The Possibilities and Dosimetric Limitations of MLC-Based Intensity-Modulated Radiotherapy Delivery and Optimization Techniques

The use of intensity-modulated radiotherapy (IMRT) has increased extensively in the modern radiotherapy (RT) treatments over the past two decades. Radiation dose distributions can be delivered with higher conformality with IMRT when compared to the conventional 3D-conformal radiotherapy (3D-CRT). Higher conformality and target coverage increases the probability of tumour control and decreases the normal tissue complications. The primary goal of this work is to improve and evaluate the accuracy, efficiency and delivery techniques of RT treatments by using IMRT. This study evaluated the dosimetric limitations and possibilities of IMRT in small (treatments of head-and-neck, prostate and lung cancer) and large volumes (primitive neuroectodermal tumours). The dose coverage of target volumes and the sparing of critical organs were increased with IMRT when compared to 3D-CRT. The developed split field IMRT technique was found to be safe and accurate method in craniospinal irradiations. By using IMRT in simultaneous integrated boosting of biologically defined target volumes of localized prostate cancer high doses were achievable with only small increase in the treatment complexity. Biological plan optimization increased the probability of uncomplicated control on average by 28% when compared to standard IMRT delivery. Unfortunately IMRT carries also some drawbacks. In IMRT the beam modulation is realized by splitting a large radiation field to small apertures. The smaller the beam apertures are the larger the rebuild-up and rebuild-down effects are at the tissue interfaces. The limitations to use IMRT with small apertures in the treatments of small lung tumours were investigated with dosimetric film measurements. The results confirmed that the peripheral doses of the small lung tumours were decreased as the effective field size was decreased. The studied calculation algorithms were not able to model the dose deficiency of the tumours accurately. The use of small sliding window apertures of 2 mm and 4 mm decreased the tumour peripheral dose by 6% when compared to 3D-CRT treatment plan. A direct aperture based optimization (DABO) technique was examined as a solution to decrease the treatment complexity. The DABO IMRT technique was able to achieve treatment plans equivalent with the conventional IMRT fluence based optimization techniques in the concave head-and-neck target volumes. With DABO the effective field sizes were increased and the number of MUs was reduced with a factor of two. The optimality of a treatment plan and the therapeutic ratio can be further enhanced by using dose painting based on regional radiosensitivities imaged with functional imaging methods.

Hypoxia-associated biomarkers in rectal cancer treated by preoperative radiotherapy or chemoradiotherapy

