Jaderná fyzika v radioterapii

Přednáší: Ing. Tereza Hanušová, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Organizace: Katedra dozimetrie a aplikace ionizujícího záření, FJFI ČVUT v Praze, Thomayerova nemocnice

Radioterapie je lékařský obor zabývající se léčbou onkologicky nemocných pacientů. Využívá přitom ionizující záření produkované nejčastěji lineárním urychlovačem částic, jedním z nejnákladnějších a nejsložitějších přístrojů, se kterými se v nemocnici setkáme. Takto složitý přístroj vyžaduje přítomnost radiologického fyzika, který by rozuměl jak principům jeho funkce, tak interakcím záření v lidském těle a jeho vlivu na zdravé orgány i nádor. Fyzik tak může rozhodovat o důležitých otázkách ovlivňujících život a zdraví pacientů.

Přístrojové technologie používané v radioterapii se vyvíjí tak rychle, že fyzikové nestačí držet krok v oblasti výzkumu a vyvstává řada naléhavých otázek, které je potřeba zodpovědět před zavedením nových přístrojů a technik do klinického provozu. Také oblast interakcí ionizujícího záření v lidském těle a jeho vliv na tkáně je stále nedostatečně prozkoumána.

Proto jakékoliv přispění k výzkumu v radioterapii – třeba formou středoškolské odborné činnosti pod vedením radiologického fyzika – je vítáno. Témat je celá řada – lze se zabývat fyzikálním měřením se speciálními detektory a fantomy, programováním, plánováním léčby ve speciálním softwaru, vlivem záření na lidský organismus. Každopádně je u toho potřeba samostatně přemýšlet a téma se najde jak pro fyzikálně, tak pro lékařsky orientované jedince. Jedná se přitom o výzkum na světové úrovni, není tedy vyloučena možnost výsledky publikovat v mezinárodních časopisech. Chcete-li přispět k objasnění okolností léčby zhoubné nemoci, napište email: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. a vybereme pro Vás nejvhodnější téma.

Představa o kooperaci se studentem:

• Úvodní exkurze do nemocnice + domluva a zadání tématu
• Samostatná práce na teorii – komunikace elektronicky (pokud není překážka na straně studenta – např. je z Prahy – možno osobně)
• 2 – 3 návštěvy pracoviště – provedení měření
• Samostatná práce na zpracování

Výstup: Přihlášení projektu do SOČ nebo AMAVET, v případě vynikajících výsledků možnost publikace v odborném časopise.

Určeno pro: Bez rozdílu

Dosud řešené projekty SOČ:

• Vliv počtu struktur na výsledek verifikace IMRT plánu
• Ionizační komory v radioterapii
• Směrová závislost polovodičových in vivo detektorů při kalibraci
• Plánování radioterapie: rozdíl ve statické a dynamické technice IMRT
• a mnoho dalších

Kvantové počítače

Kvantové počítače je již existující a fungující technologie, která má potenciál zásadně ovlivnit naši budoucnost. Zatím jsou kvantové počítače ještě malé a primárně výzkumnou záležitostí, a ještě chvíli potrvá, než dosáhneme opravdové kvantové výhody, kdy přesvědčivě překonáme klasické počítače na nějakém praktické aplikaci.

Na druhou stranu, současné kvantové počítače jsou už dostatečně funkční, abychom na nich začali vyvíjet aplikace, algoritmy a ověřovat koncepty nových revolučních řešení. To je navíc umocněné faktem, že jsou částečně i volně dostupné zdarma. To umožňuje pracovat na aplikacích pro kvantové počítače nejen velkým korporacím, které zde vidí budoucnost a budoucí konkurenční výhodu a mohou si dovolit zaplatit přístup k nim, ale i jednotlivým „garážovým“ zájemcům. A v neposlední řadě se jedná o velmi zajímavý multioborový směr výzkumu.

V rámci tohoto širokého tématu si studenti mohou vybrat jedno z konkrétních zaměření:

Řízení kvantových počítačů

Výzkum a vývoj kvantových počítačů je velká a zajímavá vědecká i inženýrská výzva. Nejvíce v současnosti dominantní kvantové počítače jsou na bázi supravodivých qubitů. To je technologie, která je již dobře pochopena a popsána. Navíc IBM umožňuje ovládat své kvantové procesory až na úroveň jednotlivých mikrovlnných řídících signálů. Cílem této práce je zjednodušeně pochopit a umět popsat, jak funguje qubit na supravodivé fázi, jak jej lze kontrolovat a řídit, a to celé demonstrovat na skutečném kvantovém počítači od IBM. Pokročilý student pak může na takovém systému realizovat i fyzikální experimenty, jako je např. Rabiho experiment.

