Temat 1:
Promotor: dr hab. Sebastian Stach, prof. UŚ
Temat projektu badawczego: Mapowanie procesów poznawczych za pomocą elektroencefalografii (EEG) i mobilnego obrazowania mózgu i ciała (MoBI) ze standardowych układów eksperymentalnych do środowiska wirtualnej rzeczywistości (VR)
Charakterystyka założeń i celów badawczych: W ramach pracy doktorskiej doktorant/ka wykona serię eksperymentów naukowych z udziałem zdrowych osób, z zakresu neuroinżynierii i neuronauki z wykorzystaniem innowacyjnych rozwiązań inżynierskich, takich jak systemy VR i MoBI, pozwalające na realistyczną symulację bodźców i reakcji badanych. Badania będą miały na celu zmapowanie kluczowych procesów poznawczych człowieka ze standardowych układów eksperymentalnych do środowiska VR. To pozwoli na ocenę wzorców aktywności elektrycznej mózgu mierzonych za pomocą EEG i potencjałów wywołanych mózgu (ERP), oraz innych sygnałów biomedycznych, w warunkach o podwyższonej ekologicznej trafności. W tym celu, doktorant/ka: (1) zaprojektuje protokoły badawcze do poszczególnych eksperymentów, (2) opracuje i skonfiguruje specyficzny dla swojego projektu doktoranckiego, system eksperymentalny, pozwalający na integrację i synchronizację wielostrumieniowych danych (EEG, inne sygnały biomedyczne, środowisko VR, przesyłanie markerów, system do projektowania, prezentacji i kontroli bodźców w VR, np. z wykorzystaniem silnika gier komputerowych Unity), (3) zaprojektuje środowisko VR, np. za pomocą silnika Unity, (4) zrekrutuje i dokona akwizycji danych badawczych na grupach osób uczestniczących w badaniu, (5) dokona przetwarzania i analizy zebranych sygnałów biomedycznych, i (6) zanalizuje i zinterpretuje otrzymane wyniki badań.
Planowany wkład w rozwój dyscypliny: Projekt wnosi znaczący wkład w rozwój inżynierii biomedycznej poprzez opracowanie i zastosowanie zintegrowanych, neuroinżynieryjnych metod rejestracji i analizy sygnałów biomedycznych w realistycznych środowiskach wirtualnych, co umożliwia nowy poziom zrozumienia relacji między aktywnością mózgu, ciała i zachowaniem człowieka. Uzyskane wyniki i opracowane narzędzia mogą być wykorzystane do projektowania i walidacji systemów rejestracji oraz analizy sygnałów biomedycznych w warunkach naturalistycznych, a także w rozwoju inteligentnych technologii neurointerfejsów, adaptacyjnych środowisk VR, i systemów wspomagających neurorehabilitację.
Opis wymagań – wiedza, umiejętności i kompetencje społeczne kandydata: Doświadczenie w akwizycji sygnału EEG; doświadczenie w prowadzeniu badań naukowych z zakresu neuronauki i/lub neuroinżynierii z wykorzystaniem EEG i VR; umiejętność projektowania scenariuszy z zakresu neuronauki i/lub neuroinżynierii z wykorzystaniem sygnałów biomedycznych z wykorzystaniem oprogramowania PsychoPy; znajomość metod przetwarzania i analizy sygnału EEG, w szczególności mózgowych potencjałów wywołanych (ERP) z wykorzystaniem oprogramowania MATLAB; wiedza na temat procesów poznawczych człowieka, neurofizjologii; doświadczenie w prezentacji wyników badań na konferencjach naukowych i wydarzeniach popularyzujących naukę; doświadczenie w realizacji projektów badawczych.
