Témy doktorandského štúdia od školského roku 2010-11

Téma 1: Meracie a zobrazovacie metódy na báze nukleárnej magnetickej rezonancie

Školiteľ: Prof. Ing. Ivan Frollo DrSc.

Popis:

• Výskum zameraný na riešenie problémov týkajúcich sa zobrazovania biologických a nebiologických objektov pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie (NMR). Hlavná orientácia výskumu je na nové zobrazovacie metódy z hľadiska špeciálnych snímačov na celotelové zobrazovanie a mikrozobrazovanie.
• Dôraz je kladený na nízke a stredné stacionárne magnetické polia, max.~0.2 Tesla, kde hlavné ciele výskumu sú: tvarové snímače s distribuovanými parametrami pre biologické a nebiologické objekty zobrazovania a na zobrazovanie stacionárnych magnetických polí, povrchové snímače pre biologické objekty, výskum a vývoj senzorov pre defektoskopiu pórovitých materiálov, tenkých vrstiev pre botaniku a pre mikrobiológiu.

Možné orientácie štúdia:

• 1. Výskum v oblasti meraní stacionárnych magnetických polí a vysokofrekvenčných magnetických polí metódami NMR.
• 2. Štúdium NMR zobrazovaní za použitia magnetických kvapalín ako kontrastného média, príprava a testovanie ferrokvapalín v štruktúre nanočastíc. Aplikácia magnetických kvapalín pri zobrazovaní veľmi tenkých vrstiev.
• 3. Štúdium efektov magnetickej susceptibility materiálov pomocou metód zobrazovania na báze magnetickej rezonancie.
• 4. Štúdium metód funkčného zobrazovania fMRI. 

Téma 2: Meracie metódy na neinvazívnu diagnostiku v medicíne a biológii

Školiteľ: Doc. Ing. Milan Tyšler, CSc.

Popis: Výskum meracích metód pre biológiu a medicínu s využitím matematického a počítačového modelovania meraných objektov a analýza možnosti ich využitia na neinvazívne určenie stavu a charakteristík vybraných biologických subsystémov (srdce, cievy, mozog). Téma práce súvisí s riešenými domácimi a medzinárodnými projektmi, na riešení ktorých sa bude doktorand podieľať.

U doktoranda sa predpokladajú znalosti elektronických meracích systémov, teórie elektromagnetických polí a zvládnutie numerických metód ich riešenia, znalosti základov elektrofyziológie skúmaných biologických systémov, schopnosť programovania v niektorom z vyšších prostredí (Visual C++, Matlab, Labview).

Téma 3: Rekonštrukcia priestorových vlastností reliéfnych objektov pomocou dvojsmernej distribučnej funkcie optickej reflektancie 

Školiteľ: Doc. RNDr. Ing. Ivan Bajla, PhD.

Popis: Teoretické a praktické problémy spojené s meraním priestorových (2.5D a 3D) vlastností plytkých reliéfnych štruktúr pomocou mapovania dvojsmernej distribučnej funkcie odrazu. Syntéza nameraných údajov a výskum otázok do akej miery a s akou presnosťou je možné rekonštruovať priestorové atribúty meraného objektu. 

Cieľom dizertačnej práce je riešenie teoretických i praktických problémov spojených s meraním priestorových (2.5D a 3D) vlastností plytkých reliéfnych štruktúr pomocou mapovania dvojsmernej distribučnej funkcie odrazu (Bidirectional Reflectance Distribution Function - BRDF). Metodika mapovania BRDF prostredníctvom svetelného dómu bola nedávno publikovaná v súvislosti so snímaním PTM (Polynomial Texture Mapping) textúr. Táto metóda bola určená hlavne na použitie v počítačovej grafike, ale v poslednom období nachádza svoje uplatnenie aj v iných oblastiach, napr. pri dokumentácii kultúrneho dedičstva, vo forenznej antropológii a pod. Doterajšie výskumy v tejto oblasti boli zamerané predovšetkým na rýchle a efektívne snímanie reflektančných obrazov. Menšia pozornosť bola venovaná syntéze nameraných údajov a otázkam do akej miery a s akou presnosťou je možné rekonštruovať priestorové atribúty meraného objektu. Hlavnými výhodami tejto metodiky, v porovnaní s alternatívnymi prístupmi (napr. 3D scanning), je jej technická nenáročnosť, nízka cena, jednoduchá použiteľnosť aj v poľných podmienkach.

Ďalšie informácie:  školiteľom- špecialistom je Dr. Svorad Štolc

 Študijné materiály na stiahnutie (74.65 Mb) 

Téma 4: Analýza interakcie medzi autonómnym nervovým systémom a kardiovaskulárnym systémom

Školiteľ:  prof. Ing. Jiří Holčík, CSc.

