Mathematical modeling of level of anaesthesia from EEG measurements

Problem of modeling of anaesthesia depth level is studied in this Master Thesis. It applies analysis of EEG signals with nonlinear dynamics theory and further classification of obtained values. The main stages of this study are the following: data preprocessing; calculation of optimal embedding parameters for phase space reconstruction; obtaining reconstructed phase portraits of each EEG signal; formation of the feature set to characterise obtained phase portraits; classification of four different anaesthesia levels basing on previously estimated features. Classification was performed with: Linear and quadratic Discriminant Analysis, k Nearest Neighbours method and online clustering. In addition, this work provides overview of existing approaches to anaesthesia depth monitoring, description of basic concepts of nonlinear dynamics theory used in this Master Thesis and comparative analysis of several different classification methods.

A simulation model of the optimal maintenance strategy: conceptual agent-based approach

In this Master’s thesis agent-based modeling has been used to analyze maintenance strategy related phenomena. The main research question that has been answered was: what does the agent-based model made for this study tell us about how different maintenance strategy decisions affect profitability of equipment owners and maintenance service providers? Thus, the main outcome of this study is an analysis of how profitability can be increased in industrial maintenance context. To answer that question, first, a literature review of maintenance strategy, agent-based modeling and maintenance modeling and optimization was conducted. This review provided the basis for making the agent-based model. Making the model followed a standard simulation modeling procedure. With the simulation results from the agent-based model the research question was answered. Specifically, the results of the modeling and this study are: (1) optimizing the point in which a machine is maintained increases profitability for the owner of the machine and also the maintainer with certain conditions; (2) time-based pricing of maintenance services leads to a zero-sum game between the parties; (3) value-based pricing of maintenance services leads to a win-win game between the parties, if the owners of the machines share a substantial amount of their value to the maintainers; and (4) error in machine condition measurement is a critical parameter to optimizing maintenance strategy, and there is real systemic value in having more accurate machine condition measurement systems.

Towards optimal fractionation of lignocellulosic biomass using switchable ionic liquids

