Generation and Characterization of Knockout Mice and Analysis of Patient Material Demonstrates a Role for Tissue Inhibitor of Metalloproteinases 4 (Timp4) in the Cardiovascular System and Tumor Metastasis

This thesis focuses on tissue inhibitor of metalloproteinases 4 (TIMP4) which is the newest member of a small gene and protein family of four closely related endogenous inhibitors of extracellular matrix (ECM) degrading enzymes. Existing data on TIMP4 suggested that it exhibits a more restricted expression pattern than the other TIMPs with high expression levels in heart, brain, ovary and skeletal muscle. These observations and the fact that the ECM is of special importance to provide the cardiovascular system with structural strength combined with elasticity and distensibility, prompted the present molecular biologic investigation on TIMP4. In the first part of the study the murine Timp4 gene was cloned and characterized in detail. The structure of murine Timp4 genomic locus resembles that in other species and of the other Timps. The highest Timp4 expression was detected in heart, ovary and brain. As the expression pattern of Timp4 gives only limited information about its role in physiology and pathology, Timp4 knockout mice were generated next. The analysis of Timp4 knockout mice revealed that Timp4 deficiency has no obvious effect on the development, growth or fertility of mice. Therefore, Timp4 deficient mice were challenged using available cardiovascular models, i.e. experimental cardiac pressure overload and myocardial infarction. In the former model, Timp4 deficiency was found to be compensated by Timp2 overexpression, whereas in the myocardial infarct model, Timp4 deficiency resulted in increased mortality due to increased susceptibility for cardiac rupture. In the wound healing model, Timp4 deficiency was shown to result in transient retardation of re-epithelialization of cutaneous wounds. Melanoma tumor growth was similar in Timp4 deficient and control mice. Despite of this, lung metastasis of melanoma cells was significantly increased in Timp4 null mice. In an attempt to translate the current findings to patient material, TIMP4 expression was studied in human specimens representing different inflammatory cardiovascular pathologies, i.e. giant cell arteritis, atherosclerotic coronary arteries and heart allografts exhibiting signs of chronic rejection. The results showed that cardiovascular expression of TIMP4 is elevated particularly in areas exhibiting inflammation. The results of the present studies suggest that TIMP4 has a special role in the regulation of tissue repair processes in the heart, and also in healing wounds and metastases. Furthermore, evidence is provided suggesting the usefulness of TIMP4 as a novel systemic marker for vascular inflammation.

Terästankkien valmistusvaiheen kustannus- ja aikataulurakenteen määrittäminen

Diplomityössä tutkittiin erilaisilla loppuasennusmenetelmillä toimitettujen terästank-kien kustannus- ja aikataulurakennetta. Usein terästankit valmistetaan valmiiksi muotoon valssatuista levyistä työmaalla kasaanhitsaamalla. Tämä ei ole ainoa terästankin valmistusvaihtoehto, myös ruuvaus, niittaus, kiilaliitos ja konepajalla suuremmiksi kappaleiksi hitsaus ovat yleisesti käytössä. Terästankkien valmistuskustannuksiin vaikuttavat materiaali, esivalmisteiden työstäminen, kuljetus ja loppuasennus. Tankin valmistusmenetelmä ei merkittävästi vaikuta tankin materiaalikustannuksiin. Materiaalikustannuksiin vaikuttavat eniten käytettävä materiaali ja tankin geometriset ominaisuudet. Tankin esivalmisteiden valmistusaika määräytyy loppuasennusmenetelmästä. Pidempi esivalmistusaika lyhentää loppu-asennusaikaa. Kokonaisena toimitetussa tankissa esivalmistuksen osuus on suurempi kuin hitsatussa tankissa, mutta loppuasennusaika on vain murto-osa hitsattavan tankin loppuasennusajasta. Ruuvattavassa tankissa laippojen hitsaus levyihin lisää esivalmistusaikaa, kun rullattavassa tankissa aikaa vievät vaippalevyjen kasaanhitsaaminen ja rullaaminen. Tankin loppuasennustapa voidaan, etenkin halkaisijaltaan noin 10 m:llä tankeilla, valita kohdemaan mukaan, koska erot valmistuskustannuksissa ovat pieniä eri toimitusmuotojen välillä. Tosin kokonaisen 10 m halkaisijaltaan olevan tankin kuljettaminen ei aina ole mahdollista eikä kannattavaa. Sen sijaan halkaisijaltaan 5 m:llä tankeilla kokonaisena toimittaminen on varteenotettava vaihtoehto. Sopivin tankkivaihtoehto, kokonainen, hitsattava, ruuvattava tai rullattava, tulee miettiä aina tapauskohtaisesti, kohdemaan, hitsausosaamisen, kuljetusmahdollisuuksien ja loppuasennuspaikan mukaan.

