Spektrikuvauksella on paljon annettavaa muun muassa lääketieteelle.
Mitä yhteistä on ihosyövällä, väkivaltarikoksilla, ilmakehän hiiltä sitovalla merilevällä, taideväärennöksillä ja asteroidien mineraalikoostumuksella? Kaikkia näitä ja monia muita asioita voidaan tutkia spektrikuvauksen keinoin.
Laskennallisen data-analyysin apulaisprofessori Ilkka Pölönen Jyväskylän yliopistosta kehittää työkseen menetelmiä spektrikuvien analysointiin. Eli mihin?
– Spektrikuva on kuva, jossa valon värejä on eroteltu toisistaan tarkasti eri kuviin, Pölönen aloittaa.
Jo tavallinen digikuva on eräänlainen spektrikuva. RGB-tekniikassa mitataan arvot kuvattavan kohteen heijastaman valon kolmesta värialueesta: punaisesta, vihreästä ja sinisestä valosta. Näiden yhdistämisestä syntyy monivärinen kuva, jossa kutakin kolmea värialuetta voidaan tarkastella erikseen.
Spektrikuvauksessa värialueita mitataan paljon laajemmalla skaalalla ja kapeammilla aallonpituusalueilla kuin tavallisessa digikuvauksessa, esimerkiksi 10 nanometrin välein. Tällöin tuloksena on satoja tai tuhansia harmaasävykuvia, jotka esittävät samaa kohdetta.
Kun sitten yhtä pikseliä tarkastellaan kaikissa näissä kuvissa, tulokseksi saadaan kyseisen pikselin aallonpituuden spektri eli tieto siitä, miten valo heijastuu kuvatusta materiaalista juuri siinä kohdassa. Tätä tietoa puolestaan voidaan hyödyntää monenlaisiin tarkoituksiin.
– Valo heijastuu erilaisista materiaaleista eri tavoilla. Siksi spektriä tutkimalla voidaan tarkastella materiaalien ominaisuuksia. Kun tekoälyä opetetaan tunnistamaan erilaisia spektrejä, se voi sen perusteella tunnistaa erilaisia materiaaleja tai seurata niissä tapahtuvia muutoksia, Pölönen kertoo.
Kuvantamisessa puolestaan voidaan spektrikuvauksen avulla tarkastella kuvasta löytyviä muotoja. Koska spektrikuvauksessa käytetään muitakin kuin näkyvän valon aallonpituuksia, sillä voidaan paljastaa myös asioita, joita ihmissilmä ei sellaisenaan pysty näkemään.
Näihin molempiin liittyviä menetelmiä Pölönen ja hänen kollegansa kehittävät luodakseen sovelluksia, jotka moninaisuudessaan kuulostavat melkein tieteiskirjallisuudelta.
Vaikka Ilkka Pölönen onkin vähän yli nelikymppisenä professori, hänen akateeminen reittinsä ei suinkaan ollut viivoittimella vedetty. Pohjois-Karjalan pohjoisnurkalta Nurmeksesta nuorukaisen tie vei alun perin Helsingin yliopistoon opiskelemaan matematiikkaa, mutta vielä maisteriksi valmistumisen jälkeenkään hänen suunnitelmissaan eivät siintäneet jatko-opinnot.
– Välillä ehdin työskennellä kaksi vuotta Joensuun Popmuusikoissa. Olin projektipäällikkönä hankkeessa, jossa etsittiin ravintola Kerubille uusia tiloja, Pölönen kertoo.
Häntä joensuulaiset saavat siis osaltaan kiittää siitä, että rakastettu rokkiravintola Kerubi on nyt jo toistakymmentä vuotta isännöinyt huippuartistien keikkoja uudessa paikassaan Ilosaaren Karjalantalossa.
Ihosyövät ovat länsimaissa nopeimmin yleistyvä syöpätyyppi, joten työsarkaa riittää.
Ilkka Pölönen
Perhesyistä tie jatkui parin vuoden jälkeen Joensuusta Jyväskylään, missä töitä löytyi yliopiston aluekehittämishankkeesta. Sieltä professori Pekka Neittaanmäki bongasi lahjakkaan matemaatikon, ja jo pari kuukautta myöhemmin Pölönen yllätyksekseen huomasi olevansa tietotekniikan jatko-opiskelija.
– Haimme rahoitusta hankkeelle, jossa yksi alue oli ihosyöpien kuvantaminen. Sitä kautta pääsin koordinoimaan hankkeita, tekemään väitöskirjaa, hakemaan lisää rahoitusta ja kokoamaan tutkimusryhmää ja laboratoriota, Pölönen kertoo matkastaan huipputason laskennallisen data-analyysin pariin.
Palataan spektrikuvaukseen ja sen sovelluksiin. Ensimmäisenä Pölönen nostaa esiin kaukokartoituksen, joka on yksi menetelmän varhaisimpia käyttötarkoituksia.
Esimerkiksi drooniin kiinnitetyllä spektrikameralla voidaan kuvata laajoja alueita ja tekoälyn avulla tunnistaa kuvista erilaisia asioita tai seurata niiden muuttumista. Metsänhoidossa voidaan tällä tavalla tunnistaa puulajeja, sodassa havaita viholliskohteita, kaivosteollisuudessa etsiä maastosta erilaisia mineraaleja tai hiilensidontaan käytettävillä leväviljelmillä seurata levän kasvua ja sen mahdollisia ongelmia.
