Tekoäly tuo apua hammashoitoon ja leukakirurgiaan

Suomessa kehitetty syväoppimiseen perustuva malli paikantaa tarkasti ja nopeasti alaleuan hermokanavan. Sen käyttö säästää radiologien ja hammaslääkärien päivittäistä työaikaa.

Hammasimplanttia asentavan hammaslääkärin on tiedettävä potilaan alaleuan hermokanavan tarkka sijainti, jotta hän voi suunnitella implantin koon ja asennon sekä koko toimenpiteen. Tähän tarvitaan röntgenkuvia, joista hammaslääkäri tai radiologi määrittää kanavan sijainnin manuaalisesti piste pisteeltä. Kuvien tulkinta on työlästä ja aikaavievää.

Hammashoitolaitteita valmistava Planmeca, Suomen tekoälykeskus FCAI ja Tampereen yliopistollinen sairaala (Tays) yhdistivät voimansa ja kehittivät tekoälypohjaisen mallin, joka paikantaa alaleuan hermokanavan 3d-röntgenkuvista ihmistä nopeammin ja muita automatisoituja menetelmiä tarkemmin.

”Yhteistyö lähti liikkeelle kliinistä työtä tekevien asiantuntijoiden tarpeista ja siitä, kuinka voimme auttaa heidän päivittäistä työtään. Tekoälyn hyödyntäminen säästää huomattavasti potilaan hoidon suunnitteluun käytettyä aikaa”, sanoo Planmecan tutkimus- ja teknologiajohtaja Vesa Varjonen

Kehitetty menetelmä perustuu syvien neuroverkkojen kouluttamiseen suurella määrällä kliinistä dataa, joka koostui kolmiulotteisista kartiokeilatietokonetomografialla (KKTT) otetuista kuvista.

”Saimme Tampereen yliopistolliselta sairaalalta käyttöömme laajan ja monipuolisen kliinisen aineiston, joka oli tuotettu useilla 3d-kuvantamislaitteistoilla. Data jaettiin satunnaisesti niin, että osaa siitä käytettiin neuroverkkojen kouluttamiseen ja osa erotettiin kehitetyn menetelmän testaamiseen ja validointiin”, kertoo Aalto-yliopiston väitöskirjatutkija Jaakko Sahlsten

Tekoäly on tehokas ja väsymätön apulainen Alaleuan hermokanavassa eli mandibulaarikanavassa kulkee leuan motoriikkaa ja kasvojen tuntoa ohjaavia hermoja. Implantin asentamisen lisäksi sen paikantaminen on tärkeää esimerkiksi viisaudenhampaiden poistamisessa ja leukakirurgiassa. Leukaluun sisällä kulkevan kanavan sijainti ja reitti on jokaisella ihmisellä yksilöllinen.

”Yksi iso haaste tekoälymallin kouluttamisessa oli, että kallosta otetussa 3d-röntgenkuvassa mandibulaarikanava on hyvin pieni suhteessa koko kuvan datasisältöön. Aineistona tällainen koulutusdata on hyvin epätasapainoinen”, Sahlsten sanoo.

Yhteistyö Taysin radiologien kanssa oli avainasemassa siinä, kuinka data saatiin valjastettua tekoälyn opettamiseen.

”Kun hermoverkolle syötetään iso määrä dataa, johon mandibulaarikanavan sijainti on merkitty, se oppii optimoimaan omat sisäiset parametrinsa. Oppimisen lopputuloksena syntynyt hermoverkko löytää nopeasti mandibulaarikanavan sille syötetystä yksilöllisestä 3d-datasta”, Varjonen sanoo.

Hermoverkkomallin testaus tutkimusaineistosta erotetulla potilasdatalla osoitti, että malli onnistui paikantamaan mandibulaarikanavat niin, että vain 1–4 prosenttia tapauksista saattaa olla virheellisiä.

”Kliinisissä arvioissa asiantuntijat kävivät läpi mallin tuottamia tuloksia ja totesivat, että 96 prosentissa tapauksista ne olivat kliinisesti täysin käytettävissä. Meillä on vahva luottamus siihen, että malli toimii hyvin”, Sahlsten toteaa.

