Nya forskningspengar öppnar det fördolda

Hur förlöper en hjärtinfarkt? Hur propagerar en kemisk reaktion? Tack vare nya stora projektpengar kan nu forskare vid Linköpings universitet tränga allt djupare in i det fördolda.

När Knut och Alice Wallenbergs stiftelse beslutar om årets bidrag till gränsöverskridande forskning finansieras två nya femåriga projekt vid Linköpings universitet. Dessutom beviljas fortsättningsanslag till ett projekt från 2011. Sammanlagt innebär det ett nytillskott på omkring 70 miljoner kronor till LiU-ledd forskning.

Att avbilda människokroppens organ i ytterligare en dimension – tiden – är syftet med projektet ”Seeing organ function – patient specific image data driven organ exploration and simulation”, lett av professor Anders Ynnerman. Andra nyckelpersoner är professorerna Örjan Smedby och Timo Ropinski som koordinatorer för den medicinska respektive tekniska agendan.

– Vi försöker ta nästa steg i medicinsk avbildning och undersöker möjligheten att arbeta med funktionella data. Vi vill skapa modeller och bilder som förändras med tiden, säger Anders Ynnerman.

Projektet handlar om grundläggande teknisk utveckling, men med starka kopplingar till huvudsakligen två medicinska frågeställningar:

• Hjärtat – undersöka hjärtats funktion då blodflödet hindras av en förträngning i en artär och hur detta kan leda till infarkt.
• Hjärnan – skapa förståelse för hur en sjukdomsprocess uppstår och fortskrider, till exempel vid narkolepsi.

Dagens avbildningstekniker med CT, MR- och PET-kameror genererar stora mängder data, och för att skapa användbara bilder krävs avancerade matematiska metoder. När man nu ska ta in tiden som en fjärde dimension växer datamängden i storleksordningen 100 gånger. Samtidigt blir datamängderna extra komplexa i och med att man måste arbeta med data från olika källor och på vitt skilda skalor – från molekylen till organet.

Slutmålet på lång sikt är att sjukvården ska kunna använda tidsupplösta, patientspecifika modeller och bilder som stöd vid diagnos och behandling.

– Men detta är ett högriskprojekt på grundläggande nivå. Det är långt till att utveckla metoder för kliniskt bruk, säger Anders Ynnerman.

Att följa en kemisk reaktion i realtid är en hittills ouppnåelig dröm. Med ny synkrotronteknik kan det blir verklighet. Men risken är att de tekniska möjligheterna springer ifrån den fysikaliska teorin.

– Alla komplicerade experiment kräver koppling till teori. När vi nu ser en enorm satsning på experimentell utrustning, kommer balansen att rubbas om vi inte utvecklar teorierna i samma takt, säger Patrick Norman, professor i teoretisk fysik vid LiU.

Han är huvudsökande till projektet ”Strong field physics and new states of matter” som involverar sju forskargrupper vid LiU, KTH och universiteten i Uppsala och Stockholm.

I en synkrotron snurrar man runt elektroner i en hastighet nära ljusets. Då avger de ett energirikt röntgenljus med vilket man kan studera den atomära uppbyggnaden och egenskaperna i materialprover.

Nu byggs en ny hypermodern anläggning i Lund, MAX IV, en miljardinvestering som skapar hissnande möjligheter. Vad Normans projekt handlar om är att utveckla teorier som matchar möjliga framtida experiment i spåren av den svenske Nobelpristagaren Kai Siegbahns forskningsrön: elektroner har olika energinivåer som beror på deras närmaste kemiska omgivning. Genom att mäta dessa nivåer efter röntgenbestrålning kan man få ut information om materialets inre struktur.

Ju högre intensitet i röntgenljuset, desto färre molekyler behövs för att få ut information. Med tidsupplösning kan det bli möjligt att för första gången studera hur en kemisk reaktion propagerar.

Simulering av de minsta atomära fenomenen kräver de allra tyngsta datorerna. Därför passar det bra att Patrick Norman också är chef för Nationellt superdatorcentrum vid Linköpings universitet, som nu hyser Sveriges för närvarande snabbaste dator Triolith.

– En enda typisk simulering kan ta tio år att utföra i en enda processorkärna. När vi kör på en parallelldator med flera tusen kärnor tar det ett par dagar, säger Patrick Norman.

Vissa egenskaper hos ett material påverkas negativt av att det kan innehålla flera varianter, isotoper, av de ingående grundämnena. Forskare vid LiU satsar på att bli först i världen med att framställa ”isotop-rena” material för bland annat kraftelektronik, isolering av kärnbränsle och utveckling av kvantdatorer.

Projektet inleddes 2011 med en grundplåt från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse. Nu får Erik Janzén, professor i halvledarmaterial, finansiering för ytterligare två års forskning.

Janzén och hans medarbetare har i många år arbetat med halvledarmaterialet kiselkarbid, som har flera viktiga fördelar framför kisel. Men eftersom kisel förekommer i tre stabila isotoper och kol i två, är det svårt att exakt kontrollera dess struktur. Genom att framställa materialet av en enda kiselisotop (Si-28) och en enda kolisotop (C-12) kan man uppnå dramatiskt förbättrade egenskaper för elektronik med hög effekt, frekvens och temperatur.

– Genom vårt samarbete med Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien har vi fått tag i tillräckligt mycket isotoprent material för att kunna beräkna den termiska ledningsförmågan. Resultaten hittills visar en tydlig förbättring, säger Erik Janzén.

Janzén är dessutom medsökande i ett annat av de nu beviljade projekten, ”Bridging the THz-gap" lett av Chalmersprofessorn Herbert Zirath.