Popis: Téma je orientovaná na výskum a aplikáciu matematických prostriedkov a modelov na analýzu a kvantifikáciu vplyvu autonómneho nervového systému na činnosť kardiovaskulárneho systému (KVS). Práca bude založená na znalosti nameraných signálov (a ich parametrov) generovaných KVS ľudí alebo zvierat v priebehu štandardizovaných testov. Ako matematické analytické nástroje budú použité časovo-frekvenčné transformácie (komplexná demodulácia, vlnkové transformácie, Wigner-Villeova transformácia, evolučný periodogram, časový rozvoj krátkodobej DFT, selektívna DFT) a matematické modely riadenia KVS, ktorých štruktúra bude vychádzať zo znalostí fyziológie dejov v KVS a z popisu dynamiky odozvy KVS na rôzne formy stimulácie nervového systému. Výsledky matematickej analýzy budú použité na výber signálových parametrov citlivých na rôzne formy stimulácie autonómneho nervového systému a na overenie vhodnosti daných matematických nástrojov. Výsledky simulačných výpočtov s vyvinutými modelmi budú použité na upresňovanie hypotéz o formách riadenia jednotlivých čiastkových štruktúr KVS.

Téma 5: Metódy na monitorovanie a vyhodnocovanie ľudskej ospalosti, pozornosti a kognitívnej únavy

Školiteľ: Ing. Roman Rosipal, PhD.

Popis: Cieľom dizertačnej práce je štúdium pravdepodobnostných modelov a metód pre kontinuálne modelovanie a predikciu stavov ospalosti, pozornosti, pracovnej záťaže a kognitívnej únavy. Cieľom je vytvorenie inteligentného systému založeného na spojení multisenzorických, najmä elektrofyziologických dát (EEG, EOG, ECG, atdˇ.) a kontextuálnych dát. Monitorovací systém bude vytvorený a testovaný na množine reálnych dát nameraných počas viacerých experimentov. Predpokladá sa spolupráca s pracoviskami v USA, Rakúsku a vo Švédsku. Požiadavky na doktoranda: predpokladajú sa dobré znalosti matematickej štatistiky, základov spracovania signálov a programovania. Základné znalosti z oblasti elektrofyziológie sú vítané, nie však nutné.

Téma 6:  Štúdium vplyvu rôznych elektródových systémov na intraindividuálnu variabilitu máp elektrického poľa srdca so zameraním na reprodukovateľnosť meraní

Školiteľ:   Doc. RNDr. Katarína Kozlíková, CSc.

Popis: Zatiaľ najdetailnejšie informácie o elektrickej aktivite srdca možno získať neinvazívnym spôsobom pomocou povrchového mapovania elektrického poľa srdca (mnohozvodovej elektrokardiografie). Pri tejto metóde sa na povrch hrudníka ukladá veľký počet elektród do uzlových bodov konkrétnej mriežky podľa určitého algoritmu (napr. 24, 32, 64, 87, 117,...). Mriežka je určená buď pevnou vzdialenosťou medzi elektródami alebo sa prispôsobuje rozmerom a tvaru hrudníka. Aj malý posun v polohe niektorej elektródy môže viesť k závažnej chybe pri analýze a hodnotení máp, najmä pokiaľ ide o tzv. limitované zvodové systémy, kedy sa neobsadzujú všetky uzlové body. Cieľom práce by bolo porovnať mapy rôzneho typu (izopotenciálové, izointegrálové, izochrónne), počas rôznych častí srdcovej akcie, pri opakovanom naložení elektród u toho istého subjektu pre vybraný zvodový systém a pre rôzne zvodové systémy. Situáciu treba vhodným spôsobom modelovať, overiť na vzorových meraniach a pokúsiť sa kvantifikovať vzniknuté zmeny v norme a pri vybraných patológiách.

Potrebná metodika: programovanie vo vhodnom prostredí, zvládnutie štatistických metód, zvládnutie vzorových meraní pri použití rôznych zvodových systémov, štúdium publikácií v anglickom jazyku.

Ďalšie informácie:  Vhodné aj pre biomedicínskych fyzikov, štatistikov alebo informatikov.

Téma 7:   Metódy kompresného vzorkovania viacrozmerných signálov

Školiteľ:   Doc. RNDr. Ing. Ivan Bajla, PhD.

Popis: Teoretické, algoritmické a aplikačné problémy "kompresného vzorkovania" viacrozmerných signálov. Ide o prístup zásadne meniaci pohľad na možnosti kompresie signálov už počas ich vzorkovania v porovnaní s konvenčnými kompresnými metódami aplikovanými na hotové dáta. 

Cieľom dizertačnej práce je riešenie teoretických, algoritmických a aplikačných problémov "kompresného vzorkovania" viacrozmerných signálov ("compressive sampling/sensing") s prepojením na problematiku reprezentácie signálov pomocou biologicky inšpirovanej hierarchickej temporálnej pamäti. Ide o prístup zásadne meniaci pohľad na možnosti kompresie signálov už počas ich vzorkovania v porovnaní s konvenčnými kompresnými metódami (JPEG, MPEG). Obidve výskumné problematiky sa etablovali len pred niekoľkými rokmi a nesú v sebe veľký potenciál rozvoja a aplikácií v meraní, analýze signálov, telekomunikáciách a rozpoznávaní objektov reálnej scény. Téma súvisí s domácimi a zahraničnými výskumnými projektami. 

