Novel surgical and imaging methods of the middle ear and temporal bone

Välikorvaleikkauksiin usein liittyvän välikorvan ja kuuloluuketjun kirurgisen rekonstruktion tavoitteena on luoda olosuhteet, jotka mahdollistavat hyvän kuulon sekä välikorvan säilymisen tulehduksettomana ja ilmapitoisena. Välikorvan rekonstruktiossa on käytetty implanttimateriaaleina perinteisesti potilaan omia kudoksia sekä tarvittaessa erilaisia hajoamattomia biomateriaaleja, mm. titaania ja silikonia. Ongelmana biomateriaalien käytössä voi olla bakteerien adherenssi eli tarttuminen vieraan materiaalin pintaan, mikä saattaa johtaa biofilmin muodostumiseen. Tämä voi aiheuttaa kroonisen, huonosti antibiootteihin reagoivan infektion kudoksessa, mikä usein käytännössä johtaa uusintaleikkaukseen ja implantin poistoon. Maitohappo- ja glykolihappopohjaiset biologisesti hajoavat polymeerit ovat olleet kliinisessä käytössä jo vuosikymmeniä. Niitä on käytetty erityisesti tukimateriaaleina mm. ortopediassa sekä kasvo- ja leukakirurgiassa. Niitä ei ole toistaiseksi käytetty välikorvakirurgiassa. Korvan kuvantamiseen käytetään ensisijaisesti tietokonetomografiaa (TT). TT-tutkimuksen ongelmana on potilaan altistuminen suhteellisen korkealle sädeannokselle, joka kasvaa kumulatiivisesti, jos kuvaus joudutaan toistamaan. Väitöskirjatyö selvittää uuden, aiemmin kliinisessä työssä rutiinisti lähinnä hampaiston ja kasvojen alueen kuvantamiseen käytetyn rajoitetun kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen. Väitöskirjan kahdessa ensimmäisessä osatyössä tutkittiin ja verrattiin kahden kroonisia ja postoperatiivisia korvainfektioita aiheuttavan bakteerin, Staphylococcus aureuksen ja Pseudomonas aeruginosan, in vitro adherenssia titaanin, silikonin ja kahden eri biohajoavan polymeerin (PLGA) pintaan. Lisäksi tutkittiin materiaalien albumiinipinnoituksen vaikutusta adherenssiin. Kolmannessa osatyössä tutkittiin eläinmallissa PLGA:n biokompatibiliteettia eli kudosyhteensopivuutta kokeellisessa välikorvakirurgiassa. Chinchillojen välikorviin istutettiin PLGA-materiaalia, eläimiä seurattiin, ja ne lopetettiin 6 kk:n kuluttua operaatiosta. Biokompatibiliteetin arviointi perustui kliinisiin havaintoihin sekä kudosnäytteisiin. Neljännessä osatyössä tutkittiin kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen vertaamalla sen tarkkuutta perinteisen spiraali-TT:n tarkkuuteen. Molemmilla laitteilla kuvattiin ohimo- eli temporaaliluita korvan alueen kliinisesti ja kirurgisesti tärkeiden rakenteiden kuvantumisen tarkkuuden arvioimiseksi. Viidennessä osatyössä arvioitiin myös operoitujen temporaaliluiden kuvantumista kartiokeila-TT:ssa. Bakteeritutkimuksissa PLGA-materiaalin pintaan tarttui keskimäärin korkeintaan saman verran tai vähemmän bakteereita kuin silikonin tai titaanin. Albumiinipinnoitus vähensi bakteeriadherenssia merkitsevästi kaikilla materiaaleilla. Eläinkokeiden perusteella PLGA todettiin hyvin siedetyksi välikorvassa. Korvakäytävissä tai välikorvissa ei todettu infektioita, tärykalvon perforaatioita tai materiaalin esiin työntymistä. Kudosnäytteissä näkyi lievää tulehdusreaktiota ja fibroosia implantin ympärillä. Temporaaliluutöissä rajoitettu kartiokeila-TT todettiin vähintään yhtä tarkaksi menetelmäksi kuin spiraali-TT välikorvan ja sisäkorvan rakenteiden kuvantamisessa, ja sen aiheuttama kertasäderasitus todettiin spiraali-TT:n vastaavaa huomattavasti vähäisemmäksi. Kartiokeila-TT soveltui hyvin välikorvaimplanttien ja postoperatiivisen korvan kuvantamiseen. Tulokset osoittavat, että PLGA on välikorvakirurgiaan soveltuva, turvallinen ja kudosyhteensopiva biomateriaali. Biomateriaalien pinnoittaminen albumiinilla vähentää merkittävästi bakteeriadherenssia niihin, mikä puoltaa pinnoituksen soveltamista implanttikirurgiassa. Kartiokeila-TT soveltuu korvan alueen kuvantamiseen. Sen tarkkuus kliinisesti tärkeiden rakenteiden osoittamisessa on vähintään yhtä hyvä ja sen potilaalle aiheuttama sädeannos pienempi kuin nykyisen korva-spiraali-TT:n. Tämä tekee menetelmästä spiraali-TT:aa potilasturvallisemman vaihtoehdon erityisesti, jos potilaan tilanne vaatii seurantaa ja useampia kuvauksia, ja jos halutaan kuvata rajoitettuja alueita uni- tai bilateraalisesti.