Hypoksiaan liittyvät biologiset merkkiaineet leikkausta edeltävällä sädehoidolla tai kemosädehoidolla hoidetussa peräsuolisyövässä Peräsuolensyöpä on yleinen pahanlaatuinen kasvain. Leikkausta edeltävä sädehoito annetaan yleensä T3-T4-kasvaimille. Tutkimuksella pyrittiin selvittämään, voidaanko kasvaimen hapenpuutteeseen liittyvillä biologisilla merkkiaineilla arvioida peräsuolisyövän ennustetta leikkausta edeltävän sädehoidon tai kemosädehoidon jälkeen. Tällaisia merkkiaineita ovat hapenpuutteen vaikutuksesta aktivoituva HIF-1alfa hiilihappoanhydraasi IX (CA IX), sokerin kuljetukseen solussa osallistuva GLUT-1 sekä solun tukirankaproteiini ezrin. Tutkimukseen otettiin 178 potilasta, jotka olivat saaneet ennen leikkausta lyhyen (n=77) tai pitkän sädehoidon (n=10), pitkän sädehoidon ja solunsalpaajahoidon (n=37) tai ei mitään hoitoa (n=54). Lisäksi osalta leikkausta edeltävää sädehoitoa saaneelta potilaalta tutkittiin hoitoja edeltävät, diagnostiset näytteet (n=80). Tutkimuksessa käytettiin immunehistokemiallisia värjäysmenetelmiä. Kasvaimen regressiota (TRG) arvioitiin pitkän sädehoidon jälkeisistä näytteistä. Leikkausnäytteissä negatiivinen/heikko CA IX intensiteetti liittyi sekä pidempään tautispesifiseen (p=0.034) että tautivapaaseen elinaikaan (p=0.003) ja pitkän sädehoidon jälkeen HIF-1alfa-negatiivisuus pidempään tautispesifiseen (p=0.001) sekä negatiivinen/heikko GLUT-1 pidempään tautivapaaseen elinaikaan (p=0.066). Voimakas ezrin-ilmentymä diagnostisissa näytteissä liittyi lyhyempään tautivapaaseen ja tautispesifiseen (p=0.027 ja p=0.002) ennusteeseen. Monimuuttuja-analyysissä vahva CA IX intensiteetti leikkausnäytteissä ennusti itsenäisesti huonompaa tautivapaata ja tautispesifistä selviytymistä. Erinomainen TRG liittyi negatiiviseen/heikkoon CA IX- (p=0.057), ezrin- (p=0.012) ja GLUT-1 -ilmentymään (p=0.013) leikkausnäytteissä. Kun kaikki neljä merkkiainetta analysoitiin yhdessä monimuuttuja-analyysissä, CA IX intensiteetti leikkausnäytteissä ennusti itsenäisesti tautispesifistä elinaikaa. Voimakas CA IX-ilmentymä leikkausnäytteissä ja positiivinen HIF-1alfa- ja vahva GLUT-1-ilmentymä pitkän sädehoidon jälkeisissä leikkausnäytteissä sekä vahva ezrin-ilmentymä diagnostisissa näytteissä liittyivät epäsuotuisaan ennusteeseen. Monimuuttujaanalyysissä kohtalainen/voimakas CA IX intensiteetti leikkausnäytteissä ennusti itsenäisesti huonompaa tautivapaata ja tautispesifistä elinaikaa. CA IX on vahva biologinen merkkiaine peräsuolisyövässä.

Stress intensity factor of wood from crack-tip displacement fields obtained from digital image processing

Abstract

Thinning intensity and growth of mixed spruce-birch stands on drained peatlands in Finland

Abstract

Timing and intensity of precommercial thinning and their effects on the first commercial thinning in Scots pine stands

Abstract

Mobile robot localization using sonar ranging and wlan intensity maps

 Main goal of this thesis was to implement a localization system which uses sonars and WLAN intensity maps to localize an indoor mobile robot. A probabilistic localization method, Monte Carlo Localization is used in localization. Also the theory behind probabilistic localization is explained. Two main problems in mobile robotics, path tracking and global localization, are solved in this thesis. Implemented system can achieve acceptable performance in path tracking. Global localization using WLAN received signal strength information is shown to provide good results, which can be used to localize the robot accurately, but also some bad results, which are no use when trying to localize the robot to the correct place. Main goal of solving ambiguity in office like environment is achieved in many test cases.

