Státnicové okruhy magisterského programu Lékařská elektronika a bioinformatika

Student odpoví na tři hlavní otázky, které mu zkušební komise určí z níže uvedeného seznamu tematických okruhů. Dále může komise položit i otázky doplňující, je-li to potřebné ke zjištění znalostí studenta.

Společný základ SZZ:

  1. Statistická analýza dat – lineární regrese (předpoklady, odhad parametrů modelu, interpretace modelu, výběr relevantních proměnných, statistické srovnání mezi modely), nelineární regrese (příklady konkrétních algoritmů a jejich srovnání), analýza rozptylu, lineární a nelineární metody redukce dimenze (cíle, příklady konkrétních algoritmů, jejich vlastnosti a srovnání), shlukování (definice úlohy a její složitost, příklady hierarchických a nehierarchických metod shlukování, spektrální shlukování), robustní statistika (motivace pro robustní statistiku a příklady metod). (B4M36SAN)
  2. Lékařská technika - snímání biologických potenciálů, snímací elektrody, funkční bloky lékařských přístrojů, jejich obvodové řešení a parametry, principy měření srdeční činnosti, elektrokardiogram, měření srdečního výdeje, měření krevního tlaku, hemodynamické parametry, kardiostimulátory a defibrilátory, elektroencefalografie, elektromyografie, spirometrie, měření teploty a dalších tělesných parametrů (BAM31LET)
  3. Biologické signály - signály nervů, svalů, srdce, mozku, zraku, žaludku, hlasu a řeči. Geneze, snímání, průběhy, parametry. Analýza a zpracování v časové a ve frekvenční oblasti, filtrace, potlačení rušení a artefaktů, detekce grafoelementů. Spontánní a evokované signály, subjektivní a objektivní hodnocení poruch, příklady patologií. Polysomnografie (spánkové cykly), plicní funkce (objemy, kapacity). (BAM31BSG)
  4. Zobrazovací systémy v lékařství - optická, fluorescenční a elektronová mikroskopie, principy a použití; rentgen - principy, zdroje a detektory; počítačová tomografie (CT) - principy, konstrukce, a rekonstrukční techniky; ultrazvuk - principy, generování, detekce, Dopplerovský ultrazvuk, kontrastní látky, 3D; magnetická rezonance (MRI) - fyzikální principy, prostorové kódování, funkční magnetická rezonance (fMRI); nukleární zobrazovací metody - SPECT, PET, principy, rekonstrukční algoritmy a použití. (BAM33ZSL)

Specializační část SZZ Bioinformatika:

  1. Bioinformatika - analýza biologických sekvencí (sekvenování a sestavování, zarovnávání, porovnávání, modelování, porovnávání a organizace do fylogenetických stromů; složitost úloh, algoritmy a jejich typické použití), modely vyšší struktury nukleových kyselin a bílkovin (rozlišení a srovnání úrovní popisu struktury, základní způsoby predikce vyšší struktury), genomické databáze a jejich využití (DNA, RNA, proteiny, genová exprese, anotační databáze, interakční databáze). (BAM36BIN)
  2. Kombinatorická optimalizace - Problémy kombinatorické optimalizace zahrnující popis aplikací, formalizaci problému, rozbor složitosti a řešící algoritmy. Celočíselné lineární programování, toky a řezy, nejkratší cesty, úloha obchodního cestujícího, úloha batohu a rozvrhování. (B4M35KO)
  3. Molekulární biologie a genetika - chemické složení živé hmoty, experimentální modely a metody, genetický kód, struktura DNA, RNA a bílkovin, sekvenace genomů. (B4M36MBG)
  4. Pokročilá algoritmizace - Standardní grafové algoritmy s polynomiální složitostí. Kombinatorické a číselně teoretické algoritmy, izomorfismus, prvočíselnost a pseudonáhodná čísla. Vyhledávací stromy a haldy, jejich využití. Vyhledávání ve vícedimenzionálním prostoru. Přesné a přibližné vyhledávání v textu založené na konečných automatech. (B4M33PAL)
  5. Statistické strojové učení - Minimalizace empirického rizika a odhad chyby generalizace. Odhad maximální věrohodnosti, EM algoritmus. Standardní a hluboké neuronové sítě a jejich učení. Modely se strukturovaným výstupem, Markovské modely, HMM. Bayesovský odhad a skládání slabých klasifikátorů. (BE4M33SSU)

