Browsing by discipline "Fysik"

Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) is a novel Magnetic Resonance Imaging (MRI) technique that utilises exchange reactions between metabolites and tissue water to map metabolite concentration or tissue pH noninvasively. Similarly to Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS), CEST is able to detect many endogenous metabolites, but unlike MRS, CEST is based on imaging and thus enjoys the speed of modern MR imaging. On the other hand, CEST also suffers from the same difficulties as MRI and MRS. One of the most common source of image artifacts in MRI is subject motion during imaging. Many different motion correction methods have been devised. Recently, a novel real-time motion correction system was developed for MRS. This method is based on volumetric navigators (vNav) that are performed multiple times interleaved with the parent measurement. Navigator image comparison, affine matrix calculation, and acquisition gradient correction to correct the field of view to match subject head motion are done online and in real-time. The purpose of this thesis is to implement this real-time motion correction method to CEST-MRI and study its efficacy and correction potential in phantoms and in healthy volunteers on 7T MR scanner. Additionally, it is hypothesised that the vNav images may be used to correct for motion related receiver sensitivity (B1-) inhomogeneities. Glutamate was chosen as the metabolite of interest due to it being the most abundant neurotransmitter in the human brain and due to its involvement in both normal cognitive function as well as many brain pathologies. Since glutamate has an amine group, it undergoes chemical exchange with water and is thus a usable metabolite for CEST imaging. A glutamate phantom was constructed to show the glutamate concentration sensitivity of CEST and to test and optimise the CEST sequence. Seven healthy volunteers were imaged over a period of two months. All but one volunteer were imaged more than once (2-4 times). Subjects were measured without voluntary head motion and with controlled left-right and up-down head movements. All measurements were performed with and without motion correction to test the motion and B1- -correction methods. Additionally, three volunteers were measured with a dynamic CEST experiment to assess the reproducibility of CEST. The real-time motion correction method was found to be able to correct for small, involuntary head movements. 18 % of the CEST maps measured without motion correction were found to have motion artifacts whereas the equivalent number for maps with motion correction was 0 % (4/22 maps versus 0/18 maps). Larger (>0.7◦ or >0.7 mm in one coregistration step), voluntary head movements could not be corrected adequately. The vNav images could be used to correct for B1- -inhomogeneities. This was found to improve CEST spectra quality and to remove lateral inhomogeneities from the CEST maps. The reproducibility of the CEST-MRI could not be established, however dynamic CEST measurements were found to be stable with only small contrast fluctuation of 4 % between consecutive maps due to noise.

Analytical X-ray appliances are widely used for materials characterization. The use of X-rays without proper protection can lead to harmful effects. In order to minimize these harmful effects, it is essential to have a proper estimation of the dose rates around the equipment. Moreover, it is important to follow the safety regulations in order to avoid accidental exposure. This thesis outlines the potential hazards in the use of X-ray analytical instrumentation at the Division of Materials Physics, University of Helsinki. The theoretical part of the thesis introduces to the generally approved fundamental principles of radiation protection and the regulations based on these principles. Also, the production and properties of X-rays, radiation dosimetry and the biological effects of X-rays are discussed. The experimental part evaluates the actual radiation protection in the X-ray laboratories. Two open X-ray appliances, a powder diffractometer and a Laue setup, were selected for a closer study. A copper anode X-ray tube was used and the tube current was set to 20 mA and the voltage to 45 kV, which are the typical experimental values. The dose rates around the equipment were mapped by an ionization chamber. Based of these measurements, the maximum expected dose rate around the powder diffractometer was estimated to be of the order of 1 µSv/h at the user position. In the case of Laue system, the dose rate around equipment was estimated to be 10-100 times the dose rate around the powder diffractometer. Additionally, for powder diffractometer the theoretical characteristic X-ray flux from the tube was calculated. The characteristic X-ray flux after the monochromator at sample position was measured using a scintillator detector and a copper filter. The dose rate calculated from the flux was as high as 10 mSv/s. In typical powder diffraction experiments the expected dose rates are lower than these estimated maximum values. In general, the equipment were found to be safe to work with, provided that the users follow the department regulations and safety guidelines.

