Volumetric Image Segmentation for Planning of Therapies: Application to dental implants and muscle tumors

Kuvien segmentointi, mikä tarkoittaa kuvien sisällön jaottelua yhtenäisiin ja merkityksellisiin alueisiin, on välttämätön edellytys kuvien sisällön järjestelmälliselle analyysille. Lääketieteessä segmentointia käytetään diagnosoinnissa ja kuten tässä työssä, hoitojen suunnitellussa ja niiden tulosten arvioinnissa. Tämä väitöstyö esittelee kolme tarkkaa, luotettavaa ja nopeaa segmentointimenetelmää, joista kaksi ensimmäistä kehitettiin hammasimplanttien suunnittelua ja kolmas kohdun lihaskasvainten ultraääniterapian aikaisten ja jälkeisten tulosten analyysiä varten. Sekä kasvojen luurakenteet, että lihaskasvaimet voivat saada yksilöllisiä ja vaikeasti ennustettavia muotoja. Myös käytetyt kolmiulotteiset kuvantamismenetelmät kärsivät erilaisista häiriöistä ja muista laatuheikkenemistä, jotka voivat johtua esimerkiksi kuvaamiseen käytettävän ajan ja mahdollisen säteilyaltistuksen asettamista rajoitteista. Kliiniseen käyttöön soveltuvan segmentointimenetelmän tulisi toimia luotettavasti ja suorittaa tehtävä nopeasti jotta odotusajat hoidon suunnittelussa minimoituisivat tai lähes reaaliaikaisesti hoitosuunnitelmaa hoidon aikana päivitettäessä. Näitä tarpeita varten kehitettiin ensin alaleuan segmentointimenetelmä kapean kulman tomografiakuvia varten. Menetelmä käyttää ennalta koostettua pintamallia, mikä sovitetaan leukaluun ympärille. Työn aikana menetelmän käyttötarkoitusta laajennettiin kasvojen muidenkin luiden segmentointiin kartiokeilatomografiakuvista. Tämä käyttötarkoitus edellytti uudenlaisen, datalähtöisen menetelmän kehittämistä kasvojen luuston yhtenäisten osapintojen tunnistamiseen ja niiden yhdistämiseen kuvien häiriöitä ja kohteiden epäjatkuvuuksia sietäen. Tämän algoritmin pääperiaatteet olivat sovellettavissa myös myöhemmin tehtäväksi asetettuun magneettikuvattujen lihaskasvainten segmentointiongelmaan. Kehitettyjen menetelmien luotettavuus testattiin erillisillä opetus- ja validointijoukoilla ja niiden tarkkuus todettiin vastaavan samankaltaisia julkaistuja menetelmiä. Menetelmät suunniteltiin täyttämään tiukat suoritusaikavaatimukset ja suoritusajoissa onnistuttiin pääsemään jopa alle minuuttiin per kolmiulotteinen kuva.Image segmentation, partitioning an image to consistent, meaningful segments, is a requirement for systematic analysis of its contents. Segmentation is used in medical diagnostics and as presented in this work, in treatment planning and therapy assessment. This work presents three robust and fast methods for two applications. The first two methods were designed facial bones to speed up dental implant planning workflows and the third for muscle tumors (uterine fibroids) to automate the mid- and post-treatment analysis of the results of ultrasound therapy. Both facial bone structures and muscle tumors can take individual, even unpredictable shapes. The used volumetric (three-dimensional) imaging modalities may suffer from distortions and other types of losses of quality because of the constraints set by feasible exposure or available scanning time. A valid, clinical-grade segmentation method should solve the problem fast to minimize wait times in the therapy planning workflow or almost real time when used to update the plan during the therapy. To meet these needs we first developed a method that is capable segmenting mandibles from Narrow-Beam Volumetric Tomography images. It works by deforming a pre-constructed surface model around the mandibular bone. Our requirements were later upgraded to include all visible facial bones in Cone-Beam Computed Tomography images. For this revised goal we developed a novel datadriven method that reconstructs facial bone surfaces from continuous patches and bridges over holes due to missing teeth or image distortions. When our target shifted from the mandibular bone to the muscle tumor segmentation from Magnetic Resonance images, we were able to carry over the core properties of the algorithm to the new problem successfully. We verified the robustness of both facial bone and tumor segmentation with independent training and validation sets and found their accuracy to match other published work. The requirement for a very tight computing budget was reached with as fast as under a minute processing time per image volume

Identifying Temporary and Permanent Work Disabil ty Risk with Two Questionnaires in Occupational Health Services