Specializační část SZZ Lékařská technika:

  1. Aplikace elektromagnetických polí v medicíně - interakce neionizujícího elektromagnetického (EM) pole s biologickými systémy. Využití termálních účinků EM pole v medicíně – diatermie pro fyzioterapii, hypertermie pro onkologii a ablace pro kardiologii a urologii. Aplikátory pro EM termoterapii. Plánování léčby pomocí dielektrického modelu pacienta. Perspektivní diagnostické metody na bázi mikrovlnných technologií – mikrovlnná diferenční tomografie. Neinvazivní měření teploty uvnitř lidského těla mikrovlnnými radiometry (BAM17EPM)
  2. Fyzika pro diagnostiku a terapii - základní přehled biologických účinků elektromagnetického pole a využití těchto účinků v medicíně - radioterapie, výpočetní systémy pro plánování radioterapie, radioterapeutické simulátory. Fyzikální terapie – základní účinky, indikace a kontraindikace, elektroterapie, ultrazvuková terapie, magnetoterapie, fototerapie. Protetika - bloková schémata, motory používané u protetických náhrad horních končetin (A6M02FPT)
  3. Konstrukce lékařských systémů - obecná struktura lékařského elektronického přístroje s analogovou a číslicovou částí, měřicí zesilovače, analogové filtry a filtry se spínanými kondenzátory, měřicí převodníky, A/Č a Č/A převodníky. Systémy pro počítačovou podporu návrhu měřicích přístrojů, virtuální lékařské měřicí přístroje (A6M38KLS)
  4. Neurofyziologie - struktura neuronu, glie, klidový membránový potenciál, akční potenciál v nervové buňce, šíření akčního potenciálu, myelinová pochva, synapse, neuropřenašeče, synaptické receptory, reflex, svalové vřeténko, funkce míchy, volní řízení hybnosti, úloha bazálních ganglií a mozečku v regulaci motoriky, EEG a evokované potenciály, spánek a bdění, typy paměti a podstata vzniku paměťové stopy, bolest a čití, zrak, sluch, převod zvukových vln na elektrické signály, cévní zásobení mozku. (BAM31NPG)
  5. Zpracování analogových signálů - základní tranzistorové struktury analogových elektronických obvodů, ideová realizace operačního zesilovače na tranzistorové úrovni: ukázka zapojení, popis funkce, analýza. Syntéza analogových filtrů: vlastnosti jednotlivých aproximací v kmitočtové a časové oblasti, možnosti realizace včetně spínaných obvodů a jejich vlastností. (B2M31ZAS)

Specializační část SZZ Zpracování obrazu:

  1. Kombinatorická optimalizace - Problémy kombinatorické optimalizace zahrnující popis aplikací, formalizaci problému, rozbor složitosti a řešící algoritmy. Celočíselné lineární programování, toky a řezy, nejkratší cesty, úloha obchodního cestujícího, úloha batohu a rozvrhování. (B4M35KO)
  2. Metody počítačového vidění - Detekce bodů zájmu. Hledání korespondencí mezi obrazy. Detekce geometrických primitiv. RANSAC. Vyhledávání ve velkých obrazových databázích. Sledování objektů. (B4M33MPV)
  3. Pokročilá algoritmizace - Standardní grafové algoritmy s polynomiální složitostí. Kombinatorické a číselně teoretické algoritmy, izomorfismus, prvočíselnost a pseudonáhodná čísla. Vyhledávací stromy a haldy, jejich využití. Vyhledávání ve vícedimenzionálním prostoru. Přesné a přibližné vyhledávání v textu založené na konečných automatech. (B4M33PAL)
  4. Statistické strojové učení - Minimalizace empirického rizika a odhad chyby generalizace. Odhad maximální věrohodnosti, EM algoritmus. Standardní a hluboké neuronové sítě a jejich učení. Modely se strukturovaným výstupem, Markovské modely, HMM. Bayesovský odhad a skládání slabých klasifikátorů. (BE4M33SSU)
  5. Zpracování medicínských obrazů - Předzpracování obrazů, lineární a nelineární filtrace. Textura a deskriptory textury. Vlnková transformace, komprimované snímání. Segmentace metodou aktivních kontur, křivky úrovně (level sets). Segmentace v příznakovém prostoru, modely tvaru a vzhledu, popis a analýza tvaru. Nelineární registrace obrazů, klíčové body, registrace na základě kritérií podobnosti, multimodální registrace. Tomografická rekonstrukce. Vizualizace 3D objemů i povrchů. (BAM33ZMO)

Specializační část SZZ Zpracování signálů:

  1. Adaptivní metody zpracování signálu - Definice adaptivního systému a základní pojmy. Typické úlohy adaptivní filtrace. Konvergenční chování adaptivních algoritmů LMS a jeho modifikací a RLS. Aplikace adaptivní filtrace. Kalmánova filtrace a její zobecnění. Dekorelace a separace vícerozměrných signálů. Beamforming, podmínky činnosti, pole senzorů -lineární pole (ULA), jednoduchá metoda určení směru příchodu signálu pomocí matice dat, princip a vlastnosti systémů odhadu směru příchodu signálů. (B2M31ADA)
  2. Modelování a analýza mozkové aktivity - základní příklady generativních modelů neurální aktivity (membránová dynamika, modely jednotlivých neuronů, populační modely). Specifické problémy v analýze funkční magnetické rezonance a elektrofyziologických signálů. Funkční a efektivní konektivita - definice, metody, srovnání výhod a nevýhod jejich použití. Pokročilé metody analýzy dat v neurozobrazování - statistická inference, redukce dimenze, náhradní modely, teorie sítí. (BAM31MOA)
  3. Neurofyziologie - struktura neuronu, glie, klidový membránový potenciál, akční potenciál v nervové buňce, šíření akčního potenciálu, myelinová pochva, synapse, neuropřenašeče, synaptické receptory, reflex, svalové vřeténko, funkce míchy, volní řízení hybnosti, úloha bazálních ganglií a mozečku v regulaci motoriky, EEG a evokované potenciály, spánek a bdění, typy paměti a podstata vzniku paměťové stopy, bolest a čití, zrak, sluch, převod zvukových vln na elektrické signály, cévní zásobení mozku. (BAM31NPG)
  4. Pokročilé metody DSP - Modelování signálů, typy procesů AR, MA a ARMA. Měření zpoždění mezi signály. Koherenční funkce, pojem MSC, správný postup odhadu MSC a její použití. Vliv šumu na odhad MSC. Kepstrální analýza. Definice spektrální a kepstrální míry. Diskrétní kosinová transformace (DCT), Karhunenova Loevova transformace a rozklad na hlavní komponenty (KLT a PCA). Modely zkreslení signálů. Prostá inverzní filtrace. Wienerova filtrace. Princip slepé separace a dekonvoluce signálů. Vlnková transformace a použití pro redukci šumu. Princip metod označovaných jako sparse signal processing (compressed sensing) a jejich význam. (B2M31DSP)
  5. Zpracování analogových signálů - základní tranzistorové struktury analogových elektronických obvodů, ideová realizace operačního zesilovače na tranzistorové úrovni: ukázka zapojení, popis funkce, analýza. Syntéza analogových filtrů: vlastnosti jednotlivých aproximací v kmitočtové a časové oblasti, možnosti realizace včetně spínaných obvodů a jejich vlastností. (B2M31ZAS)