Aaltomuodon hallinta transkraniaalisessa magneettistimulaatiossa

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a non-invasive tool for stimulating the brain via induced electric fields generated by driving a strong current pulse through a stimulation coil. The TMS group at Aalto University has developed a multi-locus TMS (mTMS) device which exploits linear superposition of electric fields. This allows for the rotation or movement of the stimulated area to be controlled electrically by having a set of overlapping coils instead of physically moving a single coil. The device utilizes an H-bridge topology which can be used to carefully control the current through a coil by changing the path of current through the stimulator circuitry with insulated gate bipolar transistors (IGBTs), and the aim of this Thesis was to develop a method for controlling these currents in such a way that a given reference current pulse (i.e., waveform) could be approximated. For better IGBT control, new controller cards had recently been designed, and one objective of this Thesis was to test them. Additionally, in preparation for more coils to be added to the system, a coil identification system utilizing digital temperature sensors and a microcontroller was prototyped. The bulk of this Thesis, however, consists of the algorithm that was developed for IGBT control. The idea is to calculate a timing sequence for the IGBTs in such a way that a waveform generated by a lower initial voltage reference pulse is effectively simulated by periodically driving current to the coil from a high-voltage source. The non-idealities present in the circuit, however, pose a problem for approximation accuracy, and this was compensated for by further developing the model by adding a back-prediction module that tries to predict a better input sequence for the system based on previous measurements. The controller cards for the IGBTs were found to be satisfactory, and the prototyped coil identification system seems like a feasible solution even in the presence of strong magnetic fields. The waveform approximation was found to give rising-phase predictions with 0.3—7.7% relative difference in maximum amplitude compared to actual output for the sequences tested, depending on the chosen correction parameters. The falling-phase predictions varied significantly due to lack of parameter data. The tools developed in this Thesis give a good starting point for further development of waveform control in TMS.Transkraniaalinen magneettistimulaatio (engl. transcranial magnetic stimulation, TMS) on ei-invasiivinen menetelmä aivojen stimulaatioon. Menetelmä perustuu indusoituihin sähkökenttiin, jotka luodaan ajamalla suuri virtapulssi stimulaatiokäämin läpi. Aalto-yliopiston TMS-ryhmä on kehittänyt uuden sukupolven mTMS-laitetta (engl. multi-locus TMS), jossa sähkökenttien superpositioon perustuen stimulaatioaluetta voidaan siirtää ja kääntää sähköisesti hyödyntäen useita keloja. Tyypillisesti stimulaatioalueen siirto tai kääntö toteutetaan fyysisesti kelaa liikuttamalla. Yliopistolla kehitetty laite perustuu sähköiseen H-siltakytkentään, jossa sähkövirran kulkureittiä voidaan hallita kytkemällä IGBT-transistoreita (engl. insulated gate bipolar transistor) päälle tai pois päältä. Tämän diplomityön tavoite oli kehittää menetelmä piirin virrankulun hallintaan siten, että haluttu referenssipulssi (eli aaltomuoto) voidaan mallintaa. IGBT-transistoreiden parempaa hallittavuutta varten ryhmässä oli aiemmin kehitetty uudet ohjainkortit, joiden testaaminen oli yksi tämän diplomityön osa-alueista, ja lisäksi uusien kelojen lisäämistä silmälläpitäen järjestelmälle valmistettiin prototyyppi kelojen tunnistusta varten. Pääpaino työssä oli kuitenkin kehittää IGBT-transistoreiden hallintaan algoritmi, jolla kelan läpi kulkevaa virtaa voidaan tarkasti hallita. Perusidea tässä algoritmissa on, että suurella alkujännitteellä ajetaan stimulaatiokelaan virtaa vain hetkittäin, jolloin voidaan efektiivisesti simuloida tilannetta, jossa alemmalla alkujännitteellä ajetaan virtaa kelan läpi jatkuvasti. Laitteen epäideaalisuudet johtivat hyvin epätarkkaan approksimaatioon, mitä varten kehitettiin ennustusmoduuli, joka pyrkii aiempiin mittauksiin perustuen antamaan paremman ennusteen aaltomuodon käyttäytymisestä. IGBT-ohjainkortit toimivat mittausten perusteella hyvin, ja kelojen tunnistusjärjestelmä vaikuttaa ainakin ensiarvioiden perusteella hyvältä, vahvoista magneettikentistä huolimatta. Approksimointialgoritmi testatuille aaltomuodoille antoi 0.3—7.7% suhteellisen eron maksimiamplitudien välille riippuen korjausparametreista. Työssä esitetyt työkalut antavat hyvän lähtökohdan aaltomuotojen hallinnan jatkokehitykseen TMS:ssä