Wind Turbine Direct-Drive Permanent-Magnet Generator with Direct Liquid Cooling for Mass Reduction

Today’s electrical machine technology allows increasing the wind turbine output power by an order of magnitude from the technology that existed only ten years ago. However, it is sometimes argued that high-power direct-drive wind turbine generators will prove to be of limited practical importance because of their relatively large size and weight. The limited space for the generator in a wind turbine application together with the growing use of wind energy pose a challenge for the design engineers who are trying to increase torque without making the generator larger. When it comes to high torque density, the limiting factor in every electrical machine is heat, and if the electrical machine parts exceed their maximum allowable continuous operating temperature, even for a short time, they can suffer permanent damage. Therefore, highly efficient thermal design or cooling methods is needed. One of the promising solutions to enhance heat transfer performances of high-power, low-speed electrical machines is the direct cooling of the windings. This doctoral dissertation proposes a rotor-surface-magnet synchronous generator with a fractional slot nonoverlapping stator winding made of hollow conductors, through which liquid coolant can be passed directly during the application of current in order to increase the convective heat transfer capabilities and reduce the generator mass. This doctoral dissertation focuses on the electromagnetic design of a liquid-cooled direct-drive permanent-magnet synchronous generator (LC DD-PMSG) for a directdrive wind turbine application. The analytical calculation of the magnetic field distribution is carried out with the ambition of fast and accurate predicting of the main dimensions of the machine and especially the thickness of the permanent magnets; the generator electromagnetic parameters as well as the design optimization. The focus is on the generator design with a fractional slot non-overlapping winding placed into open stator slots. This is an a priori selection to guarantee easy manufacturing of the LC winding. A thermal analysis of the LC DD-PMSG based on a lumped parameter thermal model takes place with the ambition of evaluating the generator thermal performance. The thermal model was adapted to take into account the uneven copper loss distribution resulting from the skin effect as well as the effect of temperature on the copper winding resistance and the thermophysical properties of the coolant. The developed lumpedparameter thermal model and the analytical calculation of the magnetic field distribution can both be integrated with the presented algorithm to optimize an LC DD-PMSG design. Based on an instrumented small prototype with liquid-cooled tooth-coils, the following targets have been achieved: experimental determination of the performance of the direct liquid cooling of the stator winding and validating the temperatures predicted by an analytical thermal model; proving the feasibility of manufacturing the liquid-cooled tooth-coil winding; moreover, demonstration of the objectives of the project to potential customers.

Lightweight, liquid-cooled, direct-drive generator for highpower wind turbines: motivation, concept, and performance