Työikäisten työkyvyttömyyden ehkäisy on inhimillisesti ja yhteiskunnallisesti tärkeää toimintaa. Työterveyshuollossa käytetään usein erilaisia seulovia kyselyjä osana suunnattuja terveystarkastuksia työkykyriskissä olevien työntekijöiden tunnistamiseen. Aiemmissa tutkimuksissa pienemmillä otannoilla ja valikoituneilla työntekijäryhmillä on todettu, että terveysperusteinen terveysriskien arviointilomake (HRA, Terveyskysely) ja psykososiaalista kuormitusta mittaava kyselylomake (SCC, Voimavarakysely) tunnistavat työkykyriskissä olevat työntekijät. Väitöskirjatutkimuksessa tutkittiin ennustavatko Terveyskysely eri toimialojen työntekijöiden ja Voimavarakysely tietointensiivisten toimialojen työntekijöiden työkyvyttömyyttä. Työkyvyttömyys operationalisoitiin ohimeneväksi työkyvyttömyydeksi eli sairauspoissaoloksi sekä pysyväksi työkyvyttömyydeksi eli työkyvyttömyysetuudeksi. Pysyvä työkyvyttömyys kattaa kuntoutustuet ja työkyvyttömyyseläkkeet. Määritelmä huomioi työkyvyttömyyden pituuden, ohimenevä työkyvyttömyys kestää alle vuoden, kun taas pysyvä työkyvyttömyys on yli vuoden kestävä, jolloin etuuden maksaminen siirtyy työeläkevakuutusyhtiölle. Tässä tutkimuksessa käytettiin Terveyskyselyä ja Voimavarakyselyä, jotka aiemmissa pienemmän otoskoon tutkimuksissa pystyivät tunnistamaan työntekijät, joilla oli ohimenevän työkyvyttömyyden riski. Terveyskysely tunnistaa ”korkean riskin” ryhmän itse ilmoitettujen terveysongelmien perusteella ja Voimavarakysely itse ilmoitettujen kognitiivisten ongelmien perusteella. Väitöskirjassa arvioitiin suuremmassa otoskoossa luokittelun ennustearvio eri toimialojen työntekijöillä. Kyselylomakkeiden tieto kerättiin yhdeltä työterveyshuollon palveluja tuottavalta yritykseltä. Tutkimukseen osallistuvat olivat työikäisiä eri toimialojen työntekijöitä. Terveyskyselyn ja Voimavarakyselyn tulokset yhdistettiin sairauspoissaolojen ja työkyvyttömyysetuuksien rekisteripohjaiseen dataan. Sairauspoissaoloja tutkittiin Hurdle -mallilla, jossa huomioidaan myös ne henkilöt, joilla ei ole sairauspoissaoloja. Hurdle -mallissa tarkasteltiin erikseen osajoukkoa, joka sisälsi kaikki sairauspäivät sekä osajoukkoa, josta oli poistettu sairauspoissaolopäivien nollapäivät. Työkyvyttömyysetuuksien ilmaantuvuutta tutkittiin kumulatiivisen insidenssifunktion ja Fine-Gray -mallin avulla. Terveyskysely ja Voimavarakysely ennustavat tulevia sairauspoissaoloja sekä työkyvyttömyysetuuksia. Terveyskyselyn itsearvioidut terveysongelmat työkyvyttömyyskategoriassa ennustivat sairauspoissaoloja naisilla sekä miehillä riippumatta työntekijäluokasta eri toimialojen työntekijöillä. Voimavarakysely ennusti sairauspoissaoloja naisilla ja miehillä tietointensiivisillä toimialoilla. Terveyskyselyn ”työkykyriski” luokka sekä poikkeava Voimavarakysely ennustavat tulevia työkyvyttömyysetuuksia. Terveyskysely -kohortissa sairauspäivien keskiarvon vaihtelu oli välillä 2.7-4.0 riippuen sukupuolesta ja ammattiryhmästä. 95%:n luottamusvälin (LV) alaraja oli alimmillaan 2.0. Yleisimmät ensisijaiset syyt pysyvään työkyvyttömyyteen olivat tuki- ja liikuntaelimistön (36%) sekä mielenterveyden ja käyttäytymisen häiriöt (21%). Terveyskyselyn työkykyriskikategoria, ikä ja aiemmat sairauspoissaolot ennustivat myönnettyjä työkyvyttömyysetuuksia. Vaarasuhteet (Hazard Ratio, HR) olivat 10.9 tai yli ja 95%:n LV:n alaraja oli 3.3 tai suurempi niiden joukossa, joilla oli kaksi samanaikaista työkyvyttömyysriskiä. Voimavarakysely -kohortissa tietointensiivisillä toimialoilla poikkeavan löydöksen työntekijöillä sairauspäivien keskiarvo oli yli 2.8 riippuen sukupuolesta vertailuryhmään (ei-löydöksiä) verrattuna. 95%:n LV:n alaraja oli alimmillaan 2.2. Yleisimmät ensisijaiset syyt pysyvälle työkyvyttömyyseläkkeille olivat mielenterveys- (37%) ja tuki- ja liikuntaelinsairaudet (20%). Voimavarakysely ennusti työkyvyttömyysetuuksia molemmilla sukupuolilla. Vaarasuhde (HR) oli 2.9 alhaisimmillaan, 95%:n LV oli 1.4-6.0. Vuotuinen DB-esiintyvyys oli 0,15%: 0,18% naisilla ja 0,12% miehillä. Kuuluminen Terveyskyselyn ja Voimavarakyselyn työkykyriskiluokkaan ennusti sairauspoissaoloa 12 kuukauden seurannassa ja työkyvyttömyysetuutta kuuden ja kahdeksan vuoden seurannan aikana. Näiden löydösten perusteella kyselyjä voidaan toteuttaa löytämään ne työntekijät, jotka ovat riskissä menettää työkyvyn toimialasta riippumatta kuten Terveyskyselyn kohdalla tai tietointensiivisillä aloilla Voimavarakyselyn kohdalla. Tämän perusteella voidaan suunnata työterveyshuollon resursseja kohdennetusti niille, jotka tarvitsevat tukitoimia.Preventing work disability (WD), which presents as temporary (TWD) or permanent disability (PWD) is important for the individual and for society. Screening questionnaires are often used within the context of health surveillance to identify employees at WD risk at occupational health services (OHS) in Finland. Some of them, such as the Health Risk Appraisal (HRA) and the Subjective Cognitive Complaints (SCC) questionnaires, have indicated predictive value for identifying employees at an increased risk of TWD in smaller settings and selected occupational groups in earlier studies. The objective of this thesis was to study whether the HRA and SCC questionnaire predict TWD, defined as sickness absence (SA), and PWD, defined as disability benefit (DB) that includes rehabilitation subsidy and disability pension, among employees in different industries like the HRA cohort and among knowledge- intensive sedentary occupations like the SCC cohort. TWD lasts under one year, while PWD is defined as work disability that lasts over one year. In the present study, we used the HRA and the SCC questionnaires, which in the earlier studies with smaller study sample sizes were able to identify employees with temporary WD risks. The HRA identifies "high risk" subgroups based on self- reported health problems and SCC based on cognitive complaints. In the present study with a larger study population than in the previous studies, we evaluated the predictive value of these classifications among employees from different industries. We collected the data from screening questionnaires from one national occupational OHS provider’s register. The study participants were working-age employees from different industry sectors. We combined the results of the HRA and SCC with the registry data on SAs and DBs. We used a Hurdle model with a negative binomial response to analyze zero- inflated count data of SA. Cumulative incidence (CIF) function was used to illustrate the differences between the HRA risk groups and SCC categories in the accumulation of DBs, respectively. We used the Fine-Gray model to estimate the predictors for DB occurring over time. Self-reported health problems within the “WD risk” category in the HRA predicted future SA in both genders, regardless of occupational grading among over 22,000 employees from different industries. Subjective cognitive complaints predicted a higher total count of SA days among employees from knowledge-intense occupations. Belonging to the “WD risk” category in the HRA and the “abnormal SCC score” category predicted permanent WD in both genders in both the unadjusted and adjusted models. In the HRA cohort, the ratio of the means of SA days varied between 2.7 and 4.0, depending on gender and occupational group. The lower limit of the 95% confidence interval (CI) was 2.0 at the lowest. The most common primary reasons for permanent WD were musculoskeletal (39%) and mental disorders (21%). In addition to age and prior sick leave days, the “WD risk” category in the HRA predicted DB in the Fine-Gray Model. Hazard ratios (HR) were 10.9 or more, with the lower limit of the 95% confidence interval being 3.3 or more among those with two simultaneous WD risk factors. In the SCC cohort, the ratio of the means of SA days in the abnormal SCC category was higher than 2.8 as compared to the reference group (no findings) with the lower limit of the 95% confidence interval being 2.2. The most common primary reasons for permanent WD were mental (36%) and musculoskeletal (20%) disorders. SCC predicted DB in both genders when controlling for age and prior SA in the Fine-Gray Model. Hazard ratios were 2.9 at the lowest, with a 95% confidence interval of 1.4–6.0. The overall annual DB incidence was 0.15%: 0.18% among the females and 0.12% among the males. Belonging to the “WD risk” category as defined in the HRA or to the abnormal SCC score category predicted the number of accumulated SA days during the 12- month follow-up and DB during a follow-up of six and eight years, respectively, irrespective of the other predictors or confounding factors. These findings have implications for targeting preventive occupational health care actions toward those in need to prevent SA and DB. The HRA and the SCC questionnaire are potential tools for recognizing employees who are at an increased risk of WD regardless of the occupational group, as in the case of the HRA, and among knowledge-intensive workers as in the case of the SCC questionnaire

