvuutta. Esimerkkeinä voidaan mainita sydän ja lihaskudos sekä valkea aivokudos, joissa kaikissa havaitaan vahvaa säikeisyyttä, mikä puolestaan aiheuttaa täysin erilaista käytöstä säikeiden suunnassa kuin säikeitä vastaan kohtisuorassa suunnassa. Tällaista suuntariippuvuutta kutsutaan epäisotropiaksi.

Epäisotrooppiset materiaalit ovat monissa sovelluksissa esiintyvissä laskennallissa tehtävissä ongelmallisia jopa aivan periaatteellisella tasolla: Ilman lisäinformaatiota esimerkiksi säikeiden suunnista saatetaan päätyä virheelliseen mittaustuloksen tulkintaan.
Nykytekniikalla näistä ihmiskehon epäisotropioista voidaan kuitenkin saada osittaista informaatiota, jota puolestaan voidaan käyttää laskentamalleissa parantamaan kuvantamismentelmien tarkkuutta ja vähentämään hoidon aiheuttamia riskejä potilaille. Luotetava kudosmallinnus vaatii siten kehittynyttä matemaattista ja laskennalista koneistoa sekä uusinta mittausteknologiaa, jonka avulla malleihin sisältyvät periaatteelliset ongelmat voidaan osittain tai kokonaan poistaa.

Tutkimuskonsortiossa sovellusten pääpaino on sydämen ja aivojen toiminnan ja rakenteen selvittämiseen liittyvissä mittaustekniikoissa sekä ns. verettömään kirurgiaan tähtäävässä tekniikassa.