Prezenční studium

4 roky

prof. Ing. Valentine Provazník, Ph.D.

Předseda :
prof. Ing. Valentine Provazník, Ph.D.
Člen interní :
doc. Ing. Radim Kolář, Ph.D.
doc. Ing. Jana Kolářová, Ph.D.
doc. Ing. Daniel Schwarz, Ph.D.
Člen externí :
prof. Mgr. Jiří Damborský, Dr.
prof. Pharm.Dr. Petr Babula, Ph.D.
Prof. José Millet Roig
prof. Ewaryst Tkacz, Ph.D.,D.Sc.
prof. MUDr. Marie Nováková, Ph.D.
prof. Dr. Marcin Grzegorzek

Studijní program "Biomedicínské technologie a bioinformatika" si klade za cíl vychovávat absolventy, kteří budou zralými a výraznými vědeckými osobnostmi s velkým odborným a vědeckým rozhledem v oblasti biomedicínského inženýrství, bioinformatiky, biomedicínských technologií, matematické a systémové biologie a analýzy -omics dat. Absolventi také získají znalosti a zkušenosti zasahující do ryze technických oblastí, jako jsou především pokročilé metody zpracování vícerozměrných dat či oblast strojového učení. Na druhé straně se v rámci studia také seznámí s oblastmi experimentální fyziologie, molekulární biologie a genetiky. Také je kladen důraz na získání zkušeností v základním a experimentálním výzkumu a na schopnost extrakce fundamentálních poznatků z daných oblastí. Kromě rozvoje specifických odborných znalostí je kladen důraz i na rozvoj praktických dovedností typu „soft-skills“, jazykových, publikačních a prezentačních dovedností, a schopností práce v týmu i řízení týmu.

Absolvent doktorského studia tohoto programu je zralou vědeckou osobností s velkým rozhledem v oblastech biomedicínského inženýrství, bioinformatiky, matematické a systémové biologie, -omics technologií, ale také v oblasti technických věd. Je připraven řešit náročné výzkumné a vývojové problémy. V praxi je absolvent doktorského studia schopen samostatné tvůrčí činnosti a je připraven samostatně vést výzkum a vývoj ve zmíněných oblastech vědy. Dále je schopen řídit výzkumné týmy a zajišťovat mezioborovou komunikaci a spolupráci. Najde uplatnění v tuzemských i mezinárodních výzkumných institucích a ve firmách, kde je ve velké míře požadován inovativní přístup k řešení problémů – od návrhu řešení po realizaci.

Absolventi studijního programu “Biomedicínské technologie a bioinformatika” naleznou uplatnění jako vědecky erudovaní odborníci ve vědeckých a výzkumných institucích, firmách zabývajících se výzkumem a vývojem, instalacemi a servisem lékařské a laboratorní přístrojové techniky, dále na klinických pracovištích, nemocnicích a vědeckých centrech mezinárodního výzkumu. Absolventi programu budou rovněž dostatečně teoreticky i prakticky připraveni, aby v případě realizace akademické kariéry byli kvalitními výzkumníky se schopností budovat vlastní vědeckou školu a předávat nejnovější vědecké poznatky dalším generacím výzkumníků.

Studium doktoranda probíhá podle individuálního studijního plánu, který je zpracován v úvodu studia školitelem doktoranda ve spolupráci s doktorandem a následně schválen oborovou radou. V individuálním studijním plánu jsou specifikovány všechny povinnosti stanovené v souladu se Studijním a zkušebním řádem VUT, které musí doktorand k úspěšnému ukončení studia splnit. Tyto povinnosti jsou časově rozvrženy do celého období studia, jsou bodově ohodnoceny a v pevně daných termínech probíhá jejich plnění. Doktorandi jsou s ohledem na své zaměření již od počátku svého studia zapojeni do vědeckých skupin, které jsou specificky zaměřeny na konkrétní oblasti. Rozmanitost řešených témat v rámci biomedicínského inženýrství a bioinformatiky a nutnost studovat velmi specifické oblasti dokládá výčet odborných oblastí:

1. Akvizice a zpracování signálů: a) Zpracování a analýza EKG signálů. b) Experimentální kardiologie. c) Zpracování biologických dat. d) Fúze biologických dat.
2. Zpracování a analýza obrazů: a) Zpracování obrazů v mikroskopii. b) Zpracování a analýza CT obrazů. c) Zpracování obrazů a zobrazování v oftalmologii.
3. Bioinformatika: a) Číslicové zpracování genomických signálů. b) Funkční genomika a systémová biologie. c) Mapování farmakoforu a virtuální screening.
4. Buněčná biologie: Experimentální mikroskopická technika pro buněčné inženýrství.
 