A Zebrafish Model for Developing Vaccines against Tuberculosis

Maailmanlaajuisesti tuberkuloosi on yksi merkittävimmistä kuolemansyistä aiheuttaen vuosittain 1.5 miljoonan ihmisen kuoleman. Maailman terveysjärjestön mukaan, tuberkuloosia aiheuttava patogeeni, Mycobacterium tuberculosis, tartuttaa joka vuosi 10 miljoonaa ihmistä. Sairaus voi olla etenevä tai latentti. Latentissa infektiossa elimistön immuunipuolustus pystyy rajaamaan infektion granuloomarakenteiden sisään. Arviolta 1.7 miljardilla ihmisellä on tälläinen oireeton, latentti tuberkuloosi, ja siten 5-10% elinikäinen riski aktiiviselle sairaudelle. 1920-luvulla kehitetty, ainoa saatavilla oleva tuberkuloosirokote, Bacillus Calmette-Guérin, suojaa ainostaan imeväisikäisiä tuberkuloosin vakavampia tautimuotoja vastaan. Nykyisin ei ole saatavilla rokotetta, mikä antaisi tehokkaan suojan aikuisille tai estäisi latentin infektion uudelleenaktivaation. Viimeaikoina rokotetutkimus on keskittynyt turvallisempiin menetelmiin, kuten alayksikkörokotteisiin, jotka eivät sisällä elävää patogeenia. Huolimatta tuberkuloositutkimuksen pitkästä historiasta, tuberkuloosin taudinaiheuttamismekanismeja sekä mykobakteerien ja immuunipuolustuksen välistä vuorovaikutusta ei edelleenkään täysin tunneta. Yksi tuberkuloositutkimuksen haasteista on ollut käyttökelpoisten mallieläinten puute. Tässä tutkimuksessa hyödynnettiin seeprakalamallia (Danio Rerio), jonka Mycobacterium marinum-infektio muistuttaa monilta piirteiltään ihmisen tuberkuloosia. Tiedetään, että laboratorio- olosuhteissa, korkea infektioannos aiheuttaa etenevän sairauden ja matala- annoksinen infektio puolestaan latentin infektion. Tässä tutkimuksessa osoitettiin, että heikentämällä kalan immuunipuolustusta deksametasonilla, latentin infektiot uudelleenaktivoituvat. Tämän väitöskirjatutkimuksen päätavoitteena oli löytää uusia rokoteantigeeneja tuberkuloosia vastaan. Tavoitteen saavuttamiseksi valitsimme lupaavia M. marinumin geenejä sekä kirjallisuuden että lähetti-RNA-sevensointituloksen perusteella. In vivo- tutkimuksessa testattiin DNA-rokoteantigeeneinä yhteensä 22 eri geeniä. Näistä seitsemän on erityisesti reaktivaatiossa ilmentyvää ja 15 kirjallisuuden perusteella valittua geeniä. 16 eri antigeenin teho testattiin primaari-infektiota vastaan. Testatuista antigeeneistä neljä (cdh, PE5, PE31 ja RpfE) antoivat suojan neljän viikon kuluttua infektiosta bakteerimääritykseen perustuvassa tutkimuksessa. Näistä yksi (RpfE) paransi myös kalojen selviytymistä 12 viikon infektionjälkeisessä serannassa. Lisäksi testattiin 15 eri antigeenin mahdollinen suojavaikutus latentin infetion uudelleen aktivaatiota vastaan deksametasoni-hoitoon perustuvan koemallin avulla. Tutkimuksessa löydettiin kolme antigeenia, RpfB, MMAR_4207 ja MMAR_4110, jotka estivät uudelleenaktivaatiota. Tässä väitöskirjatutkimukssa osoitetaan, että seeprakalan M. marinum- infektiomalli sekä deksametasoniin perustuva latentin infektion uudelleenaktivaatiomalli ovat käyttökelpoisia testattaessa uusien DNA-rokotteiden tehoa. Johtuen M. tuberculosiksen ja M. marinumin genomien samankaltaisuudesta, löydettyjen lupaavien antigeenien M. tuberculosis-homologit ovat mahdollisilta kohdegeenejä uusien tuberkuloosirokotteiden kehittämiselle.Tuberculosis (TB) is one of the most serious diseases worldwide, leading to the death of 1.5 million people annually. According to the World Health Organization, every year, 10 million people are infected by Mycobacterium tuberculosis, the causative agent of tuberculosis. Depending on the strength of the immune system, the infection develops into a granulomatous pulmonary disease, which can be progressive or is controlled by the immune system to maintain latency. An estimated 1.7 billion people have an asymptomatic latent TB, having a 5-10% risk of developing the active disease in their lifetime. The only licensed tuberculosis vaccine, the Bacillus Calmette Guérin, which was developed already in the 1920’s, protects only against severe forms of tuberculosis in infants. Currently, there is no vaccine available that effectively prevent tuberculosis in adults or the reactivation of a latent disease. The latest vaccine research focuses on safer immunization approaches, such as subunit vaccines, which do not contain live particles of the pathogen. Despite the long history of tuberculosis research, our understanding of the exact mechanisms of the diseases at the cellular level and the complex interactions between the bacilli and the immune system remain incomplete. One of the challenges in tuberculosis research has been a lack of appropriate animal models. A zebrafish (Danio rerio) model, based on an infection with Mycobacterium marinum leading to a disease, which resembles the main features of human tuberculosis, was utilized in this thesis. It is known that in an experimental set up, a high dose infection with M. marinum causes a progressive disease, whereas a low dose infection leads to the formation of a latent infection in adult zebrafish. In this study, it was shown that by suppressing the fish immune system with dexamethasone, the latent infection can be reactivated. The main goal of this thesis was to identify novel vaccine antigens to prevent tuberculosis. To this end, potential antigens were selected based on the literature and on a transcriptomic level analysis performed with in vitro reactivated M. marinum samples. In total, 22 different genes were tested as DNA vaccines. Seven of these were derived from reactivation-associated genes identified using the transcriptomic analysis and 15 genes were selected from the literature. 16 antigens were tested against the primary infection, and four (cdh, PE5, PE31 and RpfE) showed protection in a bacterial count analysis after 4 weeks of infection. Furthermore, the RpfE-derived antigen enhanced survival in a 12-weeks follow-up. Correspondingly, the preventive effects of 15 antigens against reactivation were tested with the dexamethasone-based reactivation method. With this model, three antigens, namely RpfB, MMAR_4207 and MMAR_4110, inhibited reactivation. This thesis showed that an adult zebrafish- M. marinum infection model, and the developed dexamethasone-induced reactivation model are feasible for testing the effectiveness of novel DNA vaccines. As the genomes of M. tuberculosis and M. marinum are highly similar, the M. tuberculosis homologues of the identified promising antigens are potential targets for developing novel vaccines and drugs against tuberculosis