Konvektiivisten sadetilanteiden arviointi satelliittimittausten perusteella

Tässä tutkielmassa tarkastellaan geostationäärisen satelliitin mittauksiin perustuvan sadetuote CRR:n (Convective Rainfall Rate) kykyä havaita ja arvioida konvektiivisia sadetilanteita Pohjois-Euroopassa. Aineistona käytetään vuoden 2017 kesäkuukausilta (kesä–elokuu) kerättyä dataa. CRR:n arvioimista sateen intensiteeteistä lasketaan tunnin sadekertymät, joita verrataan sademittareiden avulla korjattuihin, Euroopan laajuisen OPERA-tutkayhdistelmän tuottamiin tunnin kertymiin. Kertymien suhde lasketaan tunti tunnilta OPERA-hilan joka hilapisteessä, ja suhteesta muodostetaan normaalijakautunut vertailusuure F. Lisäksi CRR:n suorituskyvyn arvioimiseen käytetään laadullisia indikaattoreita kuten CSI:tä (Critical Success Index). CRR havaitsi tarkasteluajanjaksolla 30 prosenttia tapauksista, joissa hilapisteen sadekertymä oli yli 1 mm/h. Se keskimäärin yliarvioi kertymiä hieman, joskin tulosten hajonta on suurta (F:n mediaani logaritmisella asteikolla 0,43, hajonta 3,07). CRR:n suorituskyky huonontuu pohjoista kohti, mikä onkin odotettavissa, koska mitä korkeampaa leveyspiiriä tarkastellaan, sitä pienempi on geostationäärisen satelliitin katselukulma Maan pinnan kaareutumisen vuoksi. Tutkielman tuloksia hyödynnetään kehitettäessä Euroopan laajuista yhdistelmäsadetuotetta (PERC, Pan-European Rainfall Composite), joka yhdistää CRR:n tuottaman sadekentän OPERA-tutkasadekenttään ja GLD360-salamanpaikannusverkoston tuottamien salamatietojen avulla laskettuun sadekenttään. PERC on tarkoitettu lähihetkiennustamisen tueksi tehtävään sadetilanteen analyysiin, jotta konvektiivisiin sateisiin liittyviin riskeihin, kuten äkkitulviin, voitaisiin varautua nykyistä paremmin. CRR:n suorituskykyä verrataan OPERA-tutkayhdistelmän ja GLD360-salamasadetuotteen suorituskykyyn, jotta PERC:n eri komponenttien käyttöä voitaisiin painottaa optimaalisesti. OPERA-tuotteella on suurempi systemaattinen virhe (mediaani –1,93), mutta hajonta (0,99) on selvästi pienempää kuin CRR:llä. CSI:llä mitattuna OPERA on huomattavasti CRR:ää parempi (0,52 vs. 0,19). GLD360:n tulokset ovat kaikkiaan huonoimpia. Näiden tulosten perusteella todetaan, että PERC:iä muodostettaessa kannattaa hyödyntää OPERA-tutkayhdistelmää silloin, kun se on saatavilla. OPERA-peittoalueen reunoilla ja ulkopuolella, etenkin Euroopan eteläosissa, CRR ja GLD360 voivat kuitenkin täydentää sadetilanteen arviota

Perceptions of Finnish livestock producers regarding the costs of biosecurity

vo

Afrikkalaisen sikaruton taudinpurkauksen simuloidut taloudelliset vaikutukset Suomessa

201

Afrikkalaisen sikaruton taudinpurkauksen simuloidut taloudelliset vaikutukset Suomessa

201

Closed-loop optimization of transcranial magnetic stimulation with electroencephalography feedback