Stěžejními teoretickými odbornými předměty jsou Mentoring 1 a Mentoring 2. Obsahy obou předmětů jsou pro každého doktoranda individuální. Optimální skladba studijních materiálů je navržena školiteli a školiteli specialisty pro každého doktoranda zvlášť tak, aby reflektovala zaměření disertační práce doktoranda a umožnila doktorandovi dosáhnout v dané oblasti (ale i příbuzných, zvláště pak interdisciplinárních, oblastech) hlubokého poznání nutného k dosažení mezinárodně kompetitivních vědeckých výsledků. Studovaná témata jsou probírána s experty na danou problematiku z řad akademických pracovníků VUT v Brně a také s experty ze spolupracujících domácích i zahraničních pracovišť. Odbornou úroveň garantuje garant studijního programu, členové oborové rady a dále školitelé doktorandů. Pro malou skupinu doktorandů s tak rozmanitými oblastmi studia je toto řešení maximálně přínosné a efektivní. Dílčí výstupy z teoretických odborných předmětů Mentoring 1 a Mentoring 2, spolu s praktickými výsledky, jsou studenty rozpracovávány do formy vědeckých časopiseckých článků a publikovány na mezinárodní úrovni.

Sledování a zvyšování kvality studijních výsledků je zajištěno absolvováním předmětů Vědecký seminář 1 a Vědecký seminář 2, které jsou zaměřeny na aktivní hledání možností řešení výzkumných problémů, obhajobu a oponování dílčích výsledků vědecké práce před odborným publikem a identifikaci efektivnějších řešení vedoucích k dosažení originálních publikovatelných výsledků. Oblast výzkumných problémů je stanovena v souladu s tématy dizertačních prací jednotlivých doktorandů. V předmětech Vědecká akademie 1 a Vědecká akademie 2 doktorandi zajišťují týmovou činnost vedením talentovaných studentů bakalářského a magisterského studijního programu. Účelem předmětu je zvýšit schopnosti doktorandů související s týmovým a projektovým managementem při řešení konkrétních výzkumných úkolů souvisejících s tématy dizertačních prací.

Další předměty studijního programu jsou zaměřeny na dovednosti typu „soft skills“, podle nichž jsou předměty pojmenovány: Prezentační a publikační dovednosti, Týmová spolupráce. Cílem „soft skills“ předmětů je připravit doktorandy na vědecky úspěšnou publikační činnost ve vědeckých časopisech zařazených ve své kategorii do kvartilu Q1 a prezentaci výsledků na prestižních mezinárodních konferencích indexovaných v Conference Proceedings Citation Index. V rámci předmětů doktorandi prohlubují své znalosti v oblasti odborné problematiky dle svého zaměření v souvislostech s definovanými dovednostmi. Pro studium těchto předmětů jsou využity dílčí výstupy z teoretických odborných předmětů Mentoring 1 a Mentoring 2. Časopisecké články jsou připravovány v optimálních návaznostech, postupy práce na publikacích jsou diskutovány v rámci zkušenějších týmů, výsledky jsou prezentovány kolegům z odborných skupin na pracovišti. Doktorandi se učí efektivně používat vědecké nástroje, optimalizují vědeckou práci a osvojují si zásady sdílení vědeckých výsledků.
Podrobnosti všech předmětů jsou uvedeny v charakteristikách studijních předmětů viz formuláře B-III.


Předměty, které student povinně absolvuje před státní doktorskou zkouškou, jsou následující:
1. “Mentoring 1”
2. “Mentoring 2”
3. “Vědecký seminář 1”
4. “Vědecký seminář 2”
5. “Týmová spolupráce”
6. “Prezentační a publikační dovednosti”
7. “Angličtina ve vědě”
8. “Vědecká akademie 1”
9. “Vědecká akademie 2”
10. "Zkouška z angličtiny před státní doktorskou zkouškou"

Volitelným předmětem je Angličtina pro doktorandy, který studenty připravuje ke zkoušce z angličtiny před státní doktorskou zkouškou.

Ke státní doktorské zkoušce předkládá doktorand pojednání o své disertační práci. Obsahem je detailní popis práce včetně stanovení základních cílů, důkladné zhodnocení stavu vědeckého poznání v řešené oblasti a popis metod aplikovaných na řešení daného problému. Obhajoba pojednání, které je oponováno, je součástí státní doktorské zkoušky. V další části zkoušky musí student prokázat hluboké teoretické i praktické znalosti v oblastech souvisejících se zaměřením jeho studia. V širším kontextu se jedná o oblast biomedicínského inženýrství, bioinformatiky, biomedicínských technologií, matematické a systémové biologie a analýzy -omics dat. Státní doktorská zkouška probíhá ústní formou a kromě diskuse nad pojednáním k disertační práci se také skládá z tematických okruhů týkajících se povinných předmětů. K obhajobě disertační práce se student hlásí po vykonání státní doktorské zkoušky a po splnění podmínek pro ukončení, jakými jsou účast na výuce, vědecká a odborná činnost (tvůrčí činnost) a minimálně měsíční studijní nebo pracovní stáž na zahraniční instituci nebo aktivní účast na mezinárodním tvůrčím projektu.