Encoding and Streaming Solutions for Immersive Virtual Reality Video

Immersive virtual reality (VR) technology is becoming mainstream nowadays. This technology makes use of omnidirectional content in order to create immersion in the virtual environment. Omnidirectional content is captured in a way that it covers the entire 360◦ field-of-view (FOV) around the capturing device. Thus, it is able to create the three Degrees-of-Freedom (3-DoF) experience in VR. In order to create an immersive experience, VR technology is required to use stereoscopic omnidirectional video in high resolution, quality and frame rates. Such requirements introduce significant challenges in the encoding and streaming stages of this technology. The most common way of compressing omnidirectional video is by means of existing 2D image/video codecs such as High EfficiencyVideo Coding (HEVC/H.265) and Versatile Video Coding (VVC/H.266) standards. Therefore, this spherical content is projected over 2D image planes to be used in the 2D chain of the codec. However, the projection process introduces different sampling characteristics to the content compared to the spherical version. These characteristics can be represented as over-sampling of the content in different parts of the projected image. This oversampling results in content stretching, deformations and non-linear motion behaviors. On the other hand, existing codecs are not optimized for such behaviors in the content, consequently, the resulting compression performance is sub-optimal for the projected video. This thesis investigates and proposes new approaches for improving the motion estimation and compensation performances for non-linear motion of the projected omnidirectional videos in HEVC and VVC standards. The first contribution for this purpose is the motion vector scaling method, which attempts to provide uniform motion vector predictors for the coding block. The scaling factor is derived based on the geometry characteristics of the projection plane and the position of the blocks in that plane. In the second and third contributions, a novel method is proposed for adaptively and efficiently predicting the motion information of the block based on a learning process from the neighboring motion information in full block and sub-block levels. The performances of the proposed methods have been assessed over diverse video datasets which are commonly used in the standardization activities and by following the standard simulation protocols and were shown to provide high compression improvements while retaining codec’s complexity in a reasonable range. In recent years, tile-based viewport-adaptive streaming (VAS) methods have been considered for delivering omnidirectional content, where a portion of the content, i.e. viewport, is transmitted in the highest resolution and the remaining parts, i.e. non-viewport, are sent in lower resolutions. The reason being that VR content is mainly consumed via Head-Mounted Display (HMD) devices that have limited FOVs for example, 110◦×90◦. Since a user can see only a portion of the 360◦ video at each time instance, transmitting the whole VR video at the highest resolution requires a large bandwidth. Even though, tile-based VAS methods provide significantly better streaming performances compared to traditional streaming, but these methods use frequent Intra Random Access Points (IRAPs) for viewport switching. These IRAPs are intra-coded pictures in the bitstream, thus, they include higher bitrates compared to the inter-coded pictures. The frequent IRAPs in the bitstream make the VAS method sub-optimal for VR video streaming. For resolving the sub-optimal performance of VAS, this thesis develops novel solutions for enabling viewport switching operations without using frequent IRAP pictures in the bitstream. In the first contribution, a multi-layer SHVC-ROI scheme is proposed. The SHVC-ROI method utilizes the inter-layer prediction (ILP) functionality of the codec for coding the high-quality switching points as inter-coded pictures. The use of ILP requires the method to stream the whole 360◦ low-quality video, hence, no switching occurs for this content. Thus, longer IRAP intervals than conventional ones are used for low-quality content. This streaming configuration resolves the frequent IRAP need in both high- and low-quality content. In the second contribution, a single-layer Simulcast HEVC method is proposed for using infrequent IRAPs in low-quality content. This method follows the same logic as the low-quality coding scheme of the SHVC-ROI where longer IRAP periods are considered and the whole 360◦ low-quality content is sent to the user. In addition to the mentioned advantages, both of these contributions benefit from not using tiling in the low-quality content, thus, avoid the compression overhead of tiling schemes in encoding and streaming of such content. Finally, the Shared Coded Picture (SCP) technique is proposed for enabling the viewport switching without frequent IRAPs in both quality versions of the content while using the standard single-layer coding scheme. To this end, certain pictures (i.e. SCPs) in the video are coded in a way that they are identical in both quality versions of the content. Consequently, these identically-coded pictures are used for switching from one version of the bitstream to another. Furthermore, the SCPs are inter predicted from the previous SCP picture in the bitstream. Thus, they require significantly lower bitrates than the intracoded switching point pictures. The performances of the proposed methods have shown significant streaming bitrate reductions compared to the existing state-of-theart methods