Atmospheric secondary organic aerosol formation is not completely understood, aerosol processes and chemistry are complex as well as their interactions and evolution throughout the atmosphere. In this study the potential aerosol mass chamber was used to simulate these processes. Potential aerosol mass being the maximum mass that can be produced from precursor gases being oxidised. UV lamps situated inside the chamber produce oxidants (O3, OH, HO2) at the same ratio as the atmosphere and the lamp intensity can be changed to simulate different days of photochemical aging. Laboratory characterisation measurements were undertaken by adjusting various experimental parameters (level of oxidants, relative humidity, temperature, type of precursor and its concentration). The aim of these measurements is to understand how the PAM chamber simulates atmospheric aerosol aging and photochemical processes. The PAM chamber was observed to simulate atmospheric SOA formation well. As the amount of oxidants was increased the amount of formed SOA increased initially. After a certain point, it was observed that fragmentation started to decrease the mass even though the oxidation level of SOA increased further.

Puulajit, siemenkasvien (Spermatophytae) sukuun kuuluvina, jaotellaan tyypillisesti havu- ja lehtipuihin, joka noudattaa karkeasti jakoa paljassiemenisiin (Gymnosperms) ja koppisiemenisiin (Angiosperms) kasveihin. Havu- ja lehtipuulajit eroavat toisistaan suuresti puusolukon rakenteellisten seikkojen ja sen sisältämien kemiallisten yhdisteiden suhteen. Maailmanlaajuisesti noin 10 000 puulajia on Kansainvälisen suojeluliiton IUCN:n Punaisen listan mukaan vaarantuneita, uhanalaisia tai erittäin uhanalaisia. Iso osa näistä puulajeista on trooppisella ja subtrooppisella ilmastovyöhykkeellä kasvavia lehtipuita, joiden määrä on vähentynyt suuren kysynnän ja laittomien hakkuiden seurauksena. Vaarantuneiden ja uhanalaisten puulajien suojelemiseksi ja luonnon monimuotoisuuden säilyttämiseksi on erittäin tärkeää löytää elinvoimaisia, ominaisuuksiltaan samankaltaisia puulajeja, jotka voisivat mahdollisesti tulevaisuudessa korvata liiaksi käytetyt puulajit. Selluloosa on maapallolla kaikkein yleisimmin esiintyvä polymeeri, joka muodostaa tukirakenteen kaikissa Plantae-suvun eliöissä. Puiden kuivamassasta noin 50 % koostuu selluloosasta ja loppuosan muodostavat hemiselluloosat (25 %), ligniini (20 %) ja uuteaineet (alle 5%), puulajista riippuen. Suurin osa puuaineksen sisältämästä selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä on sitoutuneena solujen soluseinien rakenteisiin. Puusolukossa selluloosaketjut kerääntyvät osittain kiteisiksi kimpuiksi, mikrofibrilleiksi, jotka ovat kiertyneenä puun solukon soluseinien ympärille muodostaen kulman solun pituussuuntaisen akselin kanssa. Tämä kulma tunnetaan mikrofibrillikulmana (Microfibril Angle, MFA). MFA:n on aiempien tutkimusten perusteella osoitettu olevan tärkeä tekijä mikrofibrillien kiteisyyden ohella puun mekaanisten ominaisuuksien selittäjänä. Mikrofibrillien orientaatiota ja kiteisyyttä havupuiden solukossa on tutkittu paljon, mutta lehtipuille ja erityisesti trooppisille lehtipuille vastaavaa kansainvälistä tutkimusta ei ole juurikaan tehty. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin lauhkean ja trooppisen ilmastovyöhykkeen havu- ja lehtipuiden soluseinän selluloosamikrofibrillien ominaisuuksia laajakulmaröntgensironnan avulla. Osa tutkituista, trooppisista puulajeista on vaarantuneita ja uhanalaisia. Puista tutkittuja parametreja olivat selluloosamikrofibrillien keskimääräinen mikrofibrillikulma, kiteisyysaste ja kidekoko yhteensä kahdeksassatoista eri havu- ja lehtipuulajissa. Lisäksi sirontakuvioiden sisältämistä ylimääräisistä heijastuksista arvioitiin trooppisten lehtipuiden sisältämien epäorgaanisten, kiteisten uuteaineiden tyyppiä. Lauhkean vyöhykkeen havu- ja lehtipuulajeille mikrofibrillikulman ja kiteisyyden keskiarvoiksi saatiin 12,8 ± 3,7 ° ja 24,8 ± 2,6 %, ja 14,7 ± 5,1 ° ja 30,1 ± 2,8 %. Trooppisen vyöhykkeen lehtipuille keskimääräisen mikrofibrillikulman arvoksi mitattiin 12,7 ± 4,7 ° ja kiteisyydeksi 27,7 ± 4,1 %. Kidekoko oli kaikille puulajeille lähes identtinen ja suuruudeltaan noin 29,7 ± 1,5 Å. Tilastollisesti merkittäviä eroja lauhkean ja trooppisen vyöhykkeen puulajien välillä havaittiin kiteisyydessä, mutta ei mikrofibrillikulman tai kidekokojen osalta. Trooppisten lehtipuiden sisältämät, todennäköisimmät epäorgaaniset uuteaineet sirontakuvien perusteella olivat kiteinen kalsiumoksalaatti CaC2O4 ja kalsiumkarbonaatti CaCO3.