Background: Transcranial magnetic stimulation (TMS) is widely used in brain research and treatment of various brain dysfunctions. However, the optimal way to target stimulation and administer TMS therapies, for example, where and in which electric field direction the stimuli should be given, is yet to be determined. Objective: To develop an automated closed-loop system for adjusting TMS parameters (in this work, the stimulus orientation) online based on TMS-evoked brain activity measured with electroencephalography (EEG). Methods: We developed an automated closed-loop TMS-EEG set-up. In this set-up, the stimulus parameters are electronically adjusted with multi-locus TMS. As a proof of concept, we developed an algorithm that automatically optimizes the stimulation orientation based on single-trial EEG responses. We applied the algorithm to determine the electric field orientation that maximizes the amplitude of the TMS-EEG responses. The validation of the algorithm was performed with six healthy volunteers, repeating the search twenty times for each subject. Results: The validation demonstrated that the closed-loop control worked as desired despite the large variation in the single-trial EEG responses. We were often able to get close to the orientation that maximizes the EEG amplitude with only a few tens of pulses. Conclusion: Optimizing stimulation with EEG feedback in a closed-loop manner is feasible and enables effective coupling to brain activity. (C) 2022 The Author(s). Published by Elsevier Inc.Peer reviewe

Multi-locus transcranial magnetic stimulation system for electronically targeted brain stimulation

Background: Transcranial magnetic stimulation (TMS) allows non-invasive stimulation of the cortex. In multi-locus TMS (mTMS), the stimulating electric field (E-field) is controlled electronically without coil movement by adjusting currents in the coils of a transducer. Objective: To develop an mTMS system that allows adjusting the location and orientation of the E-field maximum within a cortical region. Methods: We designed and manufactured a planar 5-coil mTMS transducer to allow controlling the maximum of the induced E-field within a cortical region approximately 30 mm in diameter. We developed electronics with a design consisting of independently controlled H-bridge circuits to drive up to six TMS coils. To control the hardware, we programmed software that runs on a field-programmable gate array and a computer. To induce the desired E-field in the cortex, we developed an optimization method to calculate the currents needed in the coils. We characterized the mTMS system and conducted a proof-of-concept motor-mapping experiment on a healthy volunteer. In the motor mapping, we kept the transducer placement fixed while electronically shifting the E-field maximum on the precentral gyrus and measuring electromyography from the contralateral hand. Results: The transducer consists of an oval coil, two figure-of-eight coils, and two four-leaf-clover coils stacked on top of each other. The technical characterization indicated that the mTMS system performs as designed. The measured motor evoked potential amplitudes varied consistently as a function of the location of the E-field maximum. Conclusion: The developed mTMS system enables electronically targeted brain stimulation within a cortical region. (c) 2021 The Author(s). Published by Elsevier Inc. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).Peer reviewe

The effects of structural change in agriculture on the spread of animal disease in Finland