Projektimestarit 2020 : Esseekokoelma 8

Projektimestarit 2020 -esseekokoelma on Tampereen yliopiston maisteritasoisen Projektiliiketoiminta-opintojakson tuotos. Projektimestarit-esseekokoelmia on toimitettu 2013 lähtien vuosittain Tampereen teknillisen yliopiston, ja yliopistoiden yhdistyttyä Tampereen yliopiston julkaisuna. Vuoden 2020 esseekokoelma sisältää kahdeksan ryhmätyönä kirjoitettua esseetä projektiliiketoimintaan liittyvistä eri näkökulmista. Porin yliopistokeskuksessa opetettavassa monitieteisessä opintojaksossa opiskelijat ovat Tampereen yliopiston ja Turun yliopiston kauppakorkeakoulun opiskelijoita. Monitieteinen opiskeluympäristö mahdollistaa myös projektiliiketoiminnan tarkastelemisen useista näkökulmista, koska opintojakson opiskelijoiden pääaineita ovat muun muassa tuotantotalous, tietotekniikka, laskentatoimi ja rahoitus, markkinointi sekä liiketoimintaosaaminen

Negotiating Futures in Palestinian Refugee Camps: Spatiotemporal Trajectories of a Refugee Nation

Palestiinalaispakolaiset ovat eläneet pakolaisleireillä jo seitsemän vuosikymmentä. Heidän pakolaisuutensa juontuu vuodesta 1948, jolloin Israelin valtion perustamisen yhteydessä enemmistö alueen palestiinalaisesta väestöstä joutui pakenemaan kotiseuduiltaan. Vuosikymmenten aikana pakolaisleirit ovat tulleet osaksi Lähi-idän maisemaa, ja niillä on kasvanut ja elänyt jo useita palestiinalaissukupolvia. Leirien pitkästä historiasta huolimatta niitä on kuitenkin pidetty väliaikaisina; määritelmällisesti leiri on aina olemassa vain rajatun ajanjakson ja palestiinalaisten kansallisissa narratiiveissa, jotka painottavat paluuta Palestiinaan, niitä ei ole ajateltu pysyvinä asuinpaikkoina. Käytännössä leirit kuitenkin muodostavat olosuhteet, joissa palestiinalaispakolaiset elävät arkeaan ja rakentavat tulevaisuuttaan. Pitkän historiansa, ainutlaatuisen institutionaalisen viitekehyksen sekä palestiinalaisten poliittiseen kamppailuun linkittyvien merkitysten takia leirit luovat omanlaisensa puitteet niillä asuvien pakolaisten elämälle. Tässä tutkimuksessa en silti tarkastele vain leirejä itsessään vaan lähestyn niiden kautta sitä, miten niillä asuvat palestiinalaiset neuvottelevat tulevaisuudentoiveitaan. Tämä etnografiaan pohjaava tutkimus on toteutettu Libanonissa, Jordaniassa ja Länsirannalla usealla eri pakolaisleirillä. Valitsin monikenttäisen lähestymistavan sillä lähtöoletuksella, että pakolaisuuden konteksti vaikuttaa merkittävästi siihen, miten tulevaisuuksia kuvitellaan. Palestiinalaispakolaisten asemamassa onkin merkittäviä eroja näillä kolmella alueella: Libanonissa he elävät ilman kansalaisuutta ja sen tuomia oikeuksia, Jordaniassa enemmistö pakolaisista on samanaikaisesti sekä maan kansalaisia että pakolaisia ja Länsirannalla palestiinalaispakolaiset joutuvat muiden länsirantalaisten tavoin kohtaamaan Israelin väkivaltaisen miehityspolitiikan. Näiden kontekstuaalisten erojen ja niiden vaikutusten ymmärtäminen on ollut tutkimuksen keskiössä. Tutkimuksen lähtöoletuksena on lisäksi ontologisen hermeneutiikan mukaisesti se, että tulevaisuuden tarkastelu ei ole mahdollista ilman, että ymmärtää menneen, nykyisyyden ja näiden välisen suhteen. Tästä syystä käyn läpi eri kentillä asuvien palestiinalaisten historiaa ja etenen leirien nykyolosuhteiden tarkasteluun. Nämä ajallisuudet luovat pohjan pakolaisten tulevaisuudentoiveiden ymmärtämiselle. Palestiinalaispakolaisten historia on täynnä väkivaltaa, pakenemista ja jatkuvaa epävarmuutta, ja pakolaisleirit ovat tilana tiivistäneet pakolaisuuteen liittyvät vaikeudet niin historiallisesti kuin nykyäänkin. Materiaaliset olosuhteet, ahtaus, suhde ympäröivään paikkaan ja yhteisöön sekä leirin identiteetilliset ja poliittiset konnotaatiot ovat kaikki vaikuttaneet siihen, miten tähän tutkimukseen osallistuneet palestiinalaispakolaiset kokivat elinolosuhteensa. Leirien ei koettu pystyvän tarjoamaan toivottua elintasoa, mutta samanaikaisesti ne muodostivat merkityksellisen yhteisön, johon liitettiin useita positiivisia ominaisuuksia. Leirit muodostivat myös osan pakolaisten poliittista identiteettiä: ne muistuttivat niillä asuvien pakolaisuudesta ja muodostivat linkin Palestiinaan ja siten ylläpitivät vaatimusta paluuoikeudesta. Kuitenkin, näistä positiivisista puolista huolimatta, elettyinä tiloina leirit eivät pystyneet luomaan toivottuja puitteita arjelle. Tässä tutkimuksessa painottuu myös se, että Libanonissa, Jordaniassa ja Länsirannalla tarjolla olleet mahdollisuudet eivät useinkaan riittäneet toivotun tulevaisuuden saavuttamiseen. Maastamuutto olikin monelle tapa kuvitella parempaa tulevaisuutta niin itselle kuin perheelle, erityisesti Libanonissa ja Länsirannalla. Parempaa tulevaisuutta neuvoteltiin useita eri reittejä, ja tässä tutkimuksessa keskityn erityisesti koulutuksen, työn ja naimisiinmenon tarjoamiin mahdollisuuksiin. Vaikka myös kansalliset tulevaisuudet, Palestiina ja paluuoikeuden toteutuminen nousivat esiin näissä neuvotteluissa, ilmenivät ne kuitenkin abstraktimmalla tasolla ja eri aikajanalla, kuin tulevaisuudet, joilla haettiin parempia mahdollisuuksia saavuttaa henkilökohtaiset elämäntavoitteet ja helpotusta arjessa kohdattuihin vaikeuksiin. Palestiinalaispakolaisten tulevaisuuskäsitysten erityisyys on juuri henkilökohtaisen ja kansallisen tulevaisuuden välille muodostuvassa ristivedossa. Kansallisen narratiivin mukaan pakolaisten (erityisesti leireillä asuvien) oletetaan sisukkaasti odottavan paluuta, kestävän pakolaisuuden haasteet ja taistelevan kansallisten tavoitteiden puolesta. Samanaikaisesti pakolaiset kuitenkin pyrkivät parantamaan arkeaan, elinolosuhteitaan ja mahdollisuuksiaan tarjolla olevin keinoin. Etnografiassani painottui erityisesti tämä henkilökohtainen puoli ja se, että kansallisten tavoitteiden saavuttamisen