Ihmiseen verrattuna teköälyn etuna on, että se tekee työnsä aina yhtä tehokkaasti ja nopeasti. Tekoälymalli nopeuttaa mandibulaarikanavan löytämistä ja antaa tukea radiologien ja lääkärien päätöksentekoon. Lopullisen päätöksen hoidosta tekee aina terveysalan ammattilainen.

Julkaisut todentavat mallien toimivuuden Suomalainen perheyritys Planmeca on yksi maailman johtavista terveysteknologian laitevalmistajista, jonka tuotteita viedään yli 120 maahan ympäri maailmaa. Hammashoidossa käytettävät 3d-kuvantamislaitteet ja niitä tukevat ohjelmistoratkaisut ovat yrityksen liiketoiminnan tukijalka. Planmecalle yhteistyö FCAI:n ja Taysin kanssa merkitsee uusia ja merkittäviä liiketoimintamahdollisuuksia.

”Digitaalisuus ja tekoälyn hyödyntäminen kuvantamislaitteissa ovat meille tärkeitä. Integroimme tutkimuksessa kehitetyn hermoverkkomallin kuvantamislaiteohjelmistoomme, jolloin se parantaa laitteidemme käytettävyyttä ja suorituskykyä”, Varjonen sanoo.

Tutkimusyhteistyöstä syntyneet tieteelliset julkaisut ovat tärkeitä kaikille hankkeen osapuolille. Tuloksia on julkaistu muun muassa arvostetussa Nature-julkaisun Scientific Reports -lehdessä.

”Vertaisarvioidut julkaisut ovat vahva todiste mallin toimivuudesta. Syväoppimista ei ole aiemmin käytetty tämäntyyppisissä tehtävissä, mikä lisää julkaisujen arvoa. Julkaisut edistävät myös tohtoriopiskelijoiden opinnäytetöitä”, Sahlsten toteaa.

”Julkaisut ovat meille tärkeitä, kun haemme ohjelmistollemme lääkinnällisten laitteiden hyväksyntää.

Julkaisut osoittavat, että ohjelmisto on suunniteltu ohjelmistokehitysprosessien mukaisesti ja käynyt läpi kaikki tarvittavat vaiheet”, Varjonen sanoo.

Alaleuan hermokanavan paikantamisen lisäksi Planmecan, FCAI:n ja Taysin yhteishankkeessa kehitettiin hermoverkkomalli myös ortognaattiseen kirurgiaan, jossa hampaiden alueen poikkeavuuksia hoidetaan kirurgisten toimenpiteiden avulla.

”Malli auttaa tunnistamaan koko kallon alueelta kiintopisteitä, joita tarvitaan purennan korjaukseen tai leukojen siirtämiseen tähtäävien leikkausten suunnittelussa. Samaa potilasdataa hyödynnettiin myös kolmannessa tekoälysovelluksessa”, Varjonen kertoo.

Tekoälyllä on tulevaisuuden terveyssovelluksiin paljon tarjottavaa.

”Tekoäly on hyödyllinen työkalu, kun lääkärit tekevät ensiarvioita hoidosta tai kaipaavat vaihtoehtoisia mielipiteitä. Tekoälymallien haasteena on, ettei varmuudella voida tietää syitä siihen, kuinka malli päätyy tiettyyn tulokseen. Mallien selitettävyys ja läpinäkyvyyden lisääminen vaativat lisätutkimusta”, Sahlsten sanoo.

IN-HOUSE

Vaneriteos kuvastaa kvanttifysiikkaa

Metroaseman sisäänkäynnin tuntumassa, lehmuskujan vieressä Otaniemen kampuksella seisoo taideteos, joka ensivilkaisulta on ”vain” vanerinen seinäke, vähän jo vihertäväkin. Quantum Moss -teoksen muotokieli kätkee kuitenkin kvanttifysiikan arvoituksia.

Teoksen polveileva, pitkälti symmetrinen kuvio kertoo, miten aallon lailla käyttäytyvän kvanttihiukkasen paikka vaihtelisi pystysuoralla, rajatulla akselilla. Kuvion syvimmät kohdat edustavat todennäköisyysjakauman huippukohtia ajan eri hetkinä.

Teoksen ovat suunnitelleet kampustaidekilpailun voittajat, opiskelija Noora Archer ja tutkija Laura Piispanen.

