Physics Nobel Prize 2018 on optical tweezers
One half of the Nobel Prize in Physics 2018 was awarded to Arthur Ashkin “for the optical tweezers and their application to biological systems” see more here. Doctoral dissertations Hanhijärvi, Kalle, Single molecule biophysics of viral genome translocation, 2016 Wallin, Anders, Optical tweezers for single molecule biology, 2011 Publications Hanhijärvi, K. J., Ziedaite, G., Bamford, D. H., Hæggström, […]
Saccadic eye movements estimate prolonged time awake
PERMALINKS
http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2788-4
https://helda.helsinki.fi/handle/10138/239934
| Title: | Saccadic eye movements estimate prolonged time awake |
| Author: | Pettersson, Kati |
| Date: | 2018-09-02 |
| ISBN: | 978-951-51-2788-4 |
| URI: | http://hdl.handle.net/10138/239934 http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2788-4 |
Prolonged time awake increases sleep drive and causes sleepiness. Increasing sleep drive induces rapid and uncontrolled sleep initiation leading to unstable cognitive performance which is comparable to alcohol intoxication. Sleepiness causes 10 – 20 % of traffic accidents hence being a major identifiable and preventable cause of accidents. Even though the severeness of sleepiness -related accidents and hazards have been recognized and the state of New Jersey (USA) even has a law that forbids driving after being awake for more than 24 h, there is no reliable on-site test for estimating total time awake of a person.
A reliable, objective, and practical metrics for measuring sleepiness outside the laboratory would be valuable. This thesis presents a novel approach and examines whether an eye movement based metric could serve as an on-site test metric for time awake.
The rationale for the studying the use of eye movements to estimate overall time awake is as follows: Different cognitive functions, especially attentional ones are vulnerable to sleepiness. The attentional and oculomotor processes share neuroanatomical networks in the brain and saccadic eye movements have been used to study attentional functions. Moreover, saccadic eye movements are sensitive to sleepiness.
The thesis consists of two parts: 1) Algorithm development for electro-oculographic (EOG) feature extraction to enable effective and practical analyses of measurements conducted outside the laboratory, and 2) Development of an eye movement based metric to estimate prolonged time awake.
Saccadic eye movements were measured from eleven healthy adults every sixth hour with EOG in a 8-minute saccade task during 60 h of prolonged time awake. The saccade task performance, estimated as the number of saccades, decreased as a function of time awake on an individual level. The saccadic performance differed between the participants but was stable within participants (tested with 5 participants). The circadian rhythm affected the saccade task performance. Thus, the three-process model of alertness (TPMA) was fitted to, and the circadian component (C-component) was removed from, the measured data. After removing the C-component, the linear model revealed a significant trend for six out of eleven participants.
The results imply that saccades measured with EOG could be used as a time awake metric outside the laboratory. The metric needs individual calibration before the time awake of a person can be estimated. More research is needed to study individual differences, optimize the measurement duration, and stimulus parameters.
Pitkittynyt hereilläoloaika lisää unipainetta ja siten väsymystä. Kasvava unen tarve aiheuttaa kontrolloimattomia torkahduksia, jotka heikentävät merkittävästi ihmisen tarkkaavuutta ja siten kognitiivisia toimintoja. Univajeen aiheuttama epävakaa tila on verrattavissa humalatilaan. Liikenneonnettomuuksista 10 – 20 % on väsymyksen aiheuttamia. Väsymys on näin ollen yksi suurimmista tunnetuista, estettävissä olevista onnettomuuksien syistä.
Väsymyksestä johtuvien onnettomuuksien ja katastrofien vakavuus on tunnistettu; mm. New Jerseyssä (Yhdysvallat) on säädetty laki, joka kieltää ajamisen yli 24 tunnin hereilläoloajan jälkeen. Mittalaitetta, jolla kenttäolosuhteissa pystytään mittaamaan luotettavasti, objektiivisesti ja käytännöllisesti kuljettajan hereilläolon kokonaisaikaa ei kuitenkaan ole tällä hetkellä saatavilla.