Programování kvantových počítačů

Kvantový počítač s menším počtem qubitů lze simulovat i na vlastním počítači, a tak není problém se naučit programovat kvantové algoritmy a vyvíjet konkrétní software, který lze v budoucnu rozšít na více qubitů a tím z něj vytvořit praktickou aplikaci. Primárním cílem této práce je pochopit základy kvantových operací, primitivních algoritmů a umět jej vysvětlit. Pokročilý student může zkusit vytvořit praktičtější aplikaci za pomoci již existujících knihoven v oblasti optimalizace složitých problémů, kvantového strojového učení a nebo fyzikálních a chemických simulací.

Etika kvantových počítačů

Už nyní se lidé zabývají otázkami, až kvantové počítače dosáhnou úrovně, kdy budou praktický využitelné, jak mohou být kvantové počítače zneužity a využity proti nám. Podobná problematika se řeší již nyní např. u umělé inteligence. Avšak kvantové počítače umožní spočítat věci, které jsou dosud nepřemožitelné, například probourat šifrování, která dnes nemáme šanci rozšifrovat. Toto humanitárně a politicky zaměřené téma má za cíl provést rešerši toho, co potenciálně kvantové počítače mohou dokázat a jak to může být zneužité na denní bázi. Pokročilý student se pak může zaměřit na jednu oblast (např. medicína, zbraně, cyber, …) a provést studii včetně diskuse a návrhu možných řešení pro omezení negativních dopadů.

Kvantové počítače v ekonomice

Ačkoliv jsou kvantové počítače stále dominantně výzkumnou záležitostí, tak již zde existují komerční produkty a služby. Ono, pokud nějaká společnost chce mít v budoucnu výhodu na poli využití kvantových počítačů, tak vývoj musí začít již dnes. Student by primárně měl zmapovat potenciální výhody kvantových počítačů v blízké budoucnosti, které mohou mít výrazný ekonomický dopad. Pokročilý student se může zaměřit na jeden typ odvětví a provést analýzu vlivu kvantových počítačů a jejich ekonomickou výhodnost.

Studenti jsou také vítaní, pokud přijdou s vlastním tématem v oblasti kvantových počítačů.

Zaměření: Teoretické / experimentální domácí 

Vhodné pro: Bez rozdílu

Přednáší: Ing. Bc. Michal Křelina, Ph.D., Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Forma: Převážně online, elektronická komunikace. Možno osobně, když bude vedoucí v ČR (vedoucí je momentálně primárně na univerzitě v Heidelbergu v Německu)

Požadavky na již dosažené znalosti: Základy lineární algebry (matice, vektory a jejich násobení), programování v Pythonu (případně C++, C#) výhodou (ne nutností), angličtina velkou výhodou (v češtině téměř žádný materiál není)

Gelová dozimetrie – nástroj radioterapeutického plánování

Projekt je zaměřen na gelové dozimetry, které jsou předmětem výzkumu jako možný nástroj při radioterapeutickém plánování. Praktická část práce se bude zabývat konkrétním typem gelového dozimetru a studiem závislosti jeho vlastností na složení a postupu přípravy při testovacím ozařování. Gelové dozimetry dělíme podle principu chemické reakce na radiochromní a polymerní. Dozimetry umožňují vyhodnocení ve 3D a jsou tkáňově ekvivalentní. Zároveň se jedná o pasivní dozimetry, tedy vyhodnocení odezvy probíhá až po ozáření. Díky těmto vlastnostem jsou dozimetry vhodné k použití při ověřování plánů v radioterapii. Úkolem studenta bude provést rešerši, zvládnout standardní postup přípravy dozimetru a provést a popsat úpravu tohoto postupu. Dále bude provedeno testovací ozáření dozimetrů a vyhodnocení jejich odezvy. Výstupem práce bude zhodnocení vlivu změn v přípravě dozimetru na jeho vlastnosti při ozáření.

Studenti jsou také vítaní, pokud přijdou s vlastním tématem v oblasti kvantových počítačů.

Zaměření: Experimentální u nás v laboratoři  

Vhodné pro: Bez rozdílu

Přednáší: Mgr. Hana Průšová, Ph.D., Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Forma: Pravidelná setkání cca 1x za 3 – 4 týdny nebo cca 1x za 1 – 2 týdny (podle možností studující osoby)

Požadavky na již dosažené znalosti: Žádné