Studium doktoranda probíhá podle individuálního studijního plánu (dále jen ISP), který zpracuje v úvodu studia školitel doktoranda ve spolupráci s doktorandem, a který je následně schválen oborovou radou. Individuální studijní plán je pro doktoranda závazný. Jsou v něm specifikovány všechny povinnosti stanovené v souladu se Studijním a zkušebním řádem VUT, které musí doktorand k úspěšnému ukončení studia splnit. Tyto povinnosti jsou časově rozvrženy do celého období studia a jsou bodově ohodnoceny v kategoriích Studijní oblast, Pedagogická praxe, Vědecká a odborná činnost. V pevně daných termínech probíhá kontrola plnění těchto povinností. Průběžné bodové hodnocení všech aktivit doktoranda je vedeno v dokumentu „Celkové bodové hodnocení doktoranda“ a je součástí ISP. Při zahájení dalšího roku studia pak školitel do ISP zaznamená případné změny a předkládá ke schválení oborovou radou. Nejpozději do 15.10. každého roku studia odevzdává doktorand vytištěný a podepsaný ISP na Vědeckém oddělení fakulty ke kontrole a archivaci.
Během prvních čtyř semestrů skládá doktorand zkoušky z povinných, povinně volitelných anebo volitelných předmětů. Současně se intenzivně zabývá vlastním studiem a analýzou poznatků v oboru stanoveném tématem disertační práce a průběžným publikováním takto získaných poznatků a vlastních výsledků. V dalších semestrech se doktorand již více soustřeďuje na výzkumnou práci, která souvisí s tématem disertační práce, na publikování výsledků své tvůrčí práce a na vlastní zpracování disertační práce.
Do konce druhého roku studia skládá doktorand státní doktorskou zkoušku, kterou prokazuje široký rozhled a hluboké znalosti v oboru souvisejícím s tématem disertační práce. K této zkoušce se musí přihlásit nejpozději do 30. dubna ve druhém roce svého studia. Státní doktorské zkoušce předchází zkouška z anglického jazyka.
Ve třetím a čtvrtém roce svého studia provádí doktorand potřebnou výzkumnou činnost, publikuje dosažené výsledky a zpracovává svoji disertační práci. Součástí studijních povinností v doktorském studijním programu je absolvování části studia na zahraniční instituci v rozsahu nejméně 1 měsíc (doporučovaná délka je alespoň 6 měsíců) nebo účast na mezinárodním tvůrčím projektu s výsledky publikovanými nebo prezentovanými v zahraničí nebo jiná forma přímé účasti studenta na mezinárodní spolupráci, což je nutné doložit nejpozději při odevzdání disertační práce.
Doktorandi v prezenční formě ve čtvrtém roce studia a doktorandi v kombinované formě v pátém roce studia předkládají do konce zimního zkouškového období svému školiteli rozpracovanou disertační práci, který ji ohodnotí. Disertační práci by měl doktorand odevzdat do konce 4. roku v prezenční formě studia, respektive do konce 5. roku v kombinované formě studia.
Student prezenční formy doktorského studia je v průběhu studia povinen absolvovat pedagogickou praxi, tj. působit v procesu výuky. Zapojení doktoranda do pedagogické činnosti je součástí jeho vědecké přípravy. Pedagogickou praxí doktorand získává zkušenosti v předávání poznatků a zdokonaluje prezentační dovednosti. Skladbu pedagogických aktivit (cvičení, laboratorní cvičení, vedení projektů apod.) určí doktorandovi vedoucí daného ústavu po dohodě se školitelem. Povinnost pedagogické praxe se nevztahuje na doktorandy-samoplátce a na doktorandy v kombinované formě studia. Zapojení do výuky v rámci pedagogické praxe potvrdí po jejím splnění školitel v IS VUT.

1. Detekce a charakterizace plicních nodulů ve screeningových nízkodávkových CT datech

   Téma je zaměřené na zpracování obrazových dat z tzv. nízko dávkového CT vyšetření, které se používá pro screening rakoviny plic. Během řešení tohoto tématu budou navrženy a realizovány postupy, které povedou k vyšší vytěžitelnosti dat získaných při tomto vyšetření. Záměrem je především detekce plicních nodulů a jejich následná klasifikace na základě velikosti, tvaru a dalších charakteristik. V současné době dochází k zavádění těchto postupů v rámci celoevropské studie, která se zabývá včasnou detekcí rakoviny plic. Téma bude řešeno na dostupných datových sadách ze zahraničních pracovišť, během řešení tématu se předpokládá také zpracování dat z Masarykova onkologického ústavu v Brně, ve kterém screeningová studie aktuálně probíhá. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Mézl Martin, Ing., Ph.D.