Thesis: A liquid-cooled, direct-drive, permanent-magnet, synchronous generator with helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit offers an excellent combination of attributes to reliably provide economic wind power for the coming generation of wind turbines with power ratings between 5 and 20MW. A generator based on the liquid-cooled architecture proposed here will be reliable and cost effective. Its smaller size and mass will reduce build, transport, and installation costs. Summary: Converting wind energy into electricity and transmitting it to an electrical power grid to supply consumers is a relatively new and rapidly developing method of electricity generation. In the most recent decade, the increase in wind energy’s share of overall energy production has been remarkable. Thousands of land-based and offshore wind turbines have been commissioned around the globe, and thousands more are being planned. The technologies have evolved rapidly and are continuing to evolve, and wind turbine sizes and power ratings are continually increasing. Many of the newer wind turbine designs feature drivetrains based on Direct-Drive, Permanent-Magnet, Synchronous Generators (DD-PMSGs). Being low-speed high-torque machines, the diameters of air-cooled DD-PMSGs become very large to generate higher levels of power. The largest direct-drive wind turbine generator in operation today, rated just below 8MW, is 12m in diameter and approximately 220 tonne. To generate higher powers, traditional DD-PMSGs would need to become extraordinarily large. A 15MW air-cooled direct-drive generator would be of colossal size and tremendous mass and no longer economically viable. One alternative to increasing diameter is instead to increase torque density. In a permanent magnet machine, this is best done by increasing the linear current density of the stator windings. However, greater linear current density results in more Joule heating, and the additional heat cannot be removed practically using a traditional air-cooling approach. Direct liquid cooling is more effective, and when applied directly to the stator windings, higher linear current densities can be sustained leading to substantial increases in torque density. The higher torque density, in turn, makes possible significant reductions in DD-PMSG size. Over the past five years, a multidisciplinary team of researchers has applied a holistic approach to explore the application of liquid cooling to permanent-magnet wind turbine generator design. The approach has considered wind energy markets and the economics of wind power, system reliability, electromagnetic behaviors and design, thermal design and performance, mechanical architecture and behaviors, and the performance modeling of installed wind turbines. This dissertation is based on seven publications that chronicle the work. The primary outcomes are the proposal of a novel generator architecture, a multidisciplinary set of analyses to predict the behaviors, and experimentation to demonstrate some of the key principles and validate the analyses. The proposed generator concept is a direct-drive, surface-magnet, synchronous generator with fractional-slot, duplex-helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit to accommodate liquid coolant flow. The novel liquid-cooling architecture is referred to as LC DD-PMSG. The first of the seven publications summarized in this dissertation discusses the technological and economic benefits and limitations of DD-PMSGs as applied to wind energy. The second publication addresses the long-term reliability of the proposed LC DD-PMSG design. Publication 3 examines the machine’s electromagnetic design, and Publication 4 introduces an optimization tool developed to quickly define basic machine parameters. The static and harmonic behaviors of the stator and rotor wheel structures are the subject of Publication 5. And finally, Publications 6 and 7 examine steady-state and transient thermal behaviors. There have been a number of ancillary concrete outcomes associated with the work including the following. X Intellectual Property (IP) for direct liquid cooling of stator windings via an embedded coaxial coolant conduit, IP for a lightweight wheel structure for lowspeed, high-torque electrical machinery, and IP for numerous other details of the LC DD-PMSG design X Analytical demonstrations of the equivalent reliability of the LC DD-PMSG; validated electromagnetic, thermal, structural, and dynamic prediction models; and an analytical demonstration of the superior partial load efficiency and annual energy output of an LC DD-PMSG design X A set of LC DD-PMSG design guidelines and an analytical tool to establish optimal geometries quickly and early on X Proposed 8 MW LC DD-PMSG concepts for both inner and outer rotor configurations Furthermore, three technologies introduced could be relevant across a broader spectrum of applications. 1) The cost optimization methodology developed as part of this work could be further improved to produce a simple tool to establish base geometries for various electromagnetic machine types. 2) The layered sheet-steel element construction technology used for the LC DD-PMSG stator and rotor wheel structures has potential for a wide range of applications. And finally, 3) the direct liquid-cooling technology could be beneficial in higher speed electromotive applications such as vehicular electric drives.

Synnytyksen ponnistusvaiheen hoidon käytännöt. Yhteys ensisynnyttäjän välilihan kuntoon synnytyksen jälkeen, synnytyskokemukseen, kipuun ja seksuaaliterveyteen

Hyvän syntymän hoidon tavoitteena on turvata synnyttäjän paras mahdollinen terveys, vähentää tarpeetonta puuttumista synnytyksen kulkuun ja mahdollistaa voimaannuttava synnytyskokemus perheelle. Hyvä syntymän hoito ja siihen liittyvä kätilöiden kliinisen hoitotyön osaaminen ei voi kehittyä, ellei hoitotyön käytäntöjä tutkita. Suomalaista hoitotieteellistä syntymän hoitoon liittyvää tutkimusta on vähän. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kuvata synnytyksen ponnistusvaiheen hoidon käytäntöjä Suomen synnytyssairaaloissa. Lisäksi seurantatutkimuksen avulla selvitettiin, miten ensisynnyttäjät kokivat synnytyksen ponnistusvaiheen, sen aikana saamansa hoidon, ensisynnyttäjien synnytyskokemusta, kivun kokemista, vointia kolmena päivänä synnytyksen jälkeen sekä heidän seksuaaliterveyttään ensimmäisen vuoden aikana synnytyksen jälkeen. Tutkimuksen tavoitteena oli tuottaa tietoa, jonka avulla voidaan kehittää synnytyksen ponnistusvaiheen hoitoa ja lisätä tietoa synnyttäneiden naisten voinnista ja seksuaaliterveydestä. Tutkimuksen ensimmäinen osio toteutettiin poikkileikkaustutkimuksena (2009), johon osallistui Suomen synnytyssairaaloiden synnytysosastoilla työskentelevät kätilöt (N = 662). Tutkimuksen toinen osio toteutettiin seurantatutkimuksena (2009−2011), jossa oli neljä mittausajankohtaa: kolmantena päivänä synnytyksestä sekä kolmen, kuuden ja kahdentoista kuukauden kuluttua synnytyksestä. Tähän osioon osallistui spontaanisti alateitse yhden elävän lapsen (pää tarjoutuvana) synnyttäneet ensisynnyttäjät (N = 453) ja sikiön perätilan vuoksi suunnitellusti keisarileikatut ensisynnyttäjät (N = 84). Aineisto analysoitiin tilastollisin menetelmin. Tutkimustulosten mukaan osa kätilöiden käyttämistä synnytyksen ponnistusvaiheen hoitokäytännöistä ei ole näyttöön perustuvia. Synnytyssairaalan synnytyksen hoidon kulttuuri näyttää siirtyvän mallioppimisen kautta. Ensisynnyttäjät kokivat synnytyksen ponnistusvaiheen hoidon pääsääntöisesti myönteisenä. Alateitse synnyttäneillä ensisynnyttäjillä oli myönteisempi synnytyskokemus ja vähemmän kipua heti synnytyksen jälkeen ja kolmena synnytyksen jälkeisenä päivänä verrattuna keisarileikkauksella synnyttäneisiin ensisynnyttäjiin. Alateitse synnyttäneillä ensisynnyttäjillä kipu ja ompeleet eivät vaikuttaneet haitallisesti vastasyntyneen hoitoon tai imetykseen niin paljon kuin keisarileikkauksella synnyttäneillä ensisynnyttäjillä. Välilihan leikkaus-, repeämä- tai keisarileikkaushaavat olivat täysin parantuneet suurimmalla osalla naisista kolmen kuukauden kuluttua synnytyksestä. Yleisimpiä naisten kokemia oireita ensimmäisen vuoden aikana synnytyksestä olivat emättimen kostumisen vaikeus, yhdyntäkivut, peräpukamat sekä arpikudoksen kipu ja kiristys. Sukupuolinen halukkuus ja tyytyväisyys seksielämään olivat huonompaa ensimmäisen vuoden aikana synnytyksestä verrattuna aikaan ennen raskautta ja synnytystä. Synnytyksen aikaisella hoitotyöllä ja näyttöön perustuvalla synnytyksen ponnistusvaiheen hoidolla on suuri merkitys naisen synnytyskokemukseen, synnytyksen jälkeiseen vointiin ja seksuaaliterveyteen.