ei koettu pystyvän tarjoamaan parannusta pakolaisuuden historian muovaamiin nykyolosuhteisiin riittävän nopealla aikataululla. Väitänkin, että henkilökohtaisten tulevaisuuksien ensisijaisuus heijastaa leireillä asuvien palestiinalaisten kohtaamia vaikeuksia: heidän asemansa ja tulevaisuutensa ei ole tarpeeksi turvattu, jotta he voisivat odottaa ja keskittyä kansallisten tavoitteiden ajamiseen. Sen sijaan palestiinalaispakolaiset ovat pakotettuja tarttumaan tällä hetkellä tarjolla oleviin vaihtoehtoihin ja pyrkimään niihin suuntiin, joissa mahdollisuudet parempaan elämään ovat tarjolla.Palestinian refugee camps have been housing Palestinians for seven decades. They were formed after 1948, when in the process of establishing Israel as a Jewish state the majority of Palestinians living in Mandatory Palestine were dispossessed. Over these decades, the camps have become a durable part of the Middle Eastern landscape, and several generations of refugees have already been born, and are living, in them. Despite the fact that Palestinian camps have also been framed as temporary, not only by definition but also in the national narratives stressing the right to return to Palestine, in practice the camps have become sites where lives are lived and futures built. Due to their long history, unique institutional framework, and strong connotation as centers of Palestinian political struggle, Palestinian refugee camps have their own specificities that affect how they frame the life of their dwellers. Yet, this dissertation is not an ethnography of the camps per se; the aim is rather to look through them in order to explore the manifold futures that are negotiated by the Palestinian refugees dwelling in them, and especially by those just reaching adulthood. This ethnographic study has been conducted in several refugee camps in Jordan, Lebanon, and the West Bank. A multi-sited approach was adopted with the presumption that the context of refugeeness affects the ways in which futures are imagined. Palestinian refugees have been positioned differently in these places: as stateless and excluded in Lebanon, as refugee-citizens in Jordan, and as being among their own people yet enduring the difficulties of the oppressive Israeli occupation in the West Bank. Understanding these contextual specificities in the different host sovereigns has hence been central to the aims of this work. In this dissertation I argue, in line with ontological hermeneutics, that it is not possible to explore the future without first addressing the differing pasts and present conditions of the refugees. Therefore, to understand these differing experiences of Palestinian refugees living under the three host sovereigns, I start by looking at the histories that form the present realities through which Palestinians look to, have hopes for, and plan for their futures. The histories of Palestinian refugeeness have witnessed violence, multiple displacements, and enduring uncertainty. In all the fields that were included in this research it was the camp that embodied the difficulties of being a refugee. The material living conditions, crowdedness, camp community, and relations with the surrounding area and society, as well as the identificational and political connotations, have all affected how the camps have been experienced as places of dwelling by my interlocutors. In many ways they were considered inadequate in terms of providing the hoped-for standards of living, yet simultaneously they formed a significant community that was viewed from a positive perspective, though more so in the West Bank and Jordan than in Lebanon. Nevertheless, while the camps functioned as a marker of Palestinian refugeeness, and were even equated with Palestine and the right of return, as everyday spatialities they left much to be desired. Similarly, this research shows that the possibilities available to the refugees under the host sovereigns were not usually enough for my interlocutors to achieve their aspirations. Hence many – especially in Lebanon and the West Bank, though for different reasons – have come to consider that emigration could fulfil their hopes and provide better conditions for them and their families. Better futures were negotiated via different routes – education, employment, and marriage being the ones explored here. While both return and the national future of Palestine also emerged in these negotiations, they were situated in a different, more abstract timeframe, not one that could provide better possibilities or enhancements in the deprived conditions faced in everyday life. The specificity of Palestinian refugees’ negotiations on the future nevertheless emerges from this discrepancy between the national and the personal. On the level of national discourse, Palestinian refugees (especially those living in camps) are people steadfastly waiting for the return, enduring life in the camp and fighting for the national cause. However, on the level of the everyday, they are – as is anyone – aiming to improve their situation with the means available and, as became evident in my ethnography, in the present situation and in light of past experiences those means direct their attention somewhere other than to the political objectives they hold as Palestinian refugees. This, I claim, reflects the difficulties that Palestinian refugees living in the camps face: they are not in a secure enough position to have the luxury of “waiting out” or to concentrate on the political in its national manifestation. Rather, they are forced to negotiate the options at hand, to reach out in those directions where possibilities are available

Kuntoutujien hyvinvoinnin ja toivon kokemukset sekä näkemykset tulevaisuudesta laitospäihdekuntoutuksen aikana