This thesis integrates real-time feedback control into an optical tweezers instrument. The goal is to reduce the variance in the trapped bead s position, -effectively increasing the trap stiffness of the optical tweezers. Trap steering is done with acousto-optic deflectors and control algorithms are implemented with a field-programmable gate array card. When position clamp feedback control is on, the effective trap stiffness increases 12.1-times compared to the stiffness without control. This allows improved spatial control over trapped particles without increasing the trapping laser power.

To see the structure of a material different techniques have been used over the years and X-ray diffraction, a nondestructive method, is one of them. For investigating biological sample, X-ray diffraction (which is based on scattering of X-rays) is gaining popularity because of its higher penetration depth compared to other methods. For its ability to detect in the order of the atomistic scale, wide angle X-ray scattering (WAXS) is used in the study. Two reducing sugars, cellobiose, and melibiose, were chosen for this study to investigate the effect of change of parameters (temperature, stored humidity) on their amorphous to crystalline transition. The powder cellobiose and melibiose samples were freeze-dried, re-humidified and crystallinity were measured by WAXS method. For crystallization of sugar, glass transition temperature (Tg) is the most important parameter as it is the threshold temperature for crystallization. Water content and stored temperature have an inverse relation for amorphous to crystalline transition. Based on this X-ray diffraction study, it was found that water component, storage time and temperature have an important effect on the crystallization of cellobiose and melibiose. Amorphous cellobiose needs sufficient temperature or water content to start crystallizing, whereas, the storage time is more vital than water component and temperature for crystallization of melibiose. Amorphous cellobiose became completely crystal when the stored humidity was more than 44% or the temperature was 86°C or higher but, amorphous melibiose did not crystallize, even when the temperature was 120°C. Melibiose had shown a slow but gradual transition from amorphous to crystal state whereas crystallization of cellobiose was an all-in all out way with fast crystallization rate. Though X-ray scattering is an indirect method, it is robust, powerful, and rapid and in general, obtained results are unambiguous

