Feasibility of assimilating ASCAT surface winds into a Limited Area Model

Sea-surface wind observations of previous generation scatterometers have been successfully assimilated into Numerical Weather Prediction (NWP) models. Impact studies conducted with these assimilation implementations have shown a distinct improvement to model analysis and forecast accuracies. The Advanced Scatterometer (ASCAT), flown on Metop-A, offers an improved sea-surface wind accuracy and better data coverage when compared to the previous generation scatterometers. Five individual case studies are carried out. The effect of including ASCAT data into High Resolution Limited Area Model (HIRLAM) assimilation system (4D-Var) is tested to be neutral-positive for situations with general flow direction from the Atlantic Ocean. For northerly flow regimes the effect is negative. This is later discussed to be caused by problems involving modeling northern flows, and also due to the lack of a suitable verification method. Suggestions and an example of an improved verification method is presented later on. A closer examination of a polar low evolution is also shown. It is found that the ASCAT assimilation scheme improves forecast of the initial evolution of the polar low, but the model advects the strong low pressure centre too fast eastward. Finally, the flaws of the implementation are found small and implementing the ASCAT assimilation scheme into the operational HIRLAM suite is feasible, but longer time period validation is still required.

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.

Accurate mass-based analysis in human sport doping control : Application of liquid chromatography - time-of-flight mass spectrometry

Human sport doping control analysis is a complex and challenging task for anti-doping laboratories. The List of Prohibited Substances and Methods, updated annually by World Anti-Doping Agency (WADA), consists of hundreds of chemically and pharmacologically different low and high molecular weight compounds. This poses a considerable challenge for laboratories to analyze for them all in a limited amount of time from a limited sample aliquot. The continuous expansion of the Prohibited List obliges laboratories to keep their analytical methods updated and to research new available methodologies. In this thesis, an accurate mass-based analysis employing liquid chromatography - time-of-flight mass spectrometry (LC-TOFMS) was developed and validated to improve the power of doping control analysis. New analytical methods were developed utilizing the high mass accuracy and high information content obtained by TOFMS to generate comprehensive and generic screening procedures. The suitability of LC-TOFMS for comprehensive screening was demonstrated for the first time in the field with mass accuracies better than 1 mDa. Further attention was given to generic sample preparation, an essential part of screening analysis, to rationalize the whole work flow and minimize the need for several separate sample preparation methods. Utilizing both positive and negative ionization allowed the detection of almost 200 prohibited substances. Automatic data processing produced a Microsoft Excel based report highlighting the entries fulfilling the criteria of the reverse data base search (retention time (RT), mass accuracy, isotope match). The quantitative performance of LC-TOFMS was demonstrated with morphine, codeine and their intact glucuronide conjugates. After a straightforward sample preparation the compounds were analyzed directly without the need for hydrolysis, solvent transfer, evaporation or reconstitution. The hydrophilic interaction technique (HILIC) provided good chromatographic separation, which was critical for the morphine glucuronide isomers. A wide linear range (50-5000 ng/ml) with good precision (RSD<10%) and accuracy (±10%) was obtained, showing comparable or better performance to other methods used. In-source collision-induced dissociation (ISCID) allowed confirmation analysis with three diagnostic ions with a median mass accuracy of 1.08 mDa and repeatable ion ratios fulfilling WADA s identification criteria. The suitability of LC-TOFMS for screening of high molecular weight doping agents was demonstrated with plasma volume expanders (PVE), namely dextran and hydroxyethylstarch (HES). Specificity of the assay was improved, since interfering matrix compounds were removed by size exclusion chromatography (SEC). ISCID produced three characteristic ions with an excellent mean mass accuracy of 0.82 mDa at physiological concentration levels. In summary, by combining TOFMS with a proper sample preparation and chromatographic separation, the technique can be utilized extensively in doping control laboratories for comprehensive screening of chemically different low and high molecular weight compounds, for quantification of threshold substances and even for confirmation. LC-TOFMS rationalized the work flow in doping control laboratories by simplifying the screening scheme, expediting reporting and minimizing the analysis costs. Therefore LC-TOFMS can be exploited widely in doping control, and the need for several separate analysis techniques is reduced.