Auger-emitter radiochemotherapy in squamous cell cancers : in vitro and in vivo experiments with In-111-BLMC

Head and neck squamous cell cancer (HNSCC) is the sixth most common cancer worldwide. Despite advances in combined modality therapy (surgery, radiotherapy, chemotherapy) the 5-year survival rate in stage III and IV disease remains at 40% - 60%. Short-range Auger-electron emitters, such as In-111 and In-114m, tagged with a drug, molecule, peptide, protein or nanoparticles brought in close proximity to nuclear DNA represent a fascinating alternative for treating cancer. In this thesis, we studied the usefulness of Indium-111-bleomycin complex (In-111-BLMC) in the diagnostics and potential therapy of HNSCC using in vitro HNSCC cell lines, in vivo nude mice, and in vivo HNSCC patients. In in vitro experiments with HNSCC cell lines, the sensitivity to external beam radiation, BLM, In-111-BLMC, and In-111-Cl3 was studied using the 96-well plate clonogenic assay. The influence of BLM and In-111-BLMC on the cell cycle was measured with flow cytometry. In in vivo nude mice xenograft studies, the activity ratios of In-111-BLMC were obtained in gamma camera images. The effect of In-111-BLMC in HNSCC xenografts was studied. In in vivo patient studies, we determined the tumor uptake of In-111-BLMC with gamma camera and the radioactivity from tumor samples using In-111-BLMC with specific activity of 75, 175, or 375 MBq/mg BLM. The S values, i.e. absorbed dose in a target organ per cumulated activity in a source organ, were simulated for In-111 and In-114m. In vitro studies showed the variation of sensitivity for external beam radiation, BLM, and In-111-BLMC between HNSCC cell lines. IC50 values for BLM were 1.6-, 1.8-, and 2.1-fold higher than In-111-BLMC (40 MBq/mg BLM) in three HNSCC cell lines. Specific In-111 activity of 40 MBq/mgBLM was more effective in killing cells than specific In-111 activity of 195MBq/mgBLM (p=0.0023). In-111-Cl3 alone had no killing effect. The percentage of cells in the G2/M phase increased after exposure to BLM and especially to In-111-BLMC in the three cell lines studied, indicating a G2/M block. The tumor-seeking behavior was shown in the in vivo imaging study of xenografted mice. BLM and In-111-BLMC were more effective than NaCl in reducing xenografted tumor size in HNSCC. The uptake ratios received from gamma images in the in vivo patient study varied from 1.2 to 2.8 in malignant tumors. However, the uptake of In-111-BLMC was unaffected by increasing the injected activity. A positive correlation existed between In-111-BLMC uptake, Ki-67/MIB activity, and number of mitoses. Regarding the S values, In-114m delivered a 4-fold absorbed radiation dose into the tumor compared with In-111, and thus, In-114m-BLMC might be more effective than In-111-BLMC at the DNA level. Auger-electron emitters, such as In-111 and In-114m, might have potential in the treatment of HNSCC. Further studies are needed to develop a radiopharmaceutical agent with appropriate physical properties of the radionuclide and a suitable carrier to bring it to the targeted tissue.

Si, CdTe and CdZnTe radiation detectors for imaging applications

The structure and operation of CdTe, CdZnTe and Si pixel detectors based on crystalline semiconductors, bump bonding and CMOS technology and developed mainly at Oy Simage Ltd. And Oy Ajat Ltd., Finland for X- and gamma ray imaging are presented. This detector technology evolved from the development of Si strip detectors at the Finnish Research Institute for High Energy Physics (SEFT) which later merged with other physics research units to form the Helsinki Institute of Physics (HIP). General issues of X-ray imaging such as the benefits of the method of direct conversion of X-rays to signal charge in comparison to the indirect method and the pros and cons of photon counting vs. charge integration are discussed. A novel design of Si and CdTe pixel detectors and the analysis of their imaging performance in terms of SNR, MTF, DQE and dynamic range are presented in detail. The analysis shows that directly converting crystalline semiconductor pixel detectors operated in the charge integration mode can be used in X-ray imaging very close to the theoretical performance limits in terms of efficiency and resolution. Examples of the application of the developed imaging technology to dental intra oral and panoramic and to real time X-ray imaging are given. A CdTe photon counting gamma imager is introduced. A physical model to calculate the photo peak efficiency of photon counting CdTe pixel detectors is developed and described in detail. Simulation results indicates that the charge sharing phenomenon due to diffusion of signal charge carriers limits the pixel size of photon counting detectors to about 250 μm. Radiation hardness issues related to gamma and X-ray imaging detectors are discussed.

Search for a Light Higgs Boson in Central Exclusive Diffraction: Method and Detectors

By detecting leading protons produced in the Central Exclusive Diffractive process, p+p → p+X+p, one can measure the missing mass, and scan for possible new particle states such as the Higgs boson. This process augments - in a model independent way - the standard methods for new particle searches at the Large Hadron Collider (LHC) and will allow detailed analyses of the produced central system, such as the spin-parity properties of the Higgs boson. The exclusive central diffractive process makes possible precision studies of gluons at the LHC and complements the physics scenarios foreseen at the next e+e− linear collider. This thesis first presents the conclusions of the first systematic analysis of the expected precision measurement of the leading proton momentum and the accuracy of the reconstructed missing mass. In this initial analysis, the scattered protons are tracked along the LHC beam line and the uncertainties expected in beam transport and detection of the scattered leading protons are accounted for. The main focus of the thesis is in developing the necessary radiation hard precision detector technology for coping with the extremely demanding experimental environment of the LHC. This will be achieved by using a 3D silicon detector design, which in addition to the radiation hardness of up to 5×10^15 neutrons/cm2, offers properties such as a high signal-to- noise ratio, fast signal response to radiation and sensitivity close to the very edge of the detector. This work reports on the development of a novel semi-3D detector design that simplifies the 3D fabrication process, but conserves the necessary properties of the 3D detector design required in the LHC and in other imaging applications.