– Meillä tehdään paljon tutkimusta Maanmittauslaitoksen paikkatieto-osaston kanssa. Teknologian tutkimuskeskus VTT:n kanssa puolestaan kehitetään kamerateknologiaa. Suomesta löytyy myös useita maailman johtavia spektrikameroiden laitevalmistajia, Pölönen kertoo tutkimusryhmänsä yhteistyökuvioista.
Hintansa vuoksi spektrikamerat eivät vielä ole kuluttajatuotteita. Halvimpien spektrikameroiden hinnat ovat tuhansia euroja, ja jos aallonpituuksissa mennään infrapunavalon puolelle, puhutaan jo kymmenistätuhansista.
– Kamerat kuitenkin pienenevät ja halpenevat koko ajan. VTT:llä on jo kamerasta prototyyppi, joka kokonsa puolesta mahtuisi kännykkään, Pölönen toteaa.
Tällaisella spektrikameralla voisi esimerkiksi elintarviketta kuvaamalla mitata sen tuoreuden tai ravintoarvon. Myös alkoholimäärän mittaaminen verestä olisi Pölösen mukaan mahdollista, mutta se vaatisi infrapunakameran, joten puhelimen alkometrisovellus on käytännössä vielä vähän kauempana tulevaisuudessa.
Erittäin paljon mielenkiintoa kohdistuu spektrikuvauksen lääketieteellisiin sovelluksiin. Jyväskylän yliopisto on jo pitkään tehnyt yhteistyötä yliopistollisten sairaaloiden ja keskussairaaloiden kanssa hankkeissa, joissa spektrikuvausta käytetään erilaisten ihosyöpien tunnistamiseen.
– Ihosyövät ovat länsimaissa nopeimmin yleistyvä syöpätyyppi, joten työsarkaa riittää. Tunnistustarkkuudessa spektrikuvauksen ja tekoälyn yhdistelmä pääsee jo samaan tasoon kuin koulutettu ihotautilääkäri, Pölönen kertoo.
Eettiseen vastuuseen liittyviä kysymyksiä joudutaan toki miettimään esimerkiksi tilanteissa, joissa järjestelmä virheellisesti jättää syöpäkasvaimen tunnistamatta. Pölönen korostaakin, että tulee olla tarkkana, kertooko laite pelkästään todennäköisyyden tietylle asialle vai antaako se myös toimintasuosituksen.
Spektrikuvauksella on myös muita lääketieteellisiä sovelluksia. Pölösen mukaan sitä on jo hyödynnetty esimerkiksi silmänpohjakuvauksissa, hampaiden alkavien reikien tunnistamisessa sekä syöpäleikkauksissa sen määrittämisessä, onko kasvain onnistuttu poistamaan kokonaan. Ja lisää on varmasti tulossa.
Serlachiuksen kokoelmista löytyi myös yksi puhdas väärennös.
Ilkka Pölönen
Aivan erilaisiin sfääreihin mennään, kun spektrikuvausta aletaan hyödyntää rikostutkinnassa. Esimerkiksi henkirikospaikalla voitaisiin materiaalintunnistuksen avulla tutkia veritahrojen hapettumista ja siten selvittää, miten vanhoja ne ovat.
– Tutkimusta aiheesta on tehty, mutta tarve ei tällä hetkellä ole suhteessa hintoihin, Pölönen luonnehtii.
Rikospaikkatutkinnat saavat siis vielä odottaa spektrikameroiden arkipäiväistymistä. Sen sijaan taulujen aitouden tunnistamisessa spektrikuvausta on jo nyt hyödynnetty menestyksekkäästi kahdella eri tavalla.
– Ensinnäkin infrapunataajuuksien spektrikuvauksella voidaan nähdä maalikerrosten läpi. Tällöin taulusta voi paljastua esimerkiksi sen pohjana oleva luonnos tai joskus kokonaan toinen maalaus, jonka päälle on maalattu uusi, Pölönen selittää.
Esimerkiksi Serlachius-museoiden tauluja tutkittaessa eräästä Claude Monet’n työksi arvellusta taulusta löytyi tällä tavalla hänen signeerauksensa. Toisaalta pari työtä osoittautui aivan eri taiteilijoiden tekemiksi kuin oli luultu.
Toiseksi spektrejä vertaamalla voidaan tunnistaa taulussa käytettyjä pigmenttejä ja verrata, ovatko ne peräisin oikealta aikakaudelta.
– Serlachiuksen kokoelmista löytyi myös yksi puhdas väärennös, jossa 1600-luvun kukkamaalauksen päälle oli maalattu kasvot 1930-luvun pigmenteillä, Pölönen kertoo.
Spektrikuvauksen sovellukset eivät rajoitu edes maan päälle. Pölösen tutkimusryhmä kehittää parhaillaan Helsingin yliopiston ja VTT:n kanssa asteroidivyöhykkeelle lähetettäviin spektrikameroihin liittyviä menetelmiä.
Kyseessä on yhteistyöprojekti kansainvälisten avaruustutkimusjärjestöjen, pohjoisamerikkalaisen Nasan ja eurooppalaisen Esan kanssa. Siinä tutkitaan asteroidien mineraalikoostumusta mittaamalla luotaimen törmäyksen aiheuttamaa törmäyskraatteria.
– Sovellukset siis ylettyvät soluista vähän isompiin taivaankappaleisiin, Pölönen hymyilee.