En ny familj av reversibla (switchable) joniska vätskor (SIL) innehållande 1,8-diazobicyklo-[5.4.0]-undek-7-en (DBU), en molekyl innehållande en eller flera hydroxyl- grupper (t.ex. glycerol) och en sur gas (CO2, SO2) syntetiserades via en enkel procedur samt karakteriserades. [DBU][karbonat] eller [sulfonat] bildades ur en respektive icke-jonisk blandning av en molekylär, organisk polyol (eller ennan molekyl innehållande en OH-grupp) och en amidinbas under bubblandet av en sur gas. Därtill kunde den joniska vätskan omvandlas tillbaka till sina beståndsdelar med hjälp av att upphetta och/eller bubbla en inert gas såsom kväve genom vätskan. SIL- strukturerna kartlades med bl.a. NMR- och FTIR- spektroskopi. Omvandlingen från lågpolära (molekylära) vätskor till högpolära joniska vätskor (SIL) bekräftades även genom att observera förändringar i deras fysikaliska egenskaper, såsom viskositet och färg. Nedbrytningstemperaturerna hos SILs bestämdes med hjälp av termogravimetrisk analys (TGA) som antydde att nedbrytningstemperaturen hos de syntetiserade föreningarna log mellan 50 och 200oC. De nya joniska vätskorna uppvisade högre nedbrytningstemperaturer jämfört med i litteraturen tidigare förekommande exempel och kunde därför tillämpas på flera ändamål. Därtill, reversibla (switchable) joniska vätskor uppbyggda av bl.a. alkoholer, antingen hexanol eller butanol, och CO2 samt en amidin (DBU) användes vid upplösning och fraktionering av ved. Joniska vätskor syntetiserade ur glycerol och sura gaser tillsammans med amidiner användes även för fraktionering av andra lignocellulosor såsom färsk björk (Betula pendula). Björkflis utsattes för behandling, för en period på en till fem dagar vid 100oC och under atmosfäriskt tryck. Alla syntetiserade joniska vätskor visade sig vara relativt neutrala i avseende på upplösning och avlägsnandet av lignin. Slutligen, optimala fraktioneringprocessbetingelser för ved med reversibla joniska vätskor kartlades. Fraktionering av vedbiomassa med dessa joniska vätskor uppvisade sig att vara en selektiv och effektiv metod för extraktion av olika komponenter från lignocellulosa. Den olösta fraktionen hos en vedflis, närmast cellulosa, fibrillerades. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Tässä työssä kehitettiin perhe uuden tyyppisiä, reversiibeleitä (switchable) ioninesteitä ( SIL ) joka koostuvat orgaanisesta super-emäksestä kuten 1,8- diatsabisyklo [ 5.4.0] undek- 7-eeni (DBU ) ja yhden tai useampia hydroksyyliryhmiä sisältältävästä molekyylistä (esim. glyseroli) ja happamasta kaasusta (CO2 , SO2) yksinkertaisen menetelmän avulla. [DBU] [ karbonaatti] tai [sulfonaatti] syntetisoitiin kunkin lähtöaineen seoksista kuplittamalla seosta happamalla kaasulla jolloin eksoterminen reaktio tapahtui ja ioninen neste syntyi. Ioniset nesteet voitiin palauttaa takaisin lähtöaineseokseksi kuumentamalla ja/tai kuplittamalla neutraalia kaasua (esim. typpi) seoksen läpi. SIL rakenteet määritettiin ja niiden ominaisuudet kartoitettiin eri menetelmillä, mukaan lukien NMR- ja FTIR -spektroskopia. Ionisen, korkeapoläärisen nesteen syntyminen todennettiin myös viskositeettimittauksilla ja värinmuutoksilla käyttäen hyväksi polariteetti-indikaattoria (Nile red). Myös hajoamislämpötilat määritettiin termogravimetrisellä analyysillä (TGA) ja todettiin että syntetisoitujen yhdisteiden hajoamislämpötila oli välillä 50 ja 200oC . Näiden uusien reversiibeleiden ioninesteiden hajoamisämpötilat olivat korkeammat verrattuna kirjallisuudessa aikaisemmin mainittuihin esimerkkeihin joten niitä voidaan soveltaa useisiin tarkoituksiin. Myös ioninesteitä jotka sisälsivät primäärejä alkoholeja rakennusaineina syntetisoitiin ja hyödynnettiin puun fraktioinnissa. Männyn ja kuusen lisäksi tuoreita koivulastuja onnistuttiin fraktioimaan miedoissa olosuhteissa. Kaikkien syntetisoitujen ioninesteiden todettiin olevan suhteellisen neutraaleja ligniinin liuotuksen suhteen. Vielä, optimaaliset fraktiointiolosuhteet määritettiin ryhmälle reversiibeleitä ioninesteitä ja näiden uudenlaisten ioninesteiden todettiin olevan tehokkaita puun ja muiden lignoselluloosien eri fraktioiden liuotuksessa. Liukenematon osa puulastua joka oli lähinnä selluloosaa fibrilloitui.

Excessive functions, Appell polynomials and optimal stopping

The main topic of the thesis is optimal stopping. This is treated in two research articles. In the first article we introduce a new approach to optimal stopping of general strong Markov processes. The approach is based on the representation of excessive functions as expected suprema. We present a variety of examples, in particular, the Novikov-Shiryaev problem for Lévy processes. In the second article on optimal stopping we focus on differentiability of excessive functions of diffusions and apply these results to study the validity of the principle of smooth fit. As an example we discuss optimal stopping of sticky Brownian motion. The third research article offers a survey like discussion on Appell polynomials. The crucial role of Appell polynomials in optimal stopping of Lévy processes was noticed by Novikov and Shiryaev. They described the optimal rule in a large class of problems via these polynomials. We exploit the probabilistic approach to Appell polynomials and show that many classical results are obtained with ease in this framework. In the fourth article we derive a new relationship between the generalized Bernoulli polynomials and the generalized Euler polynomials.

Heart rate variability in young adults - Reference values and associations with cardiometabolic risk factors and vascular properties. The Cardiovascular Risk in Young Finns Study.

