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Praktikum in der medizinischen Physik

28. Oktober 2010 - 19:07 Uhr

Ich habe die letzte Woche lang ein Praktikum in der medizinischen Physik auf der Strahlentherapie des Uniklinikums hier in Göttingen absolviert. Warum? Nun ja, ich hatte mal überlegt irgendetwas mit Medizintechnik zu machen, viel mehr als ein Gedanke war das bisher aber nicht. Deshalb wollte ich mir das Ganze mal LIVE ansehen, um in etwa abschätzen zu können, ob das etwas für mich ist. Zuerst fragen sich die meisten ja: Was macht ein Physiker im Krankenhaus?! Das weiß ich jetzt:

Als erstes bekommt der Patient auf der Strahlentherapie ein CT. Auf diesem Datensatz markieren dann die behandelnden Ärzte die sogenannten Zielvolumina für die Physiker, also die Bereiche in denen der zu bestrahlende Tumor sitzt. Jetzt macht sich der med. Physiker (MP) an die Arbeit, aus den CT-Daten ein 3D-Modell des Patienten und der zu bestrahlenden Strukturen zu berechnen und das Bestrahlungsgerät entsprechend zu kalibrieren. Da müssen Blenden für die grobe Begrenzung des Strahlungsfeldes gefahren werden. Das sogenannte MLC, ein System aus kleinen Lamellen, die ebenfalls als Blenden dienen, erlaubt eine noch feinere Abstimmung des Feldes. Hier gibt es natürlich allerhand gängige Methoden, auf die ich nicht alle eingehen kann, nachzulesen sind sie aber hier. Sind alle Einstellungen gemacht, wird auf Basis gewisser Beschleuigerdaten und dem CT-Datensatz eine Dosisverteilung berechnet, um auszuschließen, dass Risikoorgane wie beispielsweise die Lunge nicht zu viel Dosis abbekommen. Ist der Arzt einverstanden, muss der erstellte Bestrahlungsplan evtl. noch einmal mit einem Phantom (eine Messkammer, die die reale Dosisverteilung in der Ebene misst) verifiziert werden und anschließend kann der Plan zur Bestrahlung freigegeben werden (durch einen Physiker).

Im Rahmen der klinischen Routine besteht die Aufgabe des MP also in der Bestrahlungsplanung und der Verifikation der Bestrahlungspläne. Hinzu kommt die Betreuung der Gerätschaften: Fällt einmal eine Anlage aus, so ist der Physiker gefragt, diese schnellstmöglich und evtl. mit Telefonsupport des Herstellers wieder zum Laufen zu bringen. Da ist analytisches Denken gefragt! Außerdem gibt es Qualitätskontrollen, die in verschiedenen Abständen durchzuführen sind: Schließlich muss sichergestellt sein, dass ein Teilchenbeschleuniger, der auf Menschen gerichtet wird, jeden Tag so funktioniert, wie der Computer und der planende Physiker sich das vorstellen.

Gearbeitet wird im Schichtdienst und je nach Auslastung hat jeder MP auch noch eigene Projekte, die er an den Beschleuigeranlagen durchführt. Dabei kann es sich z.B. um Softwareentwicklung oder die Einführung neuer Messtechniken handeln.

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Fast Fourier Transform (FFT)

23. Oktober 2010 - 15:18 Uhr

Wie angekündigt, habe ich immer mal wieder an meinem Fouriertrafo-Projekt gearbeitet und bin am Anfang des zweiten Levels, der schnellen Fouriertransformation, angekommen. Und mit schnell meine ich hier richtig, richtig schnell! Ich habe wieder das Testsignal vom letzten Mal ausgepackt, an das Programm verfüttert und die Rechenzeit gemessen: 2,426 Sekunden!! Um das nochmal klarer zu machen: Ich erhalte jetzt in 0,1% der Zeit, die ich vor zwei Wochen benötigt habe, das selbe Ergebnis:

Das ist doch mal ziemlich praktisch! Jetzt kann man endlich alle Vorteile der Fouriertransformation auch auf großen Datensätzen nutzen.

Demnächst erkläre ich nochmal genauer, wie die FFT so funktioniert. Im Moment nur soviel: Die Anzahl Datenpunkte N muss eine Zweierpotzen sein, weshalb ich das Eingangssignal von 58014 Punkten auf 65536 = 2^16 Punkte mit Nullen gefüllt habe. Dann kann man nämlich die zu berechnenden Summen so geschickt zerteilen, dass man anstelle von etwa N*N Multiplikationen bloß N*log2(N) Stück benötigt. Setzt man mal große N ein und vergleicht die beiden Werte, so sieht man schnell ein, weshalb sich das Verfahren »Schnelle Fouriertransformation« nennen darf.

Implementiert habe ich das Ganze zur Zeit auch nur rekursiv, da die Programmstruktur da einfacher zu verstehen ist. Deshalb sind die nächsten Level:
– Iterative Implementierung der FFT
– Zweidimensionale FFTs
– evtl. Radix4 oder Radix8 (N ist 4er oder 8er Potenz –> noch mehr Multiplikationen sparen)

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Programmhinweis

19. Oktober 2010 - 19:14 Uhr

Ich möchte hier nur kurz auf einen Termin der besonderen Art hinweisen. Am kommenden Donnerstag (21.10.2010) wird es um 01:05 Uhr ein filmisches Wunderwerk auf Arte zu sehen geben. Dabei handelt es sich um den ersten Film mit Helge Schneider in der Hauptrolle: Johnny Flash

Dieses 1986 produzierte Meisterwerk der Filmgeschichte hat mittlerweile einen solchen Kultstatus erlangt, dass es nur noch auf VHS zu erwerben ist und auch das lediglich gebraucht. Der anschließend stolze Besitzer eines solchen Magnetbandes sollte sich allerdings im mentalen Zustand befinden, einen Wert von 50 Euro oder mehr dafür zu investieren.

Diesen Termin möchte man nicht verpassen!

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Diskrete Fouriertrafo

4. Oktober 2010 - 18:05 Uhr

Ich habe neulich aus Neugierde und ein wenig Langeweile mal eine Fouriertransformation in C++ implementiert. Erstmal natürlich eine ganz normal diskrete Fouriertransformation (DFT), die naiv alle auch nur möglichen Rechenoperationen ausführt. Ja ich weiß, das dauert je nach Menge der Datenpunkte auch schon mal länger, aber irgendwo muss man ja mal anfangen.

Vorhin habe ich das Progrämmchen dann mal auf den