The structure of Finnish agricultural production has changed rapidly resulting in an increase in the average farm size and a reduction in the number of farms. Three animal diseases were used to illustrate the impacts of changing production structures and their consequences on the spread and control of disease: Foot-and-mouth disease (FMD), African Swine Fever (ASF) and Bluetongue (BT). The aim of this study was to assess how changes in the structure of animal production impact on animal disease risks and the economic consequences of diseases. The spread of diseases was simulated according to three predicted future production structure scenarios for 2033 and compared with reference simulations applying the production structure of the year 2009. FMD had the highest spread potential as the probability of spread and magnitude of an epidemic outbreak were the largest. ASF and BT had clearly lower spread potential and also structural change will affect them less. Spread potential is strongly dependent on how logistics will develop in relation with farm size increase. Economic losses due to FMD were similar in 2009 and 2033 simulations. Losses caused by ASF were smaller than those by FMD. In both cases distortions in the food exports were the main source of losses. Losses associated with BT were estimated to be smaller in the future.Kotieläintilojen keskikoko on kasvanut ja tilojen määrä on vähentynyt. Kehityksen voidaan arvioida jatkuvan myös tulevaisuudessa. Kolmea eläintautia, suu- ja sorkkatauti, afrikkalainen sikarutto ja sinikielitauti, käytettiin esimerkkinä siitä, kuinka muutokset kotieläintuotannon rakenteessa vaikuttavat taudin leviämiseen ja hallintaan. Tutkimuksen tarkoituksena oli arvioida kuinka kotieläintalouden rakennemuutos vaikuttaa eläintautiriskiin ja tautien taloudellisiin vaikutuksiin. Tautien leviämistä simuloitiin kolmen vuoteen 2033 ajoittuvan tulevaisuuskenaarion mukaan ja verrattiin simulointeihin, jotka pohjautuivat kotieläintalouden rakenteeseen vuonna 2009. Suu- ja sorkkataudilla oli suurin leviämispotentiaali, koska leviämisen todennäköisyys ja epidemian koko olivat suurimmat. Afrikkalaisella sikarutolla ja sinikielitaudilla oli selvästi matalampi potentiaali ja rakennemuutos vaikuttaa niihin vähemmän. Leviämispotentiaali on voimakkaasti riippuvainen logistiikan kehityksestä tilakoon kasvuun nähden. Suu- ja sorkkataudin aiheuttamat taloudelliset menetykset olivat samaa suuruusluokkaa nyt ja tulevaisuudessa. Afrikkalaisen sikaruton aiheuttamat tappiot jäivät maltillisemmiksi. Molemmilla taudeilla elintarvikeviennin häiriintyminen aiheutti eniten tappioita. Sinikielitaudin menetysten arvioitiin olevan nykyistä vähäisemmät tulevaisuudessa.En snabb strukturförändring inom lantbruket i Finland har resulterat i större men färre gårdar. Denna utveckling förväntas fortsätta även i framtiden. Tre sjukdomar; mul- och klövsjuka, afrikansk svinpest och blåtunga, har använts som exempel för att undersöka hur strukturförändringen påverkar smittspridningen och sjukdomskontrollen i framtiden. Syftet med arbetet var att utvärdera hur strukturomvandlingen i lantbruket påverkar djursjukdomsrisken och de ekonomiska konsekvenserna av sjukdomarna. Sjukdomsspridningen simulerades enligt tre tänkta framtida produktionsstrukturer för år 2033 och jämfördes sedan med simuleringar baserade på produktionen år 2009. Mul- och klövsjuka hade den största spridningspotentialen eftersom sannolikheten för spridning och storleken av ett epidemiskt utbrott var störst. Afrikansk svinpest och blåtunga hade klart lägre spridningspotential och även strukturförändringarna kommer att påverka dem mindre. Spridningspotentialen är starkt beroende av hur logistiken utvecklas i relation till gårdsstorleken. Ekonomiska förluster på grund av mul- och klövsjuka var lika stora i simuleringarna både för år 2009 och 2033. Förluster på grund av afrikansk svinpest var mindre än de orsakade av mul- och klövsjuka. I båda fallen var förlusterna orsakade av störd livsmedelsexport den huvudsakliga orsaken till ekonomiska förluster. Förluster orsakade av blåtunga verkade vara mindre i framtiden

3 '-UTR poly(T/U) repeat of EWSR1 is altered in microsatellite unstable colorectal cancer with nearly perfect sensitivity

Approximately 15 % of colorectal cancers exhibit instability of short nucleotide repeat regions, microsatellites. These tumors display a unique clinicopathologic profile and the microsatellite instability status is increasingly used to guide clinical management as it is known to predict better prognosis as well as resistance to certain chemotherapeutics. A panel of five repeats determined by the National Cancer Institute, the Bethesda panel, is currently the standard for determining the microsatellite instability status in colorectal cancer. Recently, a quasimonomorphic mononucleotide repeat 16T/U at the 3' untranslated region of the Ewing sarcoma breakpoint region 1 gene was reported to show perfect sensitivity and specificity in detecting mismatch repair deficient colorectal, endometrial, and gastric cancers in two independent populations. To confirm this finding, we replicated the analysis in 213 microsatellite unstable colorectal cancers from two independent populations, 148 microsatellite stable colorectal cancers, and the respective normal samples by PCR and fragment analysis. The repeat showed nearly perfect sensitivity for microsatellite unstable colorectal cancer as it was altered in 212 of the 213 microsatellite unstable (99.5 %) and none of the microsatellite stable colorectal tumors. This repeat thus represents the first potential single marker for detecting microsatellite instability.Peer reviewe