Pään ja kasvojen pehmytkudoksen 3D-kuvantaminen on lääketieteessä yleistynyt, ja siihen tarvittava teknologia on kehittynyt viime vuosina huomattavasti. Nykyiset 3D-mallit ovat melko tarkkoja, ja kuvaus stereofotogrammetriaan perustuvalla laitteella on kuvattavalle nopea ja helppo. Pään ja kasvojen 3D-mallien analysointi on kuitenkin edelleen matemaattisesti haastavaa. Tässä väitöstyössä kehitettiinkin uusia matemaattisia mittausmenetelmiä ja työkaluja pään ja kasvojen rakenteiden tutkimiseen.

Väitöskirja on jaettu kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa määritellään 3D-kasvokuvien perusteella kaksosparien tsygositeetti eli se, ovatko kaksoset identtiset vai eivät. Tutkimuksessa analysoitiin liettualaisten kaksosten 3D-kuvia, ja lopullisia luokitustuloksia verrattiin DNA-testituloksiin. Luokitustestejä oli useita erilaisia, ja parhaimmillaan kasvojen 3D-kuvista tehty luokitus vastasi DNA-testejä 90-prosenttisesti.

Lapsen takaraivo voi syntymän yhteydessä litistyä lievästi. Jos litteyttä esiintyy epäsymmetrisesti, puhutaan vinokalloisuudesta eli plagiokefaliasta. Väitöskirjan toisessa osiossa tarkastellaan imeväisikäisten pään litistymiä ja niiden epäsymmetriaa. Litistymiä analysoidaan 3D-kuvista laskettujen, pinnan normaalivektorien suuntiin perustuvien jakaumien avulla. Näiden jakaumien avulla voidaan mitata ja visualisoida päässä esiintyvää litteyttä ja epäsymmetriaa. Kehitettyä mittausmenetelmää verrattiin joihinkin aiemmin käytettyihin mittaustapoihin mittaamalla kolmen kuukauden ikäisten imeväisten 3D-malleja useammalla menetelmällä ja vertaamalla tuloksia asiantuntijoiden tekemiin kliinisiin pisteytyksiin. Uusi menetelmä näytti toimivan pääsääntöisesti paremmin kuin aiemmat tekniikat, kun saatuja tuloksia verrattiin asiantuntija-arvioihin. Uutta menetelmää sovellettiin myös pitkittäistutkimuksessa, jonka aineistona oli aiemmin mainittujen, kolmen kuukauden iässä otettujen 3D-kuvien lisäksi myös samoista lapsista 6 kuukauden sekä yhden vuoden iässä mallinnetut 3D-kuvat. Tutkimuksessa tarkasteltiin pään epämuodostumien kehitystä ja niihin liittyviä riskitekijöitä lapsen ensimmäisenä elinvuonna. Keskimäärin ensimmäisinä elinkuukausina ilmenevä pään epäsymmetrinen litteys lieveni ajan kuluessa.

Väitöstutkimuksen viimeisessä osiossa esitellään uusi tilastollinen menetelmä, jakauman estimointityökalu, jolla tutkitaan yksikköpallon tiheysfunktion rakenteita. Menetelmän toimivuutta testattiin käyttämällä mm. imeväisikäisen pään 3D-kuvasta saatua dataa sekä simuloitua laskennallista dataa. Näiden testien perusteella menetelmä toimi hyvin.

Väitöskirja on tehty Oulun yliopistossa ja Oulun yliopistollisessa sairaalassa.