2. Metody a materiály pro 3D biotisk cév

   Biotisk ve 3D je pokročilá výrobní technika schopná produkovat konstrukty ve tvaru tkáně. Pro návrh těchto struktur byla představena řada hydrogelových bioinkoustů. Ty však mají různá omezení v napodobování vaskulárního složení nativních tkání. Současné bioinkousty postrádají vysokou tisknutelnost a nejsou schopny zajistit vysokou hustotu živých buněk složitých 3D architektur, což je činí méně účinnými. Práce je zaměřena na výzkum nových přístupů v návrhu 3D biotiskového modelu cév, který napodobuje její chování v živém organismu. Cévy vytvořené 3D biotiskem jsou nástrojem k pochopení patofyziologie vaskulárních onemocnění a posouzení terapie v preklinických studiích. 3D biotisk je pokročilá výrobní technika schopná produkovat tkáňové konstrukty vrstvu po vrstvě s vkládáním živých buněk, takže výsledné uspořádání odpovídá mnohobuněčným vaskulárním strukturám. Dostupné hydrogelové bioinkousty mají omezení zabraňující napodobování vaskulárního složení nativních tkání. Současné bioinkousty postrádají přesnou tisknutelnost a nejsou schopny zajistit vysokou hustotu živých buněk v složitých 3D architekturách tkání. Hlavním cílem projektu je vyvinout nový nanoinženýrský bioinkoust pro tisk anatomicky přesných mnohobuněčných krevních cév. Bioinkoust bude použit k tisku 3D cylindrických krevních cév sestávajících z živých kokultur endoteliálních buněk a buněk hladkého svalstva. Konečný konstrukt musí poskytovat možnost modelování vaskulární funkce a vlivu různých onemocnění. Projekt vyžaduje návrh a charakterizaci vhodných nanomateriálů pro vývoj nového bioinkoustu. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Provazník Valentine, prof. Ing., Ph.D.

3. Metody zpracování signálu v digitálních obkreslovacích testech

   Obkreslovací testy slouží v psychologii k hodnocení vývoje jedince. Jejich konvenční využití se však pojí s náročností hodnotícího procesu a s problematikou subjektivního hodnocení, závislého na zkušenostech hodnotitele. Digitalizace obkreslovacích testů spojená s vývojem metod zpracování kresebného signálu přinese do hodnotícího procesu objektivitu a umožní stanovit nové psychometrické ukazatele, zvyšující diagnostický potenciál testů. Téma je zaměřeno na vytvoření nových metod zpracování signálu pro automatickou analýzu kresebného procesu. Doktorand/ka bude zkoumat charakteristiky kresebných dat a navrhovat kvantifikátory pro popis časových a prostorových charakteristik digitálních kresebných tahů s cílem automatizovat hodnotící proces. Doktorand/ka dále vyhodnotí úspěšnost navržených přístupů a jejich vhodnost pro použití v pediatrické populaci. Doktorand/ka bude zapojen do interdisciplinárního výzkumu realizovaného především na Ústavu biomedicínského inženýrství ve spolupráci s psychologem a odborníky na digitální akvizici kresby, ale očekává se i jeho zapojení do mezinárodní spolupráce a stáží na partnerských zahraničních univerzitách. Koncept akvizice kresebných dat byl již navržen a ověřen a doktorandovi jsou k dispozici data z pilotních experimentů, umožňující jeho hladké začlenění do výzkumu s cílem identifikovat potenciálně významné psychometrické ukazatele, které mohou být použity k diagnostice konkrétních onemocnění. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Janoušek Oto, Ing., Ph.D.

4. Moderní metody zpracování obrazu v aplikacích magnetické rezonance srdce

   Nukleární magnetická rezonance představuje jeden z nejmodernějších zobrazovacích systémů v lékařství. Rozvoj těchto metod a lepší dostupnost těchto systémů přináší další oblasti, ve kterých lze tyto metody pro diagnostiku použít. To sebou nese mnohem větší objemy dat získaných touto modalitou a z toho vyplývající potřebu nových metod, které umožní zpracování těchto dat a zároveň přinesou pokročilejší a přesnější diagnostiku. Jednou z těchto oblastí je kardiologického vyšetřování pomocí magnetické rezonance, což je téma této dizertační práce. Vůbec prvním krokem je správná orientace srdce tedy nalezení radiologických rovin, které jsou důležité pro správné nasnímání srdce pomocí nukleární magnetické rezonance. Zde se ukazuje, že využití metod založených na strojovém učení (deep learning) by mohlo umožnit automatickou detekci z přehledových dat a tím dokážou, jak urychlit průběh vyšetření, tak rovněž to snímání zpřesnit. Dalším navazujícím krokem je návrh vhodných metod pro podporu diagnostiky srdečních onemocnění. Jsou to jak segmentační metody, které mohou vést k podrobnější analýze stavu srdce (srdeční objemy, tloušťka myokardu a další), tak další pokročilé metody založené na hlubokém učení pro podporu diagnostiky (detekce změn v tkání, lézí, anatomických odlišností apod.). Předpokládá se však spolupráce s externími partnery – národními klinickými pracovišti (FN Brno, VFN Praha, FNUSA/ICRC Brno) a zahraničními institucemi (IRST IRCCS Meldola Itálie, Philips Healthcare Nizozemí, DKFZ Heidelberg Německo), umožňující klinické vyhodnocení výsledků a jejich diskusi s odbornými lékaři. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Harabiš Vratislav, Ing., Ph.D.