Ion modulated organic transistors

I likhet med vanliga plaster är de π-konjugerade polymererna flexibla, lösliga och processbara vid låga temperaturer (< 150 ºC). Därutöver har de egenskapen att leda ström. Konduktivitetsintervallet är brett och omfattar nästintill metallisk ledningsförmåga å ena sidan, via halvledarkonduktiva till isolerande å andra sidan. Polymererna utgörs av regelbundna kedjor av kolatomer och associeras sålunda till organiska material. Sedan de första vetenskapliga rapporterna publicerades vid slutet av 1970-talet har π-konjugerade polymerer använts och utvecklats i exempelvis solceller, dioder, lysdioder och transistorer. Nobelpriset i kemi tilldelades år 2000 åt Hideki Shirakawa, Alan J. Heeger och Alan G. MacDiarmid för upptäckten och utvecklandet av ledande polymerer. I min avhandling har jag arbetat med att utveckla och förstå lågspännings jonmodulerade organiska transistorer. Två typer av jonmodulerade organiska transistorer studeras: (1) den jonmodulerade organiska fälteffekt transistorn (jonmodulerade OFETen), som utgör den centrala transistorn i avhandlingen, samt (2) den elektrokemiska transistorn. Den första typen fungerar som en konventionell OFET. Strömmen i halvledaren moduleras av det elektriska fältet över isolatorn. Med användandet av en elektrolyt ”isolator” orsakar polariseringen av jonerna däremot ett högt elektriskt fält vid elektrolyt/halvledargränssnittet och man åstadkommer modulering av strömmen redan vid några volts drivspänningar. I den andra typen utnyttjas elektrokemi för att medelst reduktion/oxidation modulera strömmen i den π-konjugerade polymeren. Ett viktigt ändamål i avhandlingen har också varit att kunna tillverka transistorerna med masstillverkningsmetoder. I avhandlingen presenteras de jonmodulerade organiska transistorernas möjlighet att framställas med masstillverkningsmetoder. Nya koncept introduceras och svagheter identifieras. Skillnaderna mellan OFETen, jonmodulerade OFETen och den elektrokemiska transistorn klargörs. Arbetet skall däremot inte anses fullbordat utan forskningen fortgår för att kringgå svagheterna, öka på transistorernas stabilitet och framförallt tillämpa dem i innovativa applikationer.

Quality of radiotherapy care by development of e-feedback knowledge

The aim of this three phase study was to develop quality of radiotherapy care by the e-Feedback knowledge of radiotherapy -intervention (e-Re-Know). In Phase I, the purpose was to describe the quality of radiotherapy care and its deficits experienced by cancer patients. Based on the deficits in patient education in Phase II, the purpose was to describe cancer patients’ e-knowledge expectations in radiotherapy. In Phase III, the purpose was to develop and evaluate the outcomes of the e-Re-Know among breast cancer patients. The ultimate aim was to develop radiotherapy care to support patients’ empowerment with patient e-education. In Phase I (2004-2005), the descriptive design was used, and 134 radiotherapy patients evaluated their experiences by Good Nursing Care Scale for Patients (GNCS-P) in the middle of RT period. In Phase II (2006-2008), the descriptive longitudinal design was used and 100 radiotherapy patients’ e-knowledge expectations of RT were evaluated using open-ended questionnaire developed for this study before commencing first RT, in the middle of the treatment, and concluding RT period. In Phase III, firstly (2009-2010), the e-Re-Know intervention, i.e. knowledge test and feedback, was developed in terms of empowering knowledge and implemented with e-feedback approach based on literature and expert reviews. Secondly (2011-2014), the randomized controlled study was used to evaluate the e-Re-Know. Breast cancer patients randomized to either the intervention group (n=65) receiving the e-Re-Know by e-mail before commencing first RT and standard education or the control group (n=63) receiving standard education. The data were collected before commencing first RT, concluding last RT and 3 months after last RT using RT Knowledge Test, Spielberger’s State Trait Inventory (STAI) and Functional Assessment of Cancer Therapy - Breast (FACT-B) –instruments. Data were analyzed using statistical methods and content analysis. The study showed radiotherapy patients experienced quality of care high. However, there were deficits in patient education. Furthermore, radiotherapy patients’ multidimensional e-knowledge expectations through Internet covered mainly bio-physiological and functional knowledge. Thus, the e-Re-Know was developed and evaluated. The study showed when breast cancer patients’ carried out the e-Re-Know their knowledge of side effects self-care was significantly increased and quality of life (QOL) significantly improved in line with decrease in anxiety from time before radiotherapy period to three months after. In addition, the e-Re-Know has potential to have positive effects on anxiety and QOL, regardless of patient characteristics or knowledge level. The results support the theory of empowering patient education suggesting that empowerment can be supported by confirming patients’ understanding of own knowledge level. In summary, the e-Feedback knowledge of radiotherapy (e-Re-Know) intervention can be recommended in development of quality of radiotherapy care experienced by breast cancer patients. Further research is needed to assess and develop patient-centred quality of care by patient education among cancer patients.