Väitöstutkimuksessa tarkastellaan hyvinvointia, toivoa ja tulevaisuutta monimenetelmällisesti laitospäihdekuntoutuksen kontekstissa. Huomio kohdentuu kuntoutujien kokemuksiin ja kuntoutuksen inhimilliseen vaikuttavuuteen. Tutkimustehtävänä oli selvittää millaisia muutoksia kuntoutujien koetussa hyvinvoinnissa sekä tilanteisessa toivossa tapahtuu laitospäihdekuntoutusjakson aikana. Kuntoutuksen jälkeiseen aikaan katse suunnattiin tulevaisuutta koskevan kirjoitustehtävän sekä haastatteluiden avulla. Näiden avulla etsittiin vastausta kysymyksiin: mitä päihdekuntoutujat toivovat tulevaisuudeltaan ja miten kuntoutujat kuvaavat retkahtamista. Tutkimuksen kaikki aineistot on kerätty yhdestä laitospäihdekuntoutuksen yksiköstä vuosina 2016–2018. Kuntoutusyksikkö tarjoaa yhteisömuotoista laitoskuntoutusta päihteitä ongelmallisesti käyttäville sekä peliriippuvuuden haittoja kokeville yksilöille ja perheille. Tutkimukseen osallistuneet kuntoutujat ovat tuottaneet moninaista aineistoa. Aineistoina hyödynnetään kuntoutustoiminnan arkeen kuuluvia Hyvinvoinnin arvio -lomakkeita (N=103; Osatutkimus I), kvantitatiivista kyselylomaketta (N=168; Osatutkimus II), kirjoituspyynnön avulla kerättyä kirjallista aineistoa (N=95; Osatutkimus III) ja kuntoutujien haastatteluita (N=7; Osatutkimus IV). Kutakin osatutkimuksen aineistoa on tarkasteltu tarkoituksenmukaisin analyysimenetelmin tietokoneavusteisesti. Tutkimuksen kvantitatiivisessa analyysissä on käytetty sekä kuvailevia menetelmiä että monimuuttujamenetelmiä. Kvalitatiivinen analyysi on toteutettu sisällönanalyysin ja narratiivisen analyysin keinoin. Tutkimus nojautuukin vahvasti monimenetelmälliseen tutkimusperinteeseen, jolla pyritään saavuttamaan moniulotteinen kuva tutkittavasta ilmiöstä. Tutkimuksen keskeisin laitospäihdekuntoutuksen inhimilliseen vaikuttavuuteen viittaava tulos on useimmilla kuntoutujilla kuntoutuksen aikana hyvinvoinnissa ja toiveikkuudessa tapahtuva positiivinen muutos. Osatutkimuksessa I hyvinvoinnissa tapahtuvan muutoksen havaittiin olevan suurinta kuntoutuksen alkupuolella, jonka jälkeen hyvinvointi vakiintui korkealle tasolle kuntoutuksen edetessä. Osatutkimuksessa II todettiin hyvinvoinnin lisäksi kuntoutujien toiveikkuudessa tapahtuvan positiivista muutosta ja hyvinvoinnin kokemuksen sekä toiveikkuuden olevan yhteydessä toisiinsa. Osatutkimuksissa III ja IV tarkasteltiin kuntoutujien tulevaisuutta eri näkökulmista. Toivotuksi tulevaisuudeksi määrittyi osatutkimuksessa III päihteetön arki, johon kuuluu sosiaalisia verkostoja, elämään tyytyväisyyttä, työelämään kiinnittymistä, hyvää terveyttä ja taloudellista vakautta. Retkahtaminen asettui uhaksi toivotun tulevaisuuden saavuttamiselle ja tukikeinoiksi päihteettömyyden tavoittelussa tunnistettiin vertaistuki- ja itsehoitoryhmiin osallistuminen, ammatilliseen apuun turvautuminen, itsehoito ja tukiverkostot. Osatutkimuksessa IV katse kohdennettiin retkahtamiseen ja päihdekäyttöä koskeviin narratiiveihin laitoskuntoutuksessa olevien kuntoutujien puheessa. Oppimisnarratiivissa korostui aiemmista kokemuksista oppiminen tulevaisuuden retkahdusten ehkäisemiseksi. Aiemmat päihteettömät jaksot, koettu minäpystyvyys ja tukitahojen apu tukevat positiivista tulevaisuuteen suhtautumista.Päivä kerrallaan -narratiivissa painottui nykyhetkessä toimiminen päihteettömyyden ylläpitämisessä. Hallitsemisnarratiivissa keskeistä oli erilaisten vaihtoehtojen pohtiminen päihteiden käytön suhteen ja tulevaisuudessa mahdolliseksi arvioitu hallittu päihdekäyttö. Kustakin narratiivista oli tunnistettavissa piirteitä sekä positiivisesta että negatiivisesta tulevaisuuteen suhtautumisesta. Oppimisnarratiivissa ja päivä kerrallaan -narratiivissa laitospäihdekuntoutus asettui tukemaan päihteettömyyden tavoitetta, kun taas hallitsemisnarratiivi lavensi toipumiskäsitystä hallitun käytön suuntaan. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että laitospäihdehoidon aikana tapahtuu positiivisia muutoksia hyvinvoinnissa ja toiveikkuudessa, mikä luo pohjaa paremman tulevaisuuden tavoittelulle. Saavutettujen muutosten kestävyys koetellaan kuitenkin toden teolla kuntoutujan kotiuduttua. Jatkotutkimusaiheena onkin kuntoutujien hyvinvoinnin, toiveikkuuden ja toivotun tulevaisuuden toteutumisen tarkastelu seurannassa. Seurantatutkimuksen keinoin on tarpeen selvittää kuntoutuksen vaikuttavuutta myös tuloksellisuuden, kuten kuntoutukselle asetetun tavoitteen saavuttamisen osalta.This doctoral dissertation is a mixed methods study on clients’ wellbeing, hope and future expectations of inpatients undergoing substance abuse treatment. The focus is on clients’ experiences and treatment efficacy. The research seeks to ascertain how wellbeing and state of hope change during inpatient substance abuse treatment. Additionally, the post-treatment time was studied by analysing written and interview material about the future in order to ascertain what inpatients hope for their future and how they describe relapse. All data was collected from one inpatient substance abuse treatment unit located in Finland during the years 2016–2018. The treatment unit provides both individuals and families with therapeutic community-based substance abuse or gambling treatment. During treatment clients produced various datasets which are used in this study. The first sub-study was conducted using the wellbeing evaluation forms (N=103) used as a therapeutic tool in the treatment unit. The second sub-study also used quantitative questionnaires (N=168). In the third sub-study clients written texts about the future were collected (N=95) and in the fourth sub-study interviews were conducted (N=7). Each dataset was analysed with appropriate methods using research software. The quantitative analyses used both descriptive and multivariate methods. Qualitative analysis was conducted using content analysis and narrative analysis. Several methods were used in the sudy to gain a multidimensional understanding of the phenomena being studied. The main result showing positive change is that both wellbeing and state of hope improved during inpatient treatment. In Sub-study I the change achieved was greater in the first weeks of treatment. Thereafter the change stabilized and remained high. Sub-study II showed that, in addition to wellbeing, also state of hope improved during treatment and that these are related. In Sub-studies III and IV the focus was on the future from different points of view. Inpatients hoped for a future with sober everyday living, social networks, life satisfaction, employment, good health, and financial stability. Relapse was seen as a threat to the desired future. AA/NA groups and peer support were seen as important ways of achieving abstinence, but participants also wanted to have access to professional help. In Sub-study IV relapse was studied further by analysing inpatients’ talk about relapse and related issues. In the learning narrative, learning from past experiences was central. Previous sober periods, self-efficacy and the opportunity for help supported inpatients in adopting a positive future orientation. In the “one day at a time” narrative acting in the present was essential for maintaining abstinence. In the controlling narrative self-efficacy regarding controlled use of substances in the future opened up an opportunity for goals other than abstinence. Both positive and negative future orientation was present in the narratives. In the learning narrative and the “one day at a time” narrative inpatient treatment supported the goal of abstinence. However, the controlling narrative extended the view on recovery to the controlled use of substances. All in all, the results of this study show that positive changes happen during inpatient treatment and it creates an opportunity for a positive future. The change achieved will be tested properly after discharge. Prospective follow-up study design is needed in exploring how well-being and hope change after treatment and whether the hopes for the future came to fruition. More research is also needed on how wellbeing and hope relate to other aspects of treatment efficacy such as attaining treatment objectives