5. Nové metody studia kožních vrstev při aplikaci léčiv a regeneraci tkání

   Toto výzkumné téma se zaměřuje na vývoj a testování metodiky transendodermálního podávání různých typů léčiv (značených nanočástic, liposomů, exosomů nebo jiných) přes modelové a reálné vrstvy kůže. Doktorand bude primárně provádět výzkum v biologické laboratoři a zaměří se na vytvoření modelových epiteliálních kultur kůže a aplikaci laboratorních postupů - metody měření trans-epiteliálního/endoteliálního elektrického odporu, techniku konfokální fluorescenční mikroskopie k testování modelové vrstvy a analýzu přenosů léčiv přes modelovou vrstvu v in-vivo experimentech. Téma bude rovněž zahrnovat použití podpůrných technik (např. optické koherenční tomografie) pro testování přenosů do skutečné kůže v in-vivo experimentech na zvířecích modelech. Doktorand se bude podílet na interdisciplinárním výzkumu v rámci projektu, který zahrnuje experimentální práci s endoteliálními a epiteliálními buňkami, vytváření buněčných monovrstev a vícevrstev včetně testování modelových vrstev, testování a aplikaci moderních léčiv, využívání pokročilých přístrojů a metodik pro získávání a interpretaci obrazových dat a jejich další analýzu. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Kolář Radim, doc. Ing., Ph.D.

6. Nové přístupy k detekci a predikci horizontálního přenosu genů mezi bakteriemi

   Téma PhD studia bude zaměřeno na identifikaci a charakterizaci mobilního genetického materiálu (jsou to např. transpozony, plazmidy, geny rezistence na antibiotika, hypotetické proteiny). Dále bude stanoven rezervoár těchto mobilních genetických elementů. Bioinformatické přístupy budou zahrnovat analýzu metagenomických sekvenačních dat. Dále budou také navrženy nové výpočetní metody, které odhadnou, do jaké míry blízce příbuzné druhy sdílejí horizontálně získané geny, a jak lze odlišit tyto horizontálně přenosné geny od evolučně příbuzných genů. Výsledky projektu umožní sledování toku přenositelných genů, především sledování genů rezistence na antibiotika. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Čejková Darina, Mgr. Bc., Ph.D.

7. Nové přístupy k zobrazování a zpracování obrazu pro sledování onemocnění sítnice

   Téma je zaměřeno na metody současného hodnocení okysličení sítnice a krevního oběhu, včetně vývoje specifického oftalmologického přístroje a vhodných metod zpracování obrazu. Základní koncepce tohoto oftalmologického zařízení již byla navržena a ověřena v průběhu posledních 3 let. Modifikace této koncepce umožní snímat videosekvence sítnice při více vlnových délkách a současně získávat různé biosignály - především elektrokardiogram, fotopletysmografický a respirační signál. Doktorand se tak v rámci tohoto projektu bude podílet na interdisciplinárním výzkumu, který zahrnuje oblasti, jako je zobrazování sítnice a její funkční hodnocení, dále pokročilé zpracování obrazu a signálu a strojové učení. Cílem výzkumu je nalézt metodiku hodnocení okysličení sítnice, včetně potenciálně důležitých biomarkerů vhodných pro diagnostiku konkrétních onemocnění. Aplikovaná metodika bude zahrnovat specifické zpracování obrazu za účelem získání nových prostorových map souvisejících se změnami objemu krve, extrakci specifických časových signálů z videodat a aplikaci vhodných metod k odhalení vztahu mezi fyziologickými signály a obrazovými daty sítnice. Projekt bude řešen především na Ústavu biomedicínského inženýrství. Předpokládá se však spolupráce se zahraničními partnery - Univerzitou v Lipsku a Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg v Německu a University of Minnesota v USA. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Kolář Radim, doc. Ing., Ph.D.