Teoksen katselua varten Noora Archer antaa vinkin ei-fyysikon näkökulmasta: ”Jos löydät kohdat, joissa teoksen rei’istä näkyy kokonaan läpi, tiedät missä hiukkanen on todennäköisimmillään olemassa.”

”Halusimme saattaa yhteen kaksi Aallon maailmanluokan osaamisaluetta: kvanttiteknologian tutkimuksen sekä puurakentamisen”, Piispanen sanoo. Kvanttifysiikan visualisointi taiteen keinoin on keskeinen osa sekä Piispasen tohtorinväitöstä että Archerin maisterintyötä. Quantum Moss on tehty kuusivanerista. Tuuli lennättää teoksen päälle sammaleen itiöitä, mikä saa sen vähitellen vihertämään. Ajan myötä ulkomuoto muokkautuu uudestaan osana hajoamista. Julkisen taideteoksen elinkaari jää siis tavallista lyhyemmäksi, millä halutaan korostaa kampusalueen luonnon monimuotoisuutta.

Aalto ­ yliopisto noudattaa rakennushankkeissaan taiteen prosenttiperiaatetta. Kampustaidekilpailu oli viides yliopiston projekti, jossa noin prosentti rakennusprojektin määrärahasta kohdennetaan taidehankintoihin. Kilpailun ensimmäisen sijan jakoivat Quantum Moss sekä Jenna Ahosen ja Ayda Grisiuten idea ”bio.modules.way”.

V It Ksi

Tekstit Marjukka Puolakka

Kuva Camilla Andersson

Muotoilu auttaa purkamaan syrjiviä normeja

Normit ovat oletuksia siitä, millaisia ihmisten pitäisi olla. Ne jakavat ihmiset ”meihin” ja ”muihin”. Normikriittinen muotoilu tekee syrjiviä normeja näkyviksi, jotta niiden taustalla olevia valtasuhteita voidaan tunnistaa ja muuttaa.

Ruotsista lähtöisin oleva normikriittinen muotoilu on akateemisena alana vielä nuori. Muotoilun alan väitöstyössään Camilla Andersson tekee pioneerityötä alan vahvistamiseksi.

”Tarkastelin normikriittistä vallan teoriaa. Kun esimerkiksi sukupuolia syrjivät normit tuodaan näkyviksi, voidaan niiden luomasta vallasta alkaa keskustella. Tämän pohjalta rakensin perustan normikriittiselle muotoilulle, joka pureutuu valtasuhteiden purkamiseen”, sanoo Andersson.

Empiiristen tutkimusten avulla hän osoittaa, kuinka organisaatioissa vallitsevia normeja ja valtasuhteita voidaan tunnistaa, analysoida ja haastaa. Tämä on muutoksen alku.

Fyysisen voiman tarve pelastustyössä

Ruotsin palo- ja pelastusjärjestöllä on vaikeuksia houkutella naisia palomiestyöhön. Yksi työhön juurtuneista normeista on käsitys siitä, että pätevältä pelastustyöntekijältä vaaditaan miehistä fyysistä voimaa.

”Tutustuimme paloasemien työolosuhteisiin ja haastattelimme työntekijöitä. Seurasimme myös yleistä keskustelua siitä, että naisista ei ole työhön, koska heidän voimansa eivät riitä ovien hakkaamiseen kirveellä auki hätätilanteissa.”

Andersson halusi kääntää huomion fyysistä voimaa vaativia tehtäviä suorittavan sukupuolesta siihen, kuinka näitä tehtäviä tehdään. Hän suunnitteli kollegoidensa kanssa ”tulipalolukon”, joka palohälyttimeen yhdistettynä avaa oven automaattisesti, kun se havaitsee savua ja lämpöä. Idea digitaaliseen lukkoon tuli vanhusten kotihoidosta.

”Tuloksena oli käsin kosketeltava esine, joka avasi silmiä ja keskustelua siihen, että työoloja ja työntekotapoja muokkaamalla voidaan päästä eroon naisia syrjivistä normeista.”

Vanhusten kotihoidon asiakasgeneraattori Vanhusten kotihoidon työntekijät ovat usein alipalkattuja naisia, joilla on vähän koulutusta. Julkisen sektorin työntekijöitä ja työnantajia Ruotsissa välittävän SKL-organisaation (nykyisin SALAR) kanssa tehdyssä projektissa Andersson pyrki osoittamaan työolojen epäkohtia ja osallistamaan työntekijät niiden parantamiseen.