Tutkielman tarkoituksena oli tarkastella erilaisten digitaalisten suodattimien vaikutuksia aivojen keskilatenttisiin auditiivisiin tapahtumapotentiaaleihin ja löytää optimaaliset digitaaliset suodattimet P50-vasteen analyysiin. Tapahtumapotentiaalilla (Event-Related Potential, ERP) tarkoitetaan ulkoisen ärsykkeen valikoivan tarkkailun tai muun kognitiivisen prosessin aiheuttamaa hetkellistä muutosta aivojen sähköisessä toiminnassa. Tapahtumapotentiaalien mittaus perustuu elektroenkefalografiaan (Electroencephalography, EEG) eli aivohermosolujoukkojen synkronisten kalvojännitemuutosten mittaukseen. EEG mitataan pään pinnalle asetettujen elektrodien välisinä potentiaalieroina. Tapahtumapotentiaalit selittävät hermoradastojen toimintaa ja tarjoavat objektiivisen, ei-invasiivisen ja kustannustehokkaan menetelmän kognitiivisten toimintojen tutkimiseen. Auditiivisilla tapahtumapotentiaaleilla voidaan havaita puutoksia valikoivassa tarkkaavaisuudessa ja aivojen sensory gating -mekanismissa. Sensory gating -mekanismilla tarkoitetaan aivojen kykyä suodattaa toistuvia irrelevantteja aistiärsykkeitä ja sen uskotaan olevan yhteydessä aivojen kolinergiseen järjestelmään. Kolinergisen järjestelmän vaurioituminen on Alzheimerin taudin keskeinen ominaisuus jo taudin varhaisessa vaiheessa, ja siten auditiiviset tapahtumapotentiaalit voivat tarjota työkalun Alzheimerin taudin varhaisdiagnostiikkaan. Tapahtumapotentiaali on sekoittuneena aivojen spontaaniin toimintaan ja muuhun kohinaan. Tapahtumapotentiaalien signaali-kohinasuhteen parantamiseen käytetään digitaalista suodattamista. Termillä digitaalinen suodatin viitataan laajaan joukkoon tekniikoita, joissa yksinkertaisilla matemaattisilla operaatioilla vaimennetaan tai vahvistetaan haluttuja taajuuksia signaalien diskreettiaikaisissa esityksissä. Digitaaliset suodattimet voidaan jakaa kahteen luokkaan suodattimen impulssivasteen mukaan: äärellisen impulssivasteen FIR (Finite Impulse Response) -suodattimiin ja äärettömän impulssivasteen IIR (Infinite Impulse Response) -suodattimiin. Tapahtumapotentiaalien digitaalisella suodattamisella pyritään vaimentamaan taajuuksia, jotka pääosin sisältävät ei-aivoperäistä kohinaa tai koeasetelman kannalta epäolennaista informaatiota. Suodattaminen voi kuitenkin merkittävästi vääristää ERP-aallon aikaesitystä ja siten johtaa vääriin tulkintoihin; suodattimet voivat esimerkiksi muuttaa ERP-vasteen alkuajankohtaa, kestoa ja amplitudia sekä tuottaa teennäisiä oskillaatioita. Varhaiset ERP-vasteet, kuten P50-vaste, ovat erityisen herkkiä käytetyille suodatinasetuksille. Valitsemalla käytetyn suodattimen tyyppi ja parametrit huolellisesti tarkasteltavien komponenttien ja koeasetelman mukaan voidaan suodatinartefaktit minimoida ja havaita pieniä signaaleja, jotka ilman suodattamista jäisivät kohinan peittoon. Keskilatenttinen P50-vaste muodostuu pääasiassa aivojen nopeasta 40 Hz:n gamma-aktiivisuudesta ja vaatii siten eri suodatinasetukset kuin pitkälatenttisten vasteiden analyysi. P50-vasteeseen kohdistetusta laajasta mielenkiinnosta huolimatta ei kirjallisuudesta löydy yhdenmukaisia ja perusteltuja suosituksia sopivien suodattimien valintaan. Tutkielmassa tarkasteltiin kokeellisesti, millaisia vääristymiä erilaiset suodattimet ja suodattimien rajataajuudet aiheuttavat Alzheimerin tautia sairastavilta mitattuihin auditiivisiin keskilatenttisiin tapahtumapotentiaaleihin. Suodatintarkasteluun valittiin ikkunointimenetelmällä toteutettu FIR-suodatin, pienimmän neliövirheen FIR-suodatin ja äärettömän impulssivasteen Butterworth-suodatin, joista ikkunointimenetelmällä toteutetun FIR-suodattimen ja Butterworth-suodattimen todettiin aiheuttavan vähiten vääristymiä P50-vasteeseen. Tulosten perusteella optimaaliseksi ylipäästösuodatuksen rajataajuudeksi P50-vasteen analyysiin voidaan suositella 0,1–0,5 Hz:ä ja alipäästösuodatuksen rajataajuudeksi 80–90 Hz:ä.