Alikasvoksen mittaus ja kartoitus laserkeilauksella

Tasaikäisen metsän alle muodostuvilla alikasvoksilla on merkitystä puunkorjuun, metsänuudistamisen, näkemä-ja maisema-analyysien sekä biodiversiteetin ja hiilitaseen arvioinnin kannalta. Ilma-aluksista tehtävä laserkeilaus on osoittautunut tehokkaaksi kaukokartoitusmenetelmäksi varttuneiden puustojen mittauksessa. Laserkeilauksen käyttöönotto operatiivisessa metsäsuunnittelussa mahdollistaa aiempaa tarkemman tiedon tuottamisen alikasvoksista, mikäli alikasvoksen ominaisuuksia voidaan tulkita laseraineistoista. Tässä työssä käytettiin tarkasti mitattuja maastokoealoja ja kaikulaserkeilausaineistoja (discrete return LiDAR) usealta vuodelta (1–2 km lentokorkeus, 0,9–9,7 pulssia m-2). Laserkeilausaineistot oli hankittu Optech ALTM3100 ja Leica ALS50-II sensoreilla. Koealat edustavat suomalaisia tasaikäisiä männiköitä eri kehitysvaiheissa. Tutkimuskysymykset olivat: 1) Minkälainen on alikasvoksesta saatu lasersignaali yksittäisen pulssin tasolla ja mitkä tekijät signaaliin vaikuttavat? 2) Mikä on käytännön sovelluksissa hyödynnettävien aluepohjaisten laserpiirteiden selitysvoima alikasvospuuston ominaisuuksien ennustamisessa? Erityisesti haluttiin selvittää, miten laserpulssin energiahäviöt ylempiin latvuskerroksiin vaikuttavat saatuun signaaliin, ja voidaanko laserkaikujen intensiteetille tehdä energiahäviöiden korjaus. Puulajien väliset erot laserkaiun intensiteetissä olivat pieniä ja vaihtelivat keilauksesta toiseen. Intensiteetin käyttömahdollisuudet alikasvoksen puulajin tulkinnassa ovat siten hyvin rajoittuneet. Energiahäviöt ylempiin latvuskerroksiin aiheuttivat alikasvoksesta saatuun lasersignaaliin kohinaa. Energiahäviöiden korjaus tehtiin alikasvoksesta saaduille laserpulssin 2. ja 3. kaiuille. Korjauksen avulla pystyttiin pienentämään kohteen sisäistä intensiteetin hajontaa ja parantamaan kohteiden luokittelutarkkuutta alikasvoskerroksessa. Käytettäessä 2. kaikuja oikeinluokitusprosentti luokituksessa maan ja yleisimmän puulajin välillä oli ennen korjausta 49,2–54,9 % ja korjauksen jälkeen 57,3–62,0 %. Vastaavat kappa-arvot olivat 0,03–0,13 ja 0,10–0,22. Tärkein energiahäviöitä selittävä tekijä oli pulssista saatujen aikaisempien kaikujen intensiteetti, mutta hieman merkitystä oli myös pulssin leikkausgeometrialla ylemmän latvuskerroksen puiden kanssa. Myös 3. kaiuilla luokitustarkkuus parani. Puulajien välillä havaittiin eroja siinä, kuinka herkästi ne tuottavat kaiun laserpulssin osuessa puuhun. Kuusi tuotti kaiun suuremmalla todennäköisyydellä kuin lehtipuut. Erityisen selvä tämä ero oli pulsseilla, joissa oli energiahäviöitä. Laserkaikujen korkeusjakaumapiirteet voivat siten olla riippuvaisia puulajista. Sensorien välillä havaittiin selviä eroja intensiteettijakaumissa, mikä vaikeuttaa eri sensoreilla hankittujen aineistojen yhdistämistä. Myös kaiun todennäköisyydet erosivat jonkin verran sensorien välillä, mikä aiheutti pieniä eroavaisuuksia kaikujen korkeusjakaumiin. Aluepohjaisista laserpiirteistä löydettiin alikasvoksen runkolukua ja keskipituutta hyvin selittäviä piirteitä, kun rajoitettiin tarkastelu yli 1 m pituisiin puihin. Piirteiden selitysvoima oli parempi runkoluvulle kuin keskipituudelle. Selitysvoima ei merkittävästi alentunut pulssitiheyden pienentyessä, mikä on hyvä asia käytännön sovelluksia ajatellen. Lehtipuun osuutta ei pystytty selittämään. Tulosten perusteella kaikulaserkeilausta voi olla mahdollista hyödyntää esimerkiksi ennakkoraivaustarpeen arvioinnissa. Sen sijaan alikasvoksen tarkempi luokittelu (esim. puulajitulkinta) voi olla vaikeaa. Kaikkein pienimpiä alikasvospuita ei pystytä havaitsemaan. Lisää tutkimuksia tarvitaan tulosten yleistämiseksi erilaisiin metsiköihin.

Monitoring Indigenous Tropical Montane Forests in the Taita Hills Using Airborne Digital Camera Imagery

The loss and degradation of forest cover is currently a globally recognised problem. The fragmentation of forests is further affecting the biodiversity and well-being of the ecosystems also in Kenya. This study focuses on two indigenous tropical montane forests in the Taita Hills in southeastern Kenya. The study is a part of the TAITA-project within the Department of Geography in the University of Helsinki. The study forests, Ngangao and Chawia, are studied by remote sensing and GIS methods. The main data includes black and white aerial photography from 1955 and true colour digital camera data from 2004. This data is used to produce aerial mosaics from the study areas. The land cover of these study areas is studied by visual interpretation, pixel-based supervised classification and object-oriented supervised classification. The change of the forest cover is studied with GIS methods using the visual interpretations from 1955 and 2004. Furthermore, the present state of the study forests is assessed with leaf area index and canopy closure parameters retrieved from hemispherical photographs as well as with additional, previously collected forest health monitoring data. The canopy parameters are also compared with textural parameters from digital aerial mosaics. This study concludes that the classification of forest areas by using true colour data is not an easy task although the digital aerial mosaics are proved to be very accurate. The best classifications are still achieved with visual interpretation methods as the accuracies of the pixel-based and object-oriented supervised classification methods are not satisfying. According to the change detection of the land cover in the study areas, the area of indigenous woodland in both forests has decreased in 1955 2004. However in Ngangao, the overall woodland area has grown mainly because of plantations of exotic species. In general, the land cover of both study areas is more fragmented in 2004 than in 1955. Although the forest area has decreased, forests seem to have a more optimistic future than before. This is due to the increasing appreciation of the forest areas.