”Työntekijät kertoivat jatkuvasta kiireestä ja stressistä, jonka kotikäyntejä aikatauluttava reitinoptimointijärjestelmä heille aiheutti. Järjestelmä ei ottanut huomioon, että kotikäyntiä ei voi hoitaa 5–10 minuutissa, jos vaikka Asta on kaatunut. Vastineeksi työntekijät alkoivat syöttää digitaaliseen järjestelmään tekoasiakkaita, jotta he saivat tarvittaessa lisäaikaa hoitotyöhön.”

Esimiehet tiesivät ja hyväksyivät asian, mutta jättivät vastuun järjestelmän manipuloinnista hoitajien harteille.

”Suunnittelimme ’asiakasgeneraattorin’, jolla osoitimme, kuinka absurdiin tilanteeseen rekkaautojen reitinoptimointiin kehitetty järjestelmä vanhusten kotihoidossa johti.”

Konkreettisen laitteen kanssa oli päästy asian ytimeen. Ongelman näkyväksi tekeminen osoitti, että asiaan täytyy puuttua rakenteellisella tasolla. Työntekijät olivat saaneet innovaationsa materialisaation avulla äänen, jota kuultiin yhteisissä keskusteluissa.

Camilla Andersson 10.2.2023: Materializing Norms: Norm­ Critical and Speculative Explorations in Design

Aalto-yliopistosta valmistuu vuosittain yhteensä noin 200 tekniikan, kauppatieteiden, taiteen ja filosofian tohtoria. Eniten tohtorinväitöksiä syntyy tekniikan aloilta, etenkin teknillisestä fysiikasta, tietotekniikasta ja biotuotetekniikasta.

Aalto-yliopiston tohtoriohjelmat on suunniteltu suoritettavaksi neljässä vuodessa päätoimisesti opiskellen tai kahdeksassa vuodessa sivutoimisesti opiskellen.

Väitöskirjat voivat olla tieteidenvälisiä, jolloin niihin voi sisältyä osia toisilta tutkimusaloilta, vaikkapa tekniikan väitöskirjaan taiteesta tai päinvastoin.

Tohtoriopiskelijoita on noin 3 200, he edustavat 95:ttä eri kansallisuutta, ja 1/3 heistä on väitöskirjatutkijoita, jotka työskentelevät Aallossa.

Aalto-yliopiston väitöskirjat verkossa: aaltodoc.aalto.fi shop.aalto.fi

Parempaa johtamista ikääntyneiden sote-palveluihin

Suomalaista sosiaali- ja terveydenhuoltoa johdetaan monin paikoin hajanaisesti pala kerrallaan.

DI Olli Halminen tutki väitöstyössään ikääntyneiden alueellisia palvelujärjestelmiä Suomessa ja selvitti, miten niitä voisi johtaa paremmin. Aineistona oli yli 75-vuotiaiden sote-palveluiden käytön rekisteriaineisto 65 suomalaiskunnasta. Väitöksen ala on tuotantotalous.

Työssään Halminen loi alueellisen tason lyhytja pitkäaikaisten sote-palveluiden mallin ja hahmotteli sen perusteella kustannustehokkuutta lisääviä johtamistapoja.

Oikeaan aikaan annetut palvelut voivat tuoda ”jarrutustehokkuutta” terveydenhuoltoon. Esimerkiksi laadukas kotihoito ja toimiva suhde terveyskeskukseen ehkäisevät kalliimpiin ja raskaampiin palveluihin siirtymistä. Tämä voisi estää myös sairaaloiden päivystyskaaosta.

Ympärivuorokautiseen hoitoon pääsyn kriteerit tulisi yhdenmukaistaa alueellisesti sekä inhimillisistä että taloudellisista syistä.

Aineistoon perustuen Halminen laski, että tulevaisuudessa eniten rahaa ja resursseja kuluu dementiapotilaiden hoitoon. Dementian hoidon kustannuksista 68 prosenttia syntyi sosiaalihuollossa. Väestön ikääntyessä resursseja pitäisi siirtää terveydenhuollosta sosiaalihuollon puolelle.