Sydänlihas liikkuu lyödessään kolmiulotteisesti, vuoroin supistuen ja rentoutuen. Vasen kammio on sydämen kammioista vahvin ja sen seinämä paljon oikeaa kammiota paksumpi. Sydämen tomografisen ja kolmiulotteisen liikkeen mallintamiseksi on kehitetty useita menetelmiä, joista sydämen seinämässä sijaitsevien yksittäisten pisteiden seuraamiseen vain magneettikuvaus on riittävän tarkka. Tagging on magneettikuvausmenetelmä, jonka avulla voidaan luoda magneettikuviin näkyviä viiva- tai ristikkokuvioita. Kuvion luonnissa käytetään hyväksi vety-ydinten magneettisia ominaisuuksia samoin kuin itse magneettikuvan luonnissakin. Tästä johtuen kuvio liikkuu sydänlihaksen liikkeen mukana ja tätä liikettä voidaan magneettikuvasarjoista seurata sekä visuaalisesti että erilaisilla analysointityökaluilla. Tämän työn tarkoituksena on esitellä tagging-magneettikuvauksen perusteita ja perehtyä tagging-kuvion kvantitatiiviseen analyysiin käyttämällä Harmonic Phase Flow (HPF) -analysointiohjelmaa. Työssä käsitellään tagging-magneettikuvauksen perusteita sekä esitellään matematiikkaa, johon HPF-algoritmi pohjautuu. Algoritmia käytetään yhdeksän terveen verrokin, kahdeksan nivelreumapotilaan ja kahdeksan fibromyalgiapotilaan tagging-analysiin. Analyysiohjelman avulla on kvantifioitu näiden henkilöiden sydämen vasemman kammion apikaalinen ja basaalinen kiertymä sekä näiden tasojen välinen vääntö. Tulokseksi saatiin (asteina) systolen lopussa eri ryhmien apikaaliseksi kiertymäksi, basaaliseksi kiertymäksi ja väännöksi: Terveet verrokit 4◦ ± 2◦, -1,8◦ ± 0,7◦ ja 6◦ ± 2◦; Nivelreumapotilaat 3,9◦ ± 1,3◦, -2,2◦ ± 1,5◦ ja 6◦ ± 2◦; Fibromyalgiapotilaat 5,1◦ ± 1,5◦, -1,8◦ ± 0,9◦ ja 6,9◦ ± 1,4◦. Tulosten perusteella systolen lopussa eri ryhmien välillä ei ole suuria eroja niin vasemman kammion kiertymässä kuin väännössäkään. Systolen alkuvaiheessa nivelreumapotilaiden basaalinen kiertymä on keskimäärin alhaisempi kuin muilla ryhmillä, minkä vuoksi myös vääntö systolen alkuvaiheessa on voimakkaampaa. Tässä työssä käytetty otos on kuitenkin pieni ja kattavien johtopäätösten tekemiseksi on analyysi tehtävä suuremmalle joukolle.

Copper has been used for thousands of years in various fields as a pure metal or in many copper alloys. Copper also plays a crucial role in modern society with its high electric and thermal conductivity. To be able to also use this versatile material in the nanoindustry, its properties must be investigated. It has been found that nanomaterials have different properties compared with the macroscopic materials. One of the most important properties is the thermal stability of nanowires. The thermal stability of copper nanowires has to be known to be able to use copper wires in nanosized electronics without problems. Due to complications with experiments on the nanowires, this study uses atomistic computer simulations to investigate the thermal stability of copper nanowires. In the first study, the dependence between the wire diameter and the melting point was investigated. Also different shapes of the wires were studied. Three different wire shapes and diameters between 1.5 nm and 20 nm were investigated with a simulation method called molecular dynamics. This simulation technique uses classical Newtonian mechanics to simulate how the material behaves. The results were compared with a semi-empirical model called the liquid-drop-model, and the results are in a good agreement with this model. In the investigation of wires with the diameter 1 nm, a reconstruction was found. This reconstruction could spontaneously appear due to thermal vibrations in the wire. This phenomenon was investigated both by observing the spontaneous growth and by stretching the wire. A spontaneous reconstruction could be seen over a wide temperature range and a reconstruction due to stretching could be seen at almost all temperatures, even over the predicted melting point. The stability of the reconstruction was also investigated with a quantum mechanical simulation technique called density functional theory. These results predict that the reconstruction is stable or metastable.