Temat 2:
Promotor: dr hab. Sebastian Stach, prof. UŚ
Temat projektu badawczego: Badanie wskaźników aktywności autonomicznego układu nerwowego (AUN) i reakcji behawioralnych za pomocą sygnałów biomedycznych w odpowiedzi na bodźce ze środowiska w naturalnych warunkach środowiskowych wykorzystując mobilne obrazowanie mózgu i ciała (MoBI)
Charakterystyka założeń i celów badawczych: W ramach pracy doktorskiej doktorant/ka skupi się na badaniu wskaźników aktywności autonomicznego układu nerwowego (AUN) i reakcji behawioralnych w odpowiedzi na bodźce docierające do człowieka z otoczenia w naturalnych warunkach środowiskowych. W tym celu, dokona serii eksperymentów naukowych z udziałem zdrowych osób, opartych na pomiarze peryferyjnych sygnałów biomedycznych, w szczególności elektrokardiografii (EKG) i sygnału oddechowego. Zastosowanie MoBI pozwoli na rejestrację sygnałów podczas ruchu, np. chodzenia i manipulowania obiektami, dzięki czemu doktorant/ka będzie mogła zbadać autonomiczne i neuronalne reakcje człowieka w kontekście rzeczywistego zachowania w realistycznych warunkach zbliżonych do rzeczywistych warunków środowiskowych, których człowiek doświadcza w codziennym życiu. W tym celu, doktorant/ka: (1) zaprojektuje protokoły badawcze do poszczególnych eksperymentów, (2) opracuje i skonfiguruje specyficzny dla swojego projektu doktoranckiego, system eksperymentalny, pozwalający na integrację i synchronizację wielostrumieniowych danych (EKG, sygnał oddechowy, ewentualne inne sygnały biomedyczne, przesyłanie markerów, system do projektowania, prezentacji i kontroli bodźców), (3) zrekrutuje i dokona akwizycji danych badawczych na grupie osób uczestniczących w badaniu, (4) dokona przetwarzania i analizy zebranych sygnałów biomedycznych, i (5) zanalizuje i zinterpretuje otrzymane wyniki badań.
Planowany wkład w rozwój dyscypliny: Projekt wnosi znaczący wkład w rozwój inżynierii biomedycznej poprzez opracowanie i zastosowanie mobilnych, wielomodalnych metod rejestracji sygnałów autonomicznych umożliwiających monitorowanie reakcji fizjologicznych człowieka w realistycznych warunkach środowiskowych, co może znaleźć zastosowanie w badaniach nad stresem, emocjami i regulacją autonomiczną w kontekście zdrowia i funkcjonowania poznawczego. Opracowane rozwiązania mogą zostać wykorzystane do tworzenia bardziej adaptacyjnych i ergonomicznych technologii interakcji człowiek–środowisko oraz człowiek–technologia, dzięki pogłębionej wiedzy o autonomicznych reakcjach organizmu na bodźce zewnętrzne i informacyjne, co może wspierać rozwój technologii lepiej dostosowanych do fizjologii i reaktywności człowieka, wspomagających zdrowie, koncentrację i dobrostan w środowiskach wysokiego obciążenia informacyjnego.
Opis wymagań – wiedza, umiejętności i kompetencje społeczne kandydata: Doświadczenie w akwizycji bezprzewodowego sygnału oddechowego i EKG; doświadczenie w prowadzeniu badań naukowych z zakresu neuronauki i/lub neuroinżynierii z wykorzystaniem sygnału oddechowego, EKG i VR; umiejętność projektowania scenariuszy z zakresu neuronauki i/lub neuroinżynierii z wykorzystaniem sygnałów biomedycznych z wykorzystaniem oprogramowania PsychoPy; umiejętność programowania w języku PYTHON; umiejętność tworzenia scen VR z wykorzystaniem silnika gier komputerowych Unity; znajomość metod przetwarzania i analizy sygnału oddechowego i EKG z wykorzystaniem oprogramowania MATLAB lub AcqKnowledge; wiedza na temat procesów poznawczych człowieka, neurofizjologii; doświadczenie w prezentacji wyników badań na konferencjach naukowych i wydarzeniach popularyzujących naukę; doświadczenie w realizacji projektów badawczych.