Computer Vision for Robotics: Feature Matching, Pose Estimation and Safe Human-Robot Collaboration

This thesis studies computer vision and its applications in robotics. In particular, the thesis contributions are divided into three main categories: 1) object class matching, 2) 6D pose estimation and 3) Human-Robot Collaboration (HRC). For decades, the 2D local image features have been applied to find robust matches between two images of the same scene or object. In the first part of the thesis, these settings are extended to class-level matching, where the primary target is to find correct matches between object instances from the same class (e.g. Harley-Davidson and scooter fromthe motorcycle class). The current benchmark is modified to the class matching setting and state-of-the-art detectors and descriptors are evaluated on multiple image datasets. As a main finding from the experiments, the performance of the 2D local features on class matching settings is poor and specialized approaches are needed. In the second part, the local features are extended to 6D pose estimation where the 3D feature correspondences are used to fully localize the target object from the sensor input, i.e. to give its 3D position and 3D orientation. For finding reliable correspondences, two robustifying methods are proposed that exploit the input object surface geometry and remove unreliable surface regions. Based on the experiments, the relatively simple algorithms were able to improve the accuracy of several pose estimation methods. As a second study on the pose estimation category, the existing evaluation metrics for measuring the qualitative performance of an estimated pose are assessed. As a results, we proposed a novel evaluation metric which extends the current practices from geometrical verification to a statistical formulation of the task success probability given an estimated object pose. The metric was found to be more realistic for validating the estimated pose for a given manipulation task compared to prior art. The final contributions are related to HRC which is a part of the next big industrial revolution, called Industry 4.0. The shift means breaking the existing safety practices in industrial manufacturing, i.e. removing the safety fences around the robot and bringing the human operator to work in close proximity of the robot. This requires novel safety solutions that can prevent collisions between the co-workers while still allowing flexible collaboration. To address the requirements, a safety model for HRC is proposed and experimentally evaluated on two different assembly tasks. The results verify the potential of human-robot teams to be more efficient solution for industrial manufacturing than the current working methods. As a final study, usefulness and readiness level of augmented reality-based (AR-based) techniques as an user-interface medium in manufacturing tasks is evaluated. The results indicate that AR-based interaction can support and instruct the operator, making him feel more comfortable and productive during the complex manufacturing tasks

Far-Field Backscattering Brain Implant Communications : Antenna Design Methodologies and Performance Validation

The recent progress in wireless technology has prompted the development of wireless implantable and wearable systems to realize the envisioned bio-telemetry where the patients can access to diagnosis and treatment at any time, any location and with any amount of monitoring and diagnostic data. Especially in brain care applications, wireless intracranial implantable microsystems are believed to open a new paradigm for the management of brain disorders and the treatment of neurological diseases. Planning the transcranial wireless link between the implant and the external devices is a challenging task that requires multidisciplinary considerations. The fundamental challenge is the attainment of miniature implantable antennas achieving adequately high efficiency for signaling and wireless power transfer in the presence of the dissipative intracranial tissues. Moreover, in the antenna development, accurate modeling of the human tissue environment is of great importance to characterize the antenna performance and to evaluate the tissue interaction with the electromagnetic radiation. Importantly, for the sake of the patient’s safety and comfort, extra-low power consumption with a batteryless operation of the implant is highly appealed to minimize the biological intrusiveness and to ensure a long-term operation. For this reason, radio frequency identification (RFID) technique, which is based on the extra low-power and low-complexity backscatter communications, has been recently considered as a promising wireless solution for the implants. To address the above-mentioned challenges, this thesis starts with a discussion of the RFID based wireless sensing, numerical modeling of the intracranial tissue environment and the characteristics of antenna radiation in lossy tissue materials. During this discussion, an approach to enable the semi-passive operation of an RFID system without the assistance of external batteries is presented, and a guideline for efficient modeling of the human head for implantable antenna development is provided. Finally, a multimodal spatially distributed antenna and a miniature dual- split-ring antenna with tuneable impedance are introduced for far-field backscattering brain implants. The promising performance of the proposed antennas is analyzed and discussed with simulation, in-vitro measurement and in-vivo experiment