8. Nové přístupy v získávání bakteriálních genomů z metagenomů

   Nedávné pokroky v sekvenování DNA umožnily rutinní sekvenování vzorků ze životního prostředí. Současné výpočetní nástroje však jen stěží drží krok s neustále se měnícími laboratorními technikami a rostoucím výkonem sekvenačních zařízení. Proto jsou zapotřebí nové účinné výpočetní techniky pro získávání konkrétních genomů z metagenomů. Téma je zaměřeno na metody získávání konkrétních bakteriálních genomů ze vzorků životního prostředí, tedy metagenomů. Zatímco v minulosti musely být všechny nově popsané bakterie izolovány a jejich kultura musela být zpřístupněna veřejnosti, nedávná iniciativa SeqCode přinesla nomenklaturní kód pro prokaryota popsaná přímo ze sekvenčních dat, protože mnoho mikrobiálních druhů je současnými technikami nekultivovatelných. Navíc i pro nově publikované kultivované bakterie dnes vědecké časopisy vyžadují důkazy jejich přítomnosti v životním prostředí založené na vyhledávání ve veřejně dostupných metagenomech. Ačkoli existují nástroje pro přímé sestavování genomů z metagenomu, prohledávání metagenomů na výskyt konkrétního analyzovaného genomu se provádí výhradně pomocí BLAST a není detailně popsáno. Bohužel kvůli opakujícím se segmentům bakteriálních genomů jsou vždy nalezeny falešné shody a kvantifikace dat, tj. zastoupení genomu v metagenomu, je proto zkreslená. Cílem výzkumu je najít co nejpřesnější metodu kvantifikace. Použitá metodika bude zahrnovat zpracování krátkých NGS i dlouhých TGS sekvenačních čtení tak, aby pokryly všechny aktuálně používané sekvenační technologie. Projekt bude primárně řešen na Ústavu biomedicínského inženýrství, nicméně se očekává také spolupráce s národními (FN Brno, Fakulta chemická VUT, Česká sbírka mikroorganismů) a zahraničními (Ludwig-Maximilians-Universität München v Německu a HES-SO Valais-Wallis ve Švýcarsku) partnery. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Sedlář Karel, doc. Mgr. Ing., Ph.D.

9. Pokročilé metody analýzy medicínských obrazů pořízených moderními CT přístroji

   Počítačové tomografy jsou jednou z nejpoužívanějších metod pro diagnostiku různých onemocnění a patologií. V současné době dochází k vývoji a klinickému využití moderních CT skenerů, které umožňují víceenergetické rentgenové zobrazování pomocí vícevrstvých detektorů nebo dokonce zobrazování na úrovni jednotlivých fotonů. Současně tyto přístroje poskytují řadu parametrických snímků, jako jsou monoenergetické snímky, materiálové snímky atd. Ukazuje se, že tyto informace zvyšují diagnostickou výtěžnost zobrazovacích CT metod při výrazném snížení dávky, což je v zájmu široké lékařské veřejnosti. Téma bude zaměřeno na vývoj pokročilých metod zpracování a analýzy obrazů zahrnujících přístupy strojového a hlubokého učení s rozsahem pro multiparametrické obrazy získané vícevrstvými CT detektory. Student se zaměří na vývoj, implementaci a validaci úloh předzpracování, segmentace, detekce, klasifikace a predikce s ohledem na charakter multiparametrických snímků. Navrhovaný komplexní počítačem podporovaný diagnostický nástroj pomůže zvýšit diagnostickou přesnost a reprodukovatelnost, rychlost vyšetření a snížit inter a intra expertní variabilitu a rutinní pracovní zátěž. Téma bude řešeno na Ústavu biomedicínského inženýrství. Předpokládá se však spolupráce s externími partnery – národními klinickými pracovišti (FN Brno, VFN Praha, FNUSA/ICRC Brno) a zahraničními institucemi (IRST IRCCS Meldola Itálie, Philips Healthcare Nizozemí, DKFZ Heidelberg Německo), umožňující klinické vyhodnocení výsledků a jejich diskusi s odbornými lékaři. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Chmelík Jiří, Ing., Ph.D.