Sote-palveluiden rakenteissa on Suomessa isoja alueellisia eroja. Hyvinvointialueiden tulisi luoda analytiikkaan perustuvia yhtenäisiä hoitokäytäntöjä, jotta samanlaisessa tilanteessa olevat potilaat saisivat samanlaista hoitoa.

Olli Halminen 20.1.2023:

Analysing the performance of meso ­ level care systems including long and short term services

Marsin ilmasto ei ole muuttumassa

Vuodesta 1976 lähtien Marsiin laskeutuneet luotaimet ovat keränneet tietoa sen olosuhteista. Avaruustieteen ja -tekniikan alan väitöstyössään DI Henrik Kahanpää perehtyi Marsin kaasukehän painemittauksiin, jotka ovat olennaisia paitsi Marsin olosuhteiden ymmärtämisessä, myös maapallon ilmastonmuutoksen mallintamisessa.

Suomen Ilmatieteen laitoksella Kahanpää oli mukana kehittämässä painemittalaitetta

Curiosity-mönkijään, jonka Nasa lähetti Marsiin vuonna 2011. Ilmatieteen laitos toimitti painemittalaitteen myös Nasan Phoenix-luotaimeen, joka laskeutui Marsiin vuonna 2008. Laitteet perustuvat suomalaisen Vaisala Oyj:n tekniikkaan.

Kahanpää selvitti painemittauksiin vaikuttavia epävarmuustekijöitä ja kehitti korjausalgoritmeja niiden kumoamiseksi. Työ osoitti, että Marsin kaasukehän paine voidaan mitata näillä mittalaitteilla noin 0,5 prosentin tarkkuudella.

Phoenixin korjattujen painemittausten vertailu Nasan Viking-laskeutujien mittauksiin paljasti, että Marsin ilmastossa ei tapahtunut merkittäviä muutoksia vuosien 1976–2008 välillä.

Pienen mittakaavan pölypyörteiden on arveltu ylläpitävän Marsin kaasukehän pölyisyyttä silloin, kun planeetalla ei myrskyä. Kahanpää etsi Curiosityn säämittauksista pölypyörteiden aiheuttamia signaaleja ja osoitti, että vain harvat näistä pyörretuulista ovat tarpeeksi voimakkaita nostaakseen pölyä. Tämä kyseenalaistaa aiemmat käsitykset.

Pölypyörteistä saatu tieto auttaa ilmaston mallintamisessa sekä tulevien avaruuslentojen laskeutumispaikkojen suunnittelussa.

Henrik Kahanpää 5.1.2023:

On atmospheric pressure measurements and dust devils on planet Mars

Valokuvataiteen museon näyttely tammi–maaliskuussa 2023 esitteli

19 nuorta tekijää, jotka valmistuvat taiteen maistereiksi Aalto-yliopiston taiteen ja median laitokselta. Näyttelytyöt liittyivät heidän opinnäytteisiinsä. Esittelemme neljän taiteilijan teokset.

Niko Tampio: Transitions

”En katso taaksepäin, enkä usko sattumaan.”

”Transitions tutkii henkilökohtaisen siirtymän ja kasvun teemoja introspektion kautta universaalisti ja käsitteellisesti. Ensimmäistä kertaa esillä oleviin teoksiini olen ammentanut inspiraatiota snapshotvalokuvan välittömyydestä, josta ne saavat raa’an emotionaalisen latauksen. Siitä huolimatta teossarjan valokuvat ovat harkittuja ja huolella sommiteltuja. Teokseni kuvastavat intiimejä hetkiä tavanomaisissa paikoissa. Valokuvat on kuvattu Suomessa sekä eri puolilla Espanjaa vuosien 2016 ja 2022 välillä.”

Niko Tampio (synt. 1989) on valokuvaaja, joka työskentelee pääasiassa kuvan ja installaation parissa. Hänen teoksensa käyvät usein dialogia tilan kanssa, ja ne liikkuvat itsetutkiskelun ja elämän teemojen ympärillä. Tampion visuaalinen kieli on kehittynyt Hollywood-elokuvien, meren sekä abstraktin taiteen vaikutuksesta. Hänen taiteellinen työskentelynsä pohjautuu uteliaisuuteen, havaintoon sekä syvään kiinnostukseen ihmisyyttä kohtaan.