Tässä väitöskirjassa on kehitetty silmänliikkeisiin perustuva mittausmenetelmä, jonka avulla voidaan mitata hereilläoloaikaa laboratorion kenttäolosuhteissa, laboratorion ulkopuolella. Univajeessa kognitiiviset toiminnot heikkenevät, erityisesti tarkkaavuus sekä visuaalinen, silmänliikkeiden avulla tapahtuva ympäristön havainnointi. Tarkkaavuutta ja okulomotorisia toimintoja säätelevät osittain samat aivojen otsalohkoalueiden hermoverkot. Tästä syystä sakkadisia silmänliikkeitä voidaan käyttää sekä tarkkaavuuden että univajeen ja väsymyksen tutkimiseen.
Väitöskirja koostuu kahdesta osiosta: 1) Algoritmikehitystyöstä silmänliikkeiden tunnistamiseksi luotettavasti kenttäolosuhteissa silmänliikesignaalista, 2) Silmänliikepohjaisen menetelmän kehittäminen hereilläoloajan estimointiin.
Sakkadisia silmänliikkeitä mitattiin yhdeltätoista terveeltä aikuiselta kuuden tunnin välein 60 tunnin yhtäjaksoisen univajeen aikana. Silmänliikkeet rekisteröitiin elektro-okulografia (EOG) -menetelmällä 8 minuuttia kestävän sakkaditestin aikana. Tehtävässä suoriutumista arvioitiin sen aikana suoritettujen sakkadien lukumäärällä. Sakkadien lukumäärä laski hereilläoloajan funktiona kaikilla tutkittavilla. Sakkaditehtävässä suoriutuminen vaihteli henkilöiden välillä. Testin toistettavuutta tutkittiin viidellä henkilöllä ja se todettiin toistettavaksi. Vuorokaudenaika vaikutti tehtävässä suoriutumiseen ja tästä syystä vuorokausivaihteluun liittyvä sirkadiaaninen rytmi poistettiin vireystilaa mallintavan mallin avulla (three-process model of alertness, TPMA). Sirkadiaanisen rytmin poistamisen jälkeen sakkadien lukumäärän lasku hereilläoloajan funktiona oli lineaarinen kuudella tutkimushenkilöllä yhdestätoista.
Väitöskirjassa esitettyjen tulosten perusteella EOG-menetelmällä mitattujen silmänliikeiden avulla voidaan estimoida hereilläoloaikaa kenttäolosuhteissa. Tällä hetkellä mittaus vaatii henkilökohtaisen kalibrointimittauksen ennen varsinaista testimittausta. Lisää tutkimustyötä tarvitaan henkilöiden yksilöllisten erojen tutkimiseen, sekä mittausasetelman optimointiin kenttäolosuhteisiin laajemmin sopivaksi.
Length calibration of Fourier domain interferometer for particle accelerator quality assurance
PERMALINK
http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2786-0
| Title: | Length calibration of Fourier domain interferometer for particle accelerator quality assurance |
| Author: | Montonen, Risto |
| Date: | 2018-08-14 |
| ISBN: | 978-951-51-2786-0 |
| URI: | http://hdl.handle.net/10138/238000 http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2786-0 |
Following development of the Large Hadron Collider at CERN (European Laboratory for Particle Physics), a viable option for the future frontiers of particle physics would be the Compact LInear Collider (CLIC). For efficient collider operation, the internal alignment and shape of the particle accelerating structures is crucial, as even micrometer-level misalignments reduce the performance of CLIC. Destructive quality assurance methods exist that require cutting the structure into two halves but prevent subsequent use of the accelerating structure.
I propose a fiber-optic Fourier domain short coherence interferometer (FDSCI) for quality assurance of the accelerating structure. The method provides submicron accuracy, 10 mm measurement range, and nondestructive access inside the hard-to-reach accelerator cavity.