10. Pokročilé metody analýzy snímků MRI pro zvýraznění obrazu a snazší diagnostiku onemocnění

    Magnetická rezonance se v dnešní době stává stále dostupnější a progresivnější metodou, která často nahrazuje předchozí diagnostické standardy a často se stává vyšetřením první volby. V důsledku toho se také zvyšuje množství dat získaných touto modalitou, a tím i časová náročnost jejich analýzy lékařskými odborníky. Podpůrné diagnostické nástroje pak poskytují lékařským odborníkům jednodušší a přesnější pohled na pořízená data, usnadňují práci s nimi a nabízejí možnost automatizované podpůrné diagnostiky. Konkrétně může jít o registraci kontrastních snímků v různých fázích, automatickou segmentaci oblastí nebo patologií a jejich analýzu ve vztahu k aktuální diagnóze nebo prognóze. Téma se zaměřuje na vývoj, implementaci a ověřování pokročilých technik zpracování obrazu zahrnujících metody hlubokého učení. Student bude pracovat s daty z MR modality, jako je MRI prsu nebo mozkových nádorů (gliomů), kde je hlavním úkolem zajistit možnosti předzpracování dat, extrakce parametrických map z vícefázových nebo perfúzních skenů, analýza výsledných parametrů a správná interpretace výsledných vztahů k aktuální diagnóze či prognóze. V počáteční fázi je vyžadováno důkladné studium problematiky, seznámení se s daty a jejich předzpracování. Student bude členem stabilní výzkumné skupiny, která dlouhodobě spolupracuje s několika tuzemskými zdravotnickými pracovišti (FNUSA, ICRC Brno, FN Brno, VFN Praha) včetně zahraničních, jako jsou IRST IRCCS Meldola Itálie, King' College London nebo Philips Healthcare, Nizozemí. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

    Školitel: Jakubíček Roman, Ing., Ph.D.

11. Pokročilé metody odhadu kvality biologických signálů

    Téma disertační práce je zaměřeno na stanovení kvality biologických signálů (např. PPG, EKG) snímaných pomocí mobilních zařízení. K tomuto účelu je možno využít i další souběžně snímané signály jako např. akcelerometrická data. Práce má dva hlavní cíle. Prvním cílem je navrhnout třídy kvality signálů s ohledem na možné zdroje rušení a následné využití signálu. Druhým cílem je navrhnout pokročilé algoritmy pro odhad kvality signálů v reálném čase a ověřit použitelnost signálu dané třídy pro zamýšlený účel. Od uchazeče se očekává znalost programování v prostředí Matlab nebo Python a přehled v oblasti zpracování a analýzy 1D signálů. V rámci práce je možné snímat vlastní data pomocí dostupných nositelných zařízení. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

    Školitel: Smital Lukáš, Ing., Ph.D.

12. Studium antibakteriálních nanomateriálů pro aplikace povlaků implantátů

    Tkáně na periferii materiálu implantátu jsou náchylné k infekcím a výskyt takových infekcí může vést k selhání implantátu a operace. Užití antibiotik je v takových případech běžnou praxí. Bakteriální infekce však může vytvořit biofilm na povrchu materiálu implantátu a případně snížit nebo zcela inhibovat antibakteriální účinnost baktericidních léčiv. Přidání antibakteriálních povlaků na povrch implantátů tedy může vyřešit problém rozvoje takových infekcí. Díky vysokému poměru plochy povrchu k objemu mají nanomateriály lepší antibakteriální vlastnosti ve srovnání s tradičními antibakteriálními protějšky. Tyto nanomateriály mohou poskytnout aktivnější oblast pro biologické interakce a pravděpodobně mohou mít výjimečné vlastnosti v aplikacích povlaků implantátů. Cílem projektu je připravit vhodné nanomateriály, charakterizovat je, prozkoumat jejich morfologii, chemické složení i stabilitu a následně studovat jejich antibakteriální vlastnosti a biokompatibilitu. Půjde o interdisciplinární výzkumný projekt, kde doktorand/ka získá zkušenosti s přípravou nanomateriálů především pomocí chemických postupů a charakterizuje je pomocí elektronové mikroskopie, rentgenové difraktometrie a různých spektroskopických analýz. Student/ka bude mít možnost experimentálně prozkoumat kompatibilitu syntetizovaných nanomateriálů s různými buněčnými liniemi, prozkoumat jejich antibakteriální vlastnosti a případně připravit nanopovlaky pro implantáty. Projekt bude realizován především na Ústavu biomedicínského inženýrství VUT v Brně, předpokládá se však i spolupráce s našimi partnerskými organizacemi. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

    Školitel: Paul Rima, Dr.

13. Využití metod zpracování signálů pro zpřesnění dekódování dat z nanopórového sekvenování

    Cílem dizertační práce je vytvořit metodiku pro předzpracování surových sekvenačních dat z nanopórového sekvenování ve formě signálových čtení (tzv. „squiggles“). Tento krok by měl předcházet samotnému dekódování DNA sekvence, které dnes prakticky výlučně pracuje na bázi učících sítí. Krok dekódování bází tzv. „basecalling“ je největším zdrojem chyb ve zpracování dat z nanopórového sekvenování. Přestože přesnost metod pro dekódování surových dat z nanoporového sekvenování v posledních letech výrazně vzrostla, v krajních případech klesá až na 95 % a tak stále nejsou použitelné pro klinickou praxi. Vhodná kombinace pokročilé signálové filtrace vysoké míry šumu, segmentace signálů na úseky označované „events“ popisující dílčí znaky DNA kódu a přizpůsobení délek jednotlivých eventů pomocí dynamického borcení časové osy může pomoc výrazně zpřesnit dekódování genetické informace. Od uchazeče se očekává jak znalost základní metodologie zpracování a analýzy genomických dat, tak přehled v oblasti zpracování a analýzy 1D signálů. Ovládání vhodného programovacího prostředí je samozřejmostí. Téma bude řešeno ve spolupráci s Dětskou nemocnicí - FN Brno. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

    Školitel: Vítková Helena, Ing., Ph.D.

1. kolo (podání přihlášek od 01.04.2023 do 30.04.2023)

1. Metody umělé inteligence v zobrazování perfuze

   Téma dizertační práce je zaměřeno na návrh nových metod pokročilého zobrazování perfuze založených na umělé inteligenci, převážně na přístupu hlubokého učení. Součástí projektu bude prozkoumat aktuální přístupy k rekonstrukci perfuzometrických MRI dat, výpočtu koncentračních křivek a jejich prokládání farmakokinetickými modely druhé generace. Dále bude projekt zahrnovat návrh nových postupů hlubokého učení pro vybrané části řetězce zpracování perfuzometrických dat, případně na celý řetězec. Návrh bude vycházet ze stávajícího simulátoru akvizice perfuzometrických dat, jeho vhodných rozšíření, z dostupných reálných datasetů a z ověřených metod zobrazování perfuze implementovaných v softwarovém nástroji PerfLab, které jsou k dispozici na pracovišti ÚPT AV ČR. Vyhodnocení navržených metod bude provedeno na reálných datasetech dostupných tamtéž. Práce bude probíhat ve spolupráci s týmem v Luxembourg Institute of Health.

   Školitel: Jiřík Radovan, doc. Ing., Ph.D.

2. Monitorování zdraví a aktivity pomocí chytrých/experimentálních zařízení

   Komerční chytrá zařízení (např. chytrý telefon, chytré hodinky, chytrý prsten) jsou celosvětově velmi rozšířená a tato oblast se rychle rozvíjí. V současné době se vyvíjí a testují některá experimentální zařízení (např. elektronické tetování, bioimpedanční senzory). Hlavním cílem této dizertační práce je vyvinout robustní, rychlé a efektivní algoritmy pro monitorování zdraví a aktivity pomocí chytrých zařízení. Vývoj algoritmu pro neinvazivní bezmanžetové měření krevního tlaku je velmi žádoucí vzhledem k jeho potenciálu odhalit vysoký krevní tlak u široké veřejnosti. Variabilita srdečního rytmu je dalším důležitým parametrem zdraví, který lze monitorovat pomocí chytrých zařízení. Přináší důležité informace o zdravotním stavu a je užitečný pro sportovce při sledování jejich výkonnosti a regenerace. Výše uvedené senzory a algoritmy mohou pomoci časně odhalit nebo dokonce predikovat kardiovaskulární onemocnění. Fúze příznaků zdraví a aktivity přináší komplexní pohled na sledovaný subjekt. Existují datasety vhodné pro vývoj takových algoritmů. Předpokládá se také vytvoření vlastní databáze s využitím komerčních a experimentálních chytrých zařízení dostupných na ÚBMI a je možné vyvinout vlastní experimentální zařízení. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Kolářová Jana, doc. Ing., Ph.D.

3. Pokročilé algoritmy pro monitorování zdraví pomocí chytrých zařízení

   Téma dizertační práce je zaměřeno na monitorování zdraví pomocí chytrých zařízení (např. chytrý telefon, chytré hodinky, chytrý náramek). Chytrá zařízení mají různé integrované senzory, jejichž potenciál není plně využit. Zejména z PPG lze vypočítat mnoho parametrů zdraví (např. srdeční tep, dechovou frekvenci, saturaci krve kyslíkem, glykémii). Některá chytrá zařízení umí v současné době detekovat fibrilaci síní z EKG nebo PPG signálů. Je však možné detekovat více patologií. Praktickým cílem této doktorské práce je vyvinout pokročilé algoritmy pro extrakci parametrů zdraví a vyhodnotit úspěšnost těchto algoritmů a jejich použitelnost v praxi. Bude nutné vyvinout spolehlivý detektor PPG peaků. Je možné využít některé veřejně dostupné databáze s anotacemi a je možné vytvořit vlastní databázi s využitím chytrých zařízení dostupných na UBMI. V rámci studia absolvují doktorandi půlroční stáže na atraktivních partnerských univerzitách v zahraničí. UBMI zajišťuje doktorandům stipendium a/nebo částečný úvazek nad rámec státního stipendia při zapojení do grantového projektu nebo zapojení do výuky.

   Školitel: Němcová Andrea, Ing., Ph.D.