Téma 8: Inteligentné biomedicínske meracie systémy

Školiteľ: Doc. Ing. Milan Tyšler, CSc.

Popis: Téma je zameraná na výskum v oblasti nových metód a technológií neinvazívneho snímania, prenosu, spracovania, vizualizácie a diagnostického alebo terapeutického využitia vybraných elektrických a neelektrických biomedicínskych signálov. Riešenie bude orientované na signály kardiovaskulárneho a/alebo nervového systému, na teoretický návrh a experimentálne overenie meracích systémov pre nemocničné a/alebo domáce aplikácie typu „inteligentné lôžko" a „inteligentné oblečenie". Súčasťou riešenia bude analýza možností a obmedzení navrhnutých zariadení a určenie ich metrologických charakteristík. 

Predpoklady na štúdium: u doktoranda sa očakávajú dobré teoretické vedomosti z oblasti elektriny a magnetizmu, schopnosť návrhu elektronických meracích systémov ako aj zvládnutie číslicových metód spracovania signálov a schopnosť využitia softvérových prostriedkov riešenia meracích systémov (napr. v prostredí Matlab, Labview). Výhodou sú znalosti základov elektrofyziológie a biofyziky. Nutným predpokladom je dobrá znalosť odbornej angličtiny. 

Téma 9: Meranie a stanovenie dipólovej a nedipólovej zložky máp elektrického poľa srdca vo fyziologickom stave a pri vybraných ochoreniach

Školiteľ: Doc. RNDr. Katarína Kozlíková, CSc.

Popis: Elektrickú aktivitu srdca možno v prvom priblížení reprezentovať elektrickým dipólom. Tento vektor ju vysvetľuje u zdravých ľudí do cca 80 % - 90 %, u ľudí s ochoreniami srdca v menšom rozsahu (40 % - 60 %), najmä ak je ochorenie sprevádzané zmenou tvaru a veľkosti aktivačného frontu (infarkt myokardu, preexcitácia, hypertrofia, ischémia). Obdobná situácia je aj na mapách elektrického poľa srdca (mnohozvodová elektrokardiografia), ktoré sú z veľkej časti, ale zďaleka nie úplne, charakterizované dipólovým rozložením napätí na povrchu hrudníka. Jeho podiel v mape aj jeho tvar závisí od toho, či ide o zdravého človeka alebo o konkrétnu patológiu, ak zanedbáme vplyv hrudníka. Cieľom práce by bolo abstrahovať túto dipólovú zložku z reálne nameraných máp, zistiť podiel nedipólovej zložky v norme a pri vybraných patológiách, ako aj v závislosti od typu mapy (izopotenciálová, izointegrálová, izochrónna), resp. od časti srdcovej akcie (časová závislosť), prípadne v závislosti od použitého zvodového systému. 

Potrebná metodika: výber vhodného zvodového systému, zvládnutie vzorových meraní, výpočet a analýza vlastných vektorov, faktorová a diskriminačná analýza, programovanie vo vhodnom prostredí, štúdium publikácií v anglickom jazyku. 

Ďaľšie informácie:  Vhodné aj pre biomedicínskych fyzikov, štatistikov alebo informatikov.

Téma 10: Príspevok k využitiu nanotechnológií pre rozvoj meracej techniky - nanosenzory

Školiteľ: Ing. Ján Maňka, CSc.

Popis: Cieľom práce je prispieť k rozvoju technológie prípravy, charakterizovaniu oxidových nanoštruktúr a k vývoju nanosenzorov, príp. reagentov pre medicínu, elektrotechniku a životné prostredie. S využitím duálneho mikroskopu - FIB (Focus Ion Beam), TEM, XRD, SEM, a SQUID susceptometra bude sledovaný vplyv technologických parametrov prípravy vybraných oxidových nanoštruktúr (napr. Fe3O4, SnO2, VO2) na ich tvar, mikroštrukturálne, elektrické a magnetické vlastnosti. S cieľom optimalizácie transportných vlastností sledovaných nanoštruktúr bude študovaný vplyv dopovania a viacerých spôsobov väzby funkčných skupín s bázovou štruktúrou oxidu. Bude navrhnutý postup a metódy realizovania a testovania nanosenzora a charakterizované jeho mikroštrukturálne a funkčné (resp. prenosové) vlastnosti.

Predpoklady na štúdium: U uchádzača sa predpokladajú znalosti v oblasti elektrických a magnetických polí, teórie obvodov a meracej techniky. U doktoranda sa predpokladá schopnosť vedieť pracovať na unikátnom pokročilom zariadení FIB, vyžadujúcom okrem teoretických znalostí aj vysokú precíznosť. Predpokladá sa tiež schopnosť programovania v aplikačných prostrediach a flexibilita. Nutná je dobrá znalosť odbornej angličtiny a schopnosť práce s elektronickými informačnými zdrojmi.