Temat 3:
Promotor: dr hab. Sebastian Stach, prof. UŚ
Temat projektu badawczego: Badanie pamięci epizodycznej twarzy za pomocą zaawansowanych technik analizy sygnałów biomedycznych i śledzenia mimiki z wykorzystaniem technik uczenia maszynowego (UM)
Charakterystyka założeń i celów badawczych: W ramach pracy doktorskiej doktorant/ka podejmie temat badania jednego z najważniejszych procesów poznawczych człowieka, jakim jest pamięć, w szczególności pamięć epizodyczna. Celem pracy będzie analiza neurofizjologicznych mechanizmów pamięci epizodycznej w odpowiedzi na bodźce emocjonalne zawierające twarze o zróżnicowanym wyrazie emocji. W pracy zostaną wykorzystane techniki neuroinżynieryjne umożliwiające wielomodalny, obiektywny pomiar aktywności neurofizjologicznej: sygnały biomedyczne (twarzowa elektromiografia, fEMG; aktywność elektrodermalna, EDA; sygnał oddechowy) oraz śledzenie mimiki. Badania będą wzbogacone o zaawansowane techniki analizy danych z wykorzystaniem metod UM. W tym celu, doktorant/ka: (1) zaprojektuje protokoły badawcze do poszczególnych eksperymentów, (2) opracuje i skonfiguruje specyficzny dla swojego projektu doktoranckiego, system eksperymentalny, pozwalający na integrację i synchronizację wielostrumieniowych danych (fEMG, EDA, sygnał oddechowy, przesyłanie markerów, system do projektowania, prezentacji i kontroli bodźców), (3) zrekrutuje i dokona akwizycji danych badawczych na grupie osób uczestniczących w badaniu, (4) dokona przetwarzania i analizy zebranych sygnałów biomedycznych, (5) dokona dekodowania otrzymanych danych z wykorzystaniem algorytmów UM, (6) dokona dekodowania nagrań wideo mimiki twarzy badanych osób za pomocą algorytmów ML, i (7) zanalizuje i zinterpretuje otrzymane wyniki badań.
Planowany wkład w rozwój dyscypliny: Projekt wnosi istotny wkład w rozwój inżynierii biomedycznej poprzez zastosowanie metod uczenia maszynowego do modelowania i predykcji procesów pamięci epizodycznej w odpowiedzi na bodźce emocjonalne, w szczególności podczas rozpoznawania twarzy o zróżnicowanym wyrazie emocji, co pozwala na lepsze zrozumienie mechanizmów integracji emocji i pamięci w ludzkim mózgu. Projekt ten może znaleźć zastosowanie w rozwoju technologii wspomagających diagnostykę poznawczą, analizę emocji oraz inteligentne systemy interakcji człowiek–komputer. Opracowane modele i rozwiązania technologiczne mogą znaleźć zastosowanie w rozwoju systemów biomedycznych wspomagających diagnostykę i terapię zaburzeń afektywnych i poznawczych oraz w inteligentnych interfejsach człowiek–komputer reagujących na ekspresję mimiki i stan emocjonalny użytkownika. Lepsze metody rozpoznawania mimiki przyczynią się do rozwoju zaawansowanych systemów sztucznej inteligencji zdolnych do przewidywania i interpretowania ludzkich zachowań na podstawie analizy wideo twarzy.
Opis wymagań – wiedza, umiejętności i kompetencje społeczne kandydata: Doświadczenie w akwizycji sygnału fEMG i EDA; doświadczenie w prowadzeniu badań naukowych z zakresu neuronauki i/lub neuroinżynierii z wykorzystaniem sygnału fEMG i EDA; znajomość metod przetwarzania i analizy sygnału fEMG, EDA z wykorzystaniem oprogramowania MATLAB lub AcqKnowledge; znajomość technik UM; doświadczenie w wykorzystaniu UM w analizie sygnałów biomedycznych w celu interpretacji; wiedza na temat procesów poznawczych człowieka, neurofizjologii; doświadczenie w prezentacji wyników badań na konferencjach naukowych i wydarzeniach popularyzujących naukę.
Temat 4:
Promotor: prof. dr hab. inż. Robert Koprowski
Temat projektu badawczego: Auksetyczne tuleje i „rękawy” medyczne o regulowanej średnicy
Charakterystyka założeń i celów badawczych: Założeniem tematu jest zaprojektowanie i zbadanie wygodnych w użyciu, cylindrycznych „rękawów” kompresyjnych opartych na strukturach auxetycznych. Dzięki ujemnemu współczynnikowi Poissona takie tuleje nie tylko zwężają się lub rozszerzają, ale równocześnie zmieniają swoją grubość, co pozwala uzyskać bardziej równomierny i przewidywalny ucisk na tkanki niż w klasycznych opaskach kompresyjnych. Pomysł polega na tym, aby z płaskiego metamateriału auxetycznego (np. zbudowanego z odpowiednio połączonych prostokątnych komórek) „zwinąć” tuleję, której zachowanie można świadomie kształtować: kontrolować, jak zmiana średnicy przekłada się na nacisk i jak duże odkształcenia są jeszcze bezpieczne dla konstrukcji i użytkownika.