The method relies on length calibration that employs transparent plate transfer standards of a certified geometric thickness. FDSCI actually measures the optical thickness, and these two lengths are related to each other through the group refractive index. In this thesis the group refractive index of the transfer standards was quantified using a balanced Sagnac type interferometer. The calibration provided a function that can be used to correct the bias in the measurement system. The concept was validated by measuring a step profile on a copper disc manufactured to the same tolerances that are required from the accelerating structures. Uncertainty analysis, including contributions from the calibration, measurement repeatability, sample orientation, environmental conditions, and thermal expansion, showed that submicron accuracy was achieved at a 95% confidence level.
A fiber-optic probe provided access inside the accelerator cavity. The probe operates in common-path configuration which automatically compensates for the dispersion in the optical system, thus maintaining the achieved accuracy. The required 10 mm measurement range was achieved by employing a tunable Fabry-Perot filter assisted spectral interferogram acquisition technique.
The fiber-optic FDSCI shows promise in quantifying whether the accelerating structures are assembled to the required tolerances.
Euroopan ydinfysiikan tutkimusjärjestö (CERN) on suunnittelemassa uutta CLIC-törmäytintä (Compact LInear Collider). Toimiakseen tehokkaasti, CLIC-törmäyttimen kiihdytinelementtien tarkka sisäinen linjaus ja muoto ovat välttämättömiä, koska jopa mikrometri-luokan kokoamisvirheet laskevat törmäyttimen suorituskykyä. Olemassa olevat laadunvarmennusmenetelmät, joissa kiihdytinelementti avataan kahtia halkaisemalla, eivät käy, sillä ne estävät elementin käytön testauksen jälkeen.
Tässä väitöskirjassa minä ehdotan kiihdytinelementtien laadunvarmennusmenetelmäksi kuituoptista lyhyen koherenssin interferometriä, joka tarjoaa samanaikaisesti sekä alle mikrometrin tarkkuuden 10 mm mittauskantamalla että rikkomattoman pääsyn kiihdytinelementin sisälle.
Mittalaitteen tarkkuus perustuu kalibrointiin, joka suoritetaan sertifioiduilla läpinäkyvillä mittapaloilla. Todellisuudessa optinen mittalaite mittaa optisia paksuuksia, jotka vertautuvat geometrisiin mittoihin kappaleen taitekertoimen kautta. Tässä työssä käytettyjen mittapalojen taitekertoimet määritettiin tasapainotetulla Sagnac-tyyppisellä interferometrillä. Kalibroinnista saadun korjauskertoimen avulla mittalaitteen mittausvirhe saadaan korjattua. Menetelmän käyttökelpoisuus vahvistettiin mittaamalla porrasprofiili kuparinäytteestä, joka oli työstetty samoilla toleransseilla, joita vaaditaan kiihdytinelementeiltä. Epävarmuuslaskelma, jossa otettiin huomioon kalibroinnista, mittauksen toistettavuudesta, näytteen asettelusta, mittausolosuhteista ja lämpölaajenemisesta aiheutuvat virhelähteet, osoitti, että mittalaite kykenee alle mikrometrin tarkkuuteen 95% luottamusvälillä.
Kiihdytinelementin sisälle, sitä rikkomatta, päästään kuituoptisella mittapäällä. Mittapää hyödyntää interferometrista yhteispolkutekniikkaa, joka automaattisesti kompensoi dispersion vaikutuksen optisessa systeemissä, säilyttäen siten saavutetun tarkkuuden. Vaadittu 10 mm mittauskantama saavutettiin käyttämällä kapeaa ja säädettävää Fabry-Perot suodatinta spektri-interferogrammin näytteistyksessä.
Tässä väitöskirjassa kehitetty kuituoptinen lyhyen koherenssin interferometri on lupaava mittalaite CLIC-törmäyttimen kiihdytinelementtien kokoamisen laadunvarmennukseen.