Kaksoiskäämitty hybridibussin kestomagneettiajomoottori

Tämä työ on tehty Lappeenrannan teknilliselle yliopistolle, joka on suunnitellut ja toteuttanut hybridibussin. Hybridibussin ajomoottorissa käytetään kaksoiskäämitystä, joka mahdollistaa bussin ajamisen vikatilanteessa, jossa toinen käämityksistä on epäkunnossa. Työn tavoitteena on selvittää, millainen kaksoiskäämitys toimii parhaiten tämän hybridibussin kestomagneettiajomoottorissa. Työssä tutustutaan ajomoottoreihin ja niiltä vaadittaviin ominaisuuksiin sekä vikasietoisiin sähkömoottoreihin. Tutkimuksessa löydettyihin vikasietoisiin ajomoottoreihin perustuen päädyttiin neljään kaksoiskäämitysvaihtoehtoon. Näitä kaksoiskäämityksiä tutkittiin FE-analyysiä hyödyntäen. Kaksoiskäämitysten toimintaa simuloitiin nimellis- ja vikatilanteessa. Simuloinnin tuloksista selvisi, että kaksoiskäämitys, jossa jokaisessa urassa oli puolet yhtä käämitystä ja puolet toista (kaksoiskäämitys 1), ei toiminut kunnolla nimellistilanteessa eikä vikatilanteessa. Suurin ongelma oli vikatilanteessa aiheutuva suuri oikosulkuvirta. Kaksoiskäämitys, jossa kaksi napaa oli samaa käämitystä (kaksoiskäämitys 2), toimi moitteettomasti nimellistilanteessa. Vikatilanteen toiminnassa kuitenkin havaittiin epäjaksollisuutta magneettivuontiheydessä, mikä on haitallista moottorin käynnille ja vaaraksi roottorille. Kaksoiskäämityksiä, joista ensimmäisessä oli neljäsosa konetta samaa käämitystä (kaksoiskäämitys 3) ja toisessa puolet koneesta samaa käämitystä (kaksoiskäämitys 4), tutkittiin vikatilanteessa vain magneettivuontiheyden osalta. Puolet ja puolet käämityn koneen osalta magneettivuontiheys osottautui epäjaksolliseksi kuten oli odotettu. Neljäsosiksi käämityn koneen magneettivuontiheys oli säännöllisen jaksollinen. Nimellispisteessä kaksoiskäämityksillä 3 ja 4 havaittiin suuri vääntöväre verrattuna kaksoiskäämityksiin 1 ja 2. Johtopäätöksenä kaksoiskäämitys 3 vaikuttaa lupaavalta, mikäli suuri nimellispisteen vääntöväre saadaan hallintaan käyttämällä uravinoutta staattorissa.