Tematické okruhy ke státní bakalářské zkoušce pro bakalářský studijní program Lékařská elektronika a bioinformatika

Státní závěrečná zkouška se řídí Studijním a zkušebním řádem ČVUT a směrnicí děkana FEL. První část se skládá z prezentace bakalářské práce, obeznámení se s posudky práce, odpovědi studenta na připomínky z posudků a otázky komise a diskuse k předložené práci a její prezentaci.

Ve druhé části SZZ student odpoví na dvě otázky, které mu zkušební komise určí z předem známého seznamu tří tematických okruhů: Bioinženýrství, Elektrotechnika a Informatika. Okruh Bioinženýrství pokrývá biomedicínské základy a zahrnuje poznatky z předmětů Základy anatomie a fyziologie I. a II., Genetika, Chemie pro bioinženýrství, Fyzika II a Biofyzika. Okruh Elektrotechnika pokrývá základy elektrotechniky a elektroniky a je tvořen předměty Úvod do elektrotechniky, Základy elektrických obvodů, Elektromagnetické pole, Elektrická měření, Elektronické obvody 1 a Biomedicínské senzory. Okruh Informatika pokrývá základy informatiky a zpracování signálů a obrazů a obsahuje předměty Algoritmy a programování, Algoritmy a programování, Programování v C, Optimalizace, Signály a soustavy, Základy zpracování signálů, Digitální obraz, Metody segmentace obrazů a Rozpoznávání a strojové učení.

Tematický okruh Bioinženýrství:

1. Základní stavba lidského organizmu – buňky, tkáně, orgánové soustavy. Pohybový aparát – struktura a řízení kosterní svaloviny. Kardiovaskulární systém – srdce, regulace krevního tlaku. (Základy anatomie a fyziologie I.)
2. Nervová soustava – struktura a funkce periferní i centrální nervové soustavy. Základní fyziologické regulace – metabolizmus, vylučování, termoregulace, acidobazická rovnováha, endokrinní systém, dýchání. (Základy anatomie a fyziologie II.)
3. Stavba a genetický význam informačních biomakromolekul. Centrální dogma molekulární biologie. Lidský genom a typy sekvencí v něm obsažených. Mutace a polymorfismy. Příklady chorob způsobených mutacemi. Základní nástroje molekulární genetiky. (Genetika)
4. Chromozomy a lidský karyotyp. Buněčný cyklus, mitóza. Pohlavní rozmnožování, meióza, genová vazba. Zákonitosti přenosu geneticky podmíněných znaků z rodičů na potomky. Monogenní a multifaktoriální znaky (Genetika)
5. Složení atomu, chemické vazby, vlastnosti roztoků, teorie kyselin a zásad, plyny v medicíně, elektrolýza a typy elektrod, analytické metody, (Chemie pro bioinženýrství)
6. Termodynamické soustavy, děje vratné a nevratné, kinetika chemických reakcí. (Chemie pro bioinženýrství)
7. Základy teorie vln a optika. (Vlnová rovnice, disperze, disipace, skládání a difrakce vln, vlnová a geometrická optika: interference, Fermatův princip, tenké čočky). (Fyzika 2)
8. Základy kvantové mechaniky, princip laseru, pásová teorie pevných látek, úvod do jaderné fyziky. (Fyzika 2)
9. Elektromagnetické spektrum - popis, zdroje záření. Záření černého tělesa a radiometrie. Detektory ionizujícího záření, dozimetrie. Akustika - základní definice, šíření zvuku, otoakustické emise, náhrady sluchu. (Biofyzika)
10. Hemodynamika - měření hemodynamickým parametrů krevního řečiště, základní metody měření krevního tlaku, mimotělní oběh, náhrady cév a srdce, statika a dynamika ideálních tekutin, proudění reálných tekutin. Transmembránový transport látek – výměna plynů při dýchání, hemodialýza, peritoneální dialýza, kapilární oxygenátor a hemodialyzátor. (Biofyzika)

Tematický okruh Elektrotechnika:

1. Základní pojmy teoretické elektrotechniky; Materiály v elektrotechnice; Elektrické stroje; Elektrochemické zdroje; Základy světelné techniky a osvětlování; (Úvod do elektrotechniky)
2. Přenosové soustavy; Jištění a ochrana elektrických zařízení; Elektrárny jaderné, tepelné, plynové; Obnovitelné zdroje elektrické energie. (Úvod do elektrotechniky)
3. Základní zákony a teorémy. Kirchhoffovy zákony. Nortonův a Theveninův teorém. Elementární a obecné metody analýzy obvodů, metoda uzlových napětí a smyčkových proudů. (Základy elektrických obvodů)
4. Harmonický ustálený stav. Fázory. Kmitočtové charakteristiky. Rezonance. Analýza přechodných jevů. Lineární obvody v periodickém neharmonickém ustáleném stavu. (Základy elektrických obvodů)
5. Elektrické a magnetické pole a jeho zdroje, pole vírové a potenciálové, klasifikace prostředí. Základní vektorové veličiny v elektrickém poli. Elektrostatické pole. Gaussova věta elektrostatiky a její aplikace pro výpočet, metoda zrcadlení. Energie v elektrickém poli, objemová hustota energie. Kapacita a její výpočet pro základní geometrické uspořádání elektrod. (Elektromagnetické pole)
6. Základní vektorové veličiny v magnetickém poli. Stacionární magnetické pole. Biotův-Savartův zákon. Ampérův zákon a jeho aplikace pro výpočet magnetického pole. Energie v magnetickém poli, objemová hustota energie. Faradayův indukční zákon, indukovaná napětí. Vlastní a vzájemná indukčnost a její výpočet pro základní geometrické uspořádání proudovodičů. (Elektromagnetické pole)
7. Přístroje pro měření elektrického proudu, napětí a výkonu, kmitočtu a fázového rozdílu a základních parametrů pasivních prvků (odpor, indukčnost, kapacita). (Elektrická měření)
8. Chyby přístrojů a nejistoty měření. AD a DA převodníky. Multimetry, osciloskopy. (Elektrická měření)
9. Popis lineárních systémů v časové a kmitočtové oblasti, princip a vlastnosti zpětné vazby, typy filtrů, základní aproximace modulových charakteristik filtrů – vlastnosti v kmitočtové a časové oblasti. (Elektronické obvody 1)
10. Operační zesilovač: princip chování, základní zapojení (invertující a neinvertující zapojení, sumátor, převodníky u-i a i-u, rozdílový a přístrojový zesilovač, integrátor, derivátor (vzorkovací obvody, komparátory, oscilátory, fázový závěs). (Elektronické obvody 1)
11. Elektrické a fyzikální vlastnosti senzorů a mikroaktuátorů (statické a dynamické). Základní fyzikální jevy, principy činnosti senzorů (piezoodporové, piezoelektrické, ultrazvukové, kapacitní, pn přechod, s Hallovým senzorem, pyroelektrické, magnetoodporové apod.). (Biomedicínské senzory) 
12. Senzory, mikrosenzory a mikroaktuátory pro měření mechanických veličin, průtoku, teploty, chemických a biochemických veličin, nanosenzory, akcelerometry, mikroakční mechanismy (elektrostatický, piezoelektrický, tepelný), Lab-on-chip. Základní principy činnosti, základní elektronické struktury (ISFET, MOS.), elektronická zapojení. (Biomedicínské senzory)

Tematický okruh Informatika:

1. Datové typy a operace s daty. Funkce. Abstraktní datový typ, zásobník, fronta. (Základy programování)
2. Spojový seznam. Vyhledávání a řazení. Principy objektového programování. (Základy programování)
3. Embedded programování. Paralelizace, multithreding a multitasking. Synchronizace a sdílené zdroje. Principy procedurálního programování. Vlastnosti jazyka C. Model kompilace, datové typy, ukazatele, standardní knihovna. (Programování v C)
4. Principy objektového programování. Vlastnosti jazyka C++, datové proudy, STL kontejnery, šablony, zpracování výjimek. (Programování v C)
5. Použití lineární algebry v optimalizaci: lineární podprostory a zobrazení, ortogonální projekce na podprostor, metoda nejmenších čtverců, spektrální rozklad a kvadratické funkce, prokládání bodů podprostorem. (Optimalizace)
6. Iterační algoritmy na volné lokální extrémy:  gradientní a Newtonova metoda, nelineární nejmenší čtverce. Lokální extrémy vázané rovnostmi, metoda Lagrangeových multiplikátorů. Lineární programování. Konvexní množiny a funkce, konvexní optimalizační úlohy. (Optimalizace)
7. Klasifikace signálů ve spojitém a diskrétním čase, speciální signály. Časová a spektrální reprezentace signálů, charakteristiky signálů, korelace, základní teorémy. Vzorkování a interpolace signálu. Základní charakteristiky náhodného procesu, stacionarita a ergodicita, bílý šum. (Signály a soustavy)
8. Klasifikace soustav, popis spojitých a diskrétních soustav v časové a frekvenční oblasti, lineární a časově invariantní soustavy, konvoluce, stabilita soustavy. Pásmové signály, komplexní obálka, Hilbertova transformace. Typy základních analogových modulací. (Signály a soustavy)
9. Analýza číslicových signálů v časové oblasti, číslicové filtry (příklady, návrh a použití jednoduchých filtrů a filtrů vyšších řádů), kvantování a jeho důsledky. (Základy zpracování signálů)
10. Spektrální analýza číslicových signálů a převzorkování. (Základy zpracování signálů)
11. Reprezentace digitálních obrazů, reprezentace barev, geometrické a jasové transformace, interpolace. Filtrace a konvoluce, zpracování ve Fourierově oblasti, odstranění šumu. (Digitální obraz)
12. Metody segmentace obrazů – prahování a shlukování, kombinatorické metody (GraphCut). "Detekce významných bodů", "Registrace obrazů". (Digitální obraz)
13. Bayesovské rozpoznávání, odhady parametrů metodou maximální věrohodnosti. Učení bez učitele (shlukování, k-means). Regrese. Metoda expectation-maximization. (Rozpoznávání a strojové učení)
14. Klasifikátory a jejich učení - nejbližší soused, lineární klasifikátor, Adaboost, SVM, rozhodovací stromy, neuronové sítě. (Rozpoznávání a strojové učení)