Głównym celem badawczym będzie opracowanie modeli geometrycznych i numerycznych takich rękawów – tak dobranie wielkości komórek, grubości ścianek i materiału, aby uzyskać pożądane przedziały ucisku w typowych sytuacjach klinicznych, np. w terapii obrzęków, profilaktyce zakrzepicy czy stabilizacji stawów. Ważną częścią pracy będzie też budowa prototypów (np. z użyciem druku 3D lub wycinania laserowego) i ich praktyczne testy: pomiar tego, jak zmienia się średnica tulei, jakie siły działają okrężnie oraz jaki nacisk odczuwa „sztuczna tkanka” przy różnych stopniach rozciągnięcia lub skrócenia rękawa.
Planowany wkład w rozwój dyscypliny: Planowany wkład tej pracy w rozwój inżynierii biomedycznej polega na pokazaniu, że o skuteczności wyrobu kompresyjnego może decydować przede wszystkim jego geometria, a nie tylko rodzaj zastosowanego materiału. Projektowane auxetyczne „rękawy” mają pozwolić tworzyć bardziej świadomie kształtowane profile nacisku, lepiej dopasowane do leczenia obrzęków, profilaktyki zakrzepicy czy stabilizacji stawów.
Praca ma dostarczyć konkretne modele obliczeniowe i zweryfikowane eksperymentalnie zasady projektowania cylindrycznych struktur auxetycznych z myślą o zastosowaniach medycznych. Opracowana metodyka – od doboru parametrów komórki, przez przewidywanie poziomu kompresji, aż po sprawdzenie trwałości prototypów – może stać się praktycznym punktem wyjścia dla kolejnych konstrukcji metamateriałów w kompresjoterapii, ortotyce i rehabilitacji.
Temat 5:
Promotor: prof. dr hab. inż. Robert Koprowski
Temat projektu badawczego: Wpływ parametrów piaskowania (ciśnienia, odległości, czasu aplikacji i kąta strumienia) na stan powierzchni szkliwa i uzupełnień dentystycznych– badanie in vitro
Charakterystyka założeń i celów badawczych: Badanie będzie prowadzone w warunkach laboratoryjnych, tak aby w pełni kontrolować to, co dzieje się na powierzchni zębów i materiałów stomatologicznych. Skupia się ono na tym, jak zmiana ustawień urządzenia do piaskowania – takich jak ciśnienie, odległość końcówki od powierzchni, czas działania oraz kąt padania strumienia – wpływa na szkliwo i różne uzupełnienia (np. kompozyty czy ceramikę).
Założeniem projektu jest przygotowanie jednakowych próbek szkliwa i materiałów odbudowujących, a następnie poddanie ich piaskowaniu przy różnych kombinacjach parametrów pracy urządzenia. Po każdej ekspozycji oceniana będzie chropowatość powierzchni oraz ewentualny ubytek materiału. Głównym celem jest wskazanie takich ustawień, które z jednej strony nie niszczą nadmiernie szkliwa i uzupełnień, a z drugiej pozwalają uzyskać powierzchnię odpowiednio oczyszczoną lub przygotowaną do dalszych procedur. Dzięki temu możliwe będzie zaproponowanie praktycznych, bezpieczniejszych rekomendacji dla codziennej pracy klinicznej.
Planowany wkład w rozwój dyscypliny: Planowane badanie ma w prosty, „praktyczny” sposób pokazać, co tak naprawdę dzieje się ze szkliwem i uzupełnieniami, kiedy piaskujemy je przy różnych ustawieniach urządzenia. Chodzi o to, by nie tylko wiedzieć, że powierzchnia jest czysta, ale też rozumieć, jak bardzo zmienia się jej chropowatość i ile materiału realnie tracimy.
Dzięki uzyskanym wynikom będzie można wskazać takie parametry piaskowania, które są bezpieczne dla szkliwa i uzupełnień, a jednocześnie skuteczne w oczyszczaniu. To przełoży się na konkretne, łatwe do zastosowania zalecenia dla dentystów i higienistek, a w dalszej perspektywie pomoże lepiej planować badania kliniczne nad jeszcze bardziej „łagodnymi” i efektywnymi protokołami.