Paper- and membrane-based ion-modulated electronics

Avhandlingen handlar om pappers- och membranbaserad jonmodulerad elektronik. Målet med forskningen har varit att utveckla billig, miljövänlig och brännbar elektronik, som kan användas i vardagliga engångsprodukter. Baskomponenterna som utvecklas och presenteras i avhandlingen är transistorer och kondensatorer. Mer komplicerad logisk kretselektronik demonstreras också med hjälp av dessa komponenter. Substraten som utnyttjas vid framställningen av dessa elektroniska komponenter är papper och membran. Dessa substrat är flexibla, hållbara, billiga, miljövänliga, etc. och därför väl anpassade för befintliga tryckteknologier. Själva baskomponenterna framställs sedan på dessa substrat genom att trycka flera skikt på varandra, där varje enskilt skikt är ett individuellt material. Detta är möjligt eftersom de organiska materialen som används i dessa komponenter är upplösta i ett lösningsmedel och kan därmed tryckas på samma sätt som ett vanligt bläck. Ett tredimensionellt objekt kan på detta sätt framställas. I avhandlingen presenteras flera olika typer av transistorer, men den gemensamma nämnaren bland dessa är att isolatorn är en jonledare. Denna, ganska ovanliga, transistormodellen har den stora fördelen att lågspänningskomponenter kan relativt enkelt framställas. Det som är speciellt med våra transistorer är att vi har använt miljövänliga jonledare. Detta, bl.a., leder till att våra komponenter visar både god prestanda, tillika som de är miljövänliga. I avhandlingen demonstrerar vi även tryckta superkondensatorer, en motsvarighet till laddningsbara batterier, konstruerade på papper med aktiverat kol och miljövänliga jonledare. De mest komplicerade logiska kretsar som demonstreras i denna avhandling är ring-oscillatorer och 1-bits-minnen konstruerade på papper. --------------------------------------------- Väitöskirja käsittelee paperille ja polymeerikalvolle tulostettua ionimoduloitua elektroniikkaa. Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää edullista, ympäristöystävällistä ja polttokelpoista elektroniikkaa, jota voidaan käyttää esim. tavanomaisissa kertakäyttötuotteissa. Väitöskirjassa esitellään erilaisia transistoreita ja kondensaattoreita. Näitä elektronisia peruskomponentteja käyttäen demonstroidaan myös monimutkaisempia loogisia piirejä. Komponenttien valmistuksessa alustana käytettiin paperia ja polymeerikalvoa. Valitut alustat ovat joustavia ja kestäviä, ja ovat siksi hyvin yhteensopivia olemassa olevien tulostusmenetelmien kanssa. Peruskomponentit valmistettiin tulostamalla eri materiaaleja päällekkäin. Komponenteissa käytettävät orgaaniset aineet ovat liuenneessa muodossa musteessa, joka voidaan tulostaa samalla periaatteella kuin mikä tahansa normaali muste. Tällä menetelmällä voidaan valmistaa myös kolmiulotteisia tuotteita. Väitöskirjassa esitellään useita erityyppisiä transistoreita, joissa yhdistävänä tekijänä on ionisesti johtava eriste. Tällaista suhteellisen harvinaista transistorityyppiä käyttämällä voidaan mahdollistaa matala-jännitteisten komponenttien yksinkertainen valmistus. Valmistettujen transistoreiden etu on ionisten nesteiden ympäristöystävällisyys. Elektroniset komponentit ovat täten hyviä suorituskyvyltään, mutteivät haitallisia ympäristölle. Väitöskirjassa demonstroidaan myös tulostettujen superkondensaattoreiden, eli ladattavien paristojen vastineiden, valmistus paperille aktiivihiiltä ja ionisia nesteitä käyttäen. Kaikkein monimutkaisimmat loogiset piirit, jotka tässä väitöskirjassa esitellään, ovat rengasoskillaattorit sekä 1-bittinen paperille valmistettu muisti.