Background: The function of the autonomic nervous system (ANS) can be evaluated with heart rate variability (HRV). Decreased HRV is associated with aging, the male sex, increased heart rate, and overall increased cardiometabolic risk. It has been hypothesized that early atherosclerotic vascular changes and ANS function are related. Aims: The aims were to assess reference values on HRV in young adults, and examine associations with HRV and cardiometabolic risk factors and metabolic syndrome (MetS) and to study relations between HRV and ultrasonographically measured vascular properties. Participants and methods: The present thesis is part of the Cardiovascular Risk in Young Finns Study. The thesis is based on the follow-up study in 2001, when the study individuals were 24-39 years of age. HRV data were available on 1 956 individuals. Results: HRV was inversely associated with age and heart rate (for all p<0.001). Highfrequency HRV (HF) was higher, and low-frequency HRV (LF) lower in women than men (p<0.0001 for both). MetS was associated with 11% decreased HF and 12% increased LF/HF-ratio in women, and 8% decreased HF and 4% increased LF/HF-ratio in men. Carotid artery distensibility was independently associated with HF and total HRV (for both p<0.05). Conclusions: The reference values in young adults were generated. Decreased HRV was associated with age, the male sex and increased heart rate. Women had higher HF and lower LF variability than men. MetS was related to decrease in HRV. The observed associations between carotid elasticity and HRV, supports the hypothesis that reduction in carotid elasticity may lead to decrease in autonomic cardiac control.

Tulevaisuuden työkonepuomin globaali optimointi -esiselvitys

Monitavoiteoptimointia käytetään laajasti auto- ja lentokoneteollisuudessa suunnittelun apu-välineenä, mutta muuten sen käyttö ei ole vielä yleistynyt laajemmin. Tässä työssä on tarkoi-tus tehdä laaja esiselvitys monitavoiteoptimoinnista ja sen hyödyntämisestä työkonepuomien suunnittelun apuvälineenä. Työ tehtiin yhteistyössä Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja projektiin osallistuvien FIMA ry:n jäsenten kanssa. Tulosten ja johtopäätösten perusteella tutkimusta tullaan mahdollisesti jatkamaan Tampereen teknillisen yliopiston tohtorikoulussa. Työssä selvitettiin mitä monitavoiteoptimoinnilla tarkoitetaan ja esitellään sen etenemisvai-heet. Lisäksi työssä esitellään lyhyesti kuusi monitavoiteoptimointiohjelmistoa pääominai-suuksineen sekä selvitetään ohjelmistolisenssien hintoja. Työssä optimointiin perehdyttiin teleskooppipuomin jatkoksen case -tutkimuksen avulla. Ni-velpuomit ja nivel- ja teleskooppipuomien yhdistelmät rajattiin työn ulkopuolelle. Työssä muodostettiin teleskooppipuomin jatkoksen poikkileikkauksen optimointityökalu. Sen avulla voidaan laskea luotettavasti optimit mitat painon suhteen niin, että lommahdusrajoitteet, tai-vutusvastus sekä taipuma otetaan huomioon ja samalla voitiin arvioida optimointiprosessin etuja ja haittoja. Optimoinnin tuloksia voidaan käyttää edelleen monitavoiteoptimoinnin lähtö-arvoina. Optimointi tehtiin Matlabin avulla ja tulokset verifioitiin AGIFAP -elementtimenetelmäohjelmistolla. Optimoituja tuloksia tutkittiin edelleen Femap -elementtimenetelmäohjelmistolla, jolla haettiin vuorovaikutussuhteita monitavoiteoptimoinnin tueksi. FE -analyysien avulla muodostettiin kaksi apuohjelmaa optimoinnin tueksi. Työssä havaittiin, että teleskooppipuomin jatkoksen optimointi vaatii FE -analyysiohjelmiston rinnalleen, jotta voidaan varmistua rakenteen kestävyydestä ja optimoida väsymiskestävyyt-tä. Liukupalojen vaikutus teleskooppipuomin käytökseen sekä väsymiskestävyyden optimoin-ti vaatii jatkotutkimusta.

Ampumaratojen kunnostustarpeen selvittäminen

Suomessa arvioidaan olevan kaikkiaan 2000 - 2500 ampumarataa joista aktiivisessa käytössä on noin 1000 kpl. Useimmat ulkoradat on perustettu paljon ennen nykyisten ympäristölakien voimaantuloa. Tästä syystä ammunnan ympäristövaikutukset melua lukuun ottamatta, eivät varmaan ole olleet tarkasteltavien asioiden listan kärjessä ampumaratoja suunniteltaessa. Sopivan maa alueen saatavuus sopivalla paikalla rakennuskustannusten minimoimiseksi on täytynyt olla yksi tärkeimmistä kriteereistä. Joissakin tapauksissa tämä valitettavasti on johtanut siihen, että ratojen paikoiksi on valittu sellaisia, mitä tämän päivän tietämyksellä ei suositeltaisi, kuten esimerkiksi pohjaveden muodostumisalueet. Ampumaratojen, etenkin haulikkoratojen, on todettu aiheuttaneen paikallisesti varsin laajaa maaperän pilaantumista. Toiminnan jatkuessa, runsaasti raskasmetalleja kertyy maahan ja taustapenkkoihin josta se rapautuu ja kulkeutuu alueelta pohjavesiin. Pohjaveden mukana haitta-aineet saattavat kulkeutua vedenpuhdistamoihin muodostaen riskiä paikallisasukkaiden terveydelle sekä jossain määrin alueen kasvillisuudelle ja faunalle. Vuoden 2007 valtioneuvoston PIMA-asetus muutti joitakin ohje-arvoja, joten näitä uusia arvoja on otettavaa huomioon niin riskiarvioinnissa kuin alueen käyttömahdollisuuksien kannalta tulevaisuudessa. Asetuksen voimaantulo edellyttää tapauskohtaisten riskiarviointien tekemistä ampumarata-alueiden kunnostuksen yhteydessä jolloin saavutetaan mahdollisemman tehokasta hyöty-kustannustasoa. Tutkimuksen tarkoituksena on kartoittaa uuden asetuksen mukaisesti ampumaratojen muodostamaa riskiä sekä rajata kunnostettavat alueet ja valita sopivammat kunnostusvaihtoehdot. Esimerkkitapauksina käytetään Kokkolan kaupungin alueella sijaitsevaa ampumarata-aluetta.

Functional, Social and Emotional Values as Determinants of Environmentally Responsible Media Consumption

The primary purpose of this research is to develop an enhanced understanding of how consumption values influence environmentally responsible consumption of print and digital media. Theoretical elaboration considers the associations of functional, social and emotional consumption values, green consumer segmentation and media consumption. Additionally, the purpose is to identify consumer perceptions of print and digital media’s environmental responsibility. Empirical analysis was based on qualitative interviews with a sample of 20 Finnish consumers categorized in two segments: young adults and middle aged consumers. Primary data collection was conducted through individual, semi-structured interviews. To analyze the respondents’ approach on the topic, the interviews disclosed themes of media consumption, perceived environmental friendliness of media, norms of behavior and consumers’ general consumption patterns. The results implicate functional value dominated the consumption decision-making process both in a general level and in media consumption. In addition to functional value, environmental responsibility does provide consumers with both emotional and social values. Analysis on perceived environmental responsibility of media demonstrated consumers generally perceive digital media as an environmentally responsible alternative because it does not create physical paper waste. Nevertheless, the perceptions of environmental responsibility and media consumption patterns lacked a consistent connection. Though, both theory and empirical results indicated an average consumer lacks a comprehensive understanding of digital and print media’s life-cycle and hence their environmental advantages and disadvantages.

Ravinnepitoisen teollisen jäteveden tuotteistaminen

Tässä työssä selvitettiin ravinnepitoisen jäteveden väkevöintiä erityisesti ammoniumtypen ja orgaanisten happojen osalta. Konsentrointiin käytettiin pääasiassa käänteisosmoosia sekä haihdutusta, mutta myös nanosuodatusta tutkittiin. Jätevesi oli Honkajoki Oy:n lauhdevettä. Kirjallisuusosassa esiteltiin Honkajoki Oy:n toimintaa, membraanierotus-prosesseja, lihantuotannossa syntyvän jätteen ominaisuuksia sekä sen puhdistamista. Keskeisimmät suodatukset tehtiin DOW FILMTEC SW30HR -membraanilla, ja käytetty laitteisto oli DSS LabStak M20. Suodatuksia tehtiin eri pH-olosuhteissa typen ja orgaanisten happojen erottumisen kannalta optimaalisten olosuhteiden löytämiseksi. Lisäksi tutkittiin, kuinka puhtaaksi permeaatti voidaan saada uudelleensuodatuksen avulla. Työssä käytettiin myös haihdutusta lauhteen väkevöintiin. Ammoniumtypen konsentroituminen suodatuksissa oli tehokkainta pH:n ollessa 7 tai sen alle. Kaksivaiheisella suodatuksella permeaatin laatu alitti selvästi Karvianjokeen laskettaville jätevesille asetetut laatu- ja kuormitusrajat. Yhdistämällä suodatus- ja haihdutusprosessit, pystyttiin valmistamaan liuosta, jonka ammoniumtyppipitoisuus oli noin 7,6 %. Tuolloin suodatus tehtiin pH 7:ssä ja haihdutus pH 3:ssa rotavaporilla 26 mbar paineessa ja 50 °C lämpötilassa. Syöttöliuoksen tilavuuden alenema oli noin 65-kertainen. Haihdutuksessa muodostuneessa lauhteessa oli paljon orgaanisia happoja ja käytännössä ei lainkaan ammoniumtyppeä. Tuotejakeita saatiin siten kaksi kappaletta: ammoniumtyppijae ja orgaanisia happoja sisältävä jae.

Tasoseulan parametrien kokeellinen optimointi ja simulointimallin verifiointi

Tämä kandidaatintyö tarkastelee rakeisen materiaalin seulontaan liittyviä käsitteitä ja laitteita, etsii optimaalisia parametreja seulonnan erotustehokkuudelle laboratorio-olosuhteissa sekä verifioi aikaisempien tutkimuksien simulointimallia. Mittauksessa seulottiin erikokoisia lasipalloja. Mittausten muuttuvia parametreja olivat seulatason värähtelyn taajuus, kaltevuus ja syöttömassa. Värähtely edistää partikkelien kerrostumista, kaltevuus lisää partikkelien vierintänopeutta ja syöttömassan lisääminen tarkoittaa suurempaa kapasiteettia. Mittausten perusteella värähtelyn ja kaltevuuden lisääminen parantaa erotustehokkuutta. Sen sijaan liiallinen kaltevuuden ja syöttömassan lisääminen heikentää erotustehokkuutta. Seulonnan erotustehokkuudet määritettiin alitteiden kokonaismassan perusteella. Tässä työssä kokeellisesti määritettyjä erotustehokkuuden arvoja verrattiin Rotich et al. [2013, 2014] kehittämän seulan simulointimallin tuloksiin. Malli simuloi seulan erotustehokkuutta eri seulan parametreilla ja mallin antamat simulointitulokset noudattivat hyvin tässä työssä saatuja kokeellisia mittaustuloksia.

Kartongin fysikaalisten ominaisuuksien vaikutus muovautuvuuteen

Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jolla voitaisiin arvioida veto-ominaisuuksien avulla konvertointikoneen prässäysnopeuden ja muottien lämpötilan vaikutuksia kartongin muovautuvuuteen. Kirjallisuusosassa käsiteltiin kartongin muovautuvuuteen vaikuttavia ominaisuuksia sekä vetolujuuteen vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi käsiteltiin kosteuden vaikutusta muovautuvuuteen sekä esiteltiin vuokakonvertointiprosessin periaate ja muovin sekä kartongin käyttäytymisen erot konvertointiprosessissa. Kokeellinen osa jakaantui kolmeen osaan. Esikokeissa tutkittiin laboratoriomittauksilla vetonopeuden ja kosteuden muutosten vaikutusta erilaisten kaupallisten kartonkimateriaalien vetolujuuteen ja murtovenymään. Tulosten perusteella valittiin prässäysnopeudet ja kosteustaso 2D- testauslaitteella suoritettuihin esi-pilot-mittakaavan kokeisiin sekä varsinaiseen pilot-koeajoon. Pilot-koeajossa pyrittiin arvioimaan prässäysnopeuden ja muottien lämpötilan vaikutuksia muovautuvuuteen vetolujuusarvojen avulla. Prässäysnopeudella ja vetolujuuslaitteen nopeudella ei havaittu yhteneväisyyksiä, jotta voitaisiin arvioida kartongin muovautuvuutta. Muovautuvuutta voidaan kuitenkin arvioida epäonnistuneisuusluvulla, jonka laskentapa kehitettiin työn aikana. Epäonnistuneisuusluku kuvaa hyvin kartongin muovautuvuutta ja on menetelmänä helppo, mutta sen heikkoutena on repeämien mittaamisen aiheuttama epätarkkuus. Esikokeissa havaittiin myös muovipäällysteiden veto-ominaisuuksien vastaavan kartongin ominaisuuksia 65 %:n suhteellisessa kosteudessa, jonka valittiin siten olevan optimaalinen olosuhde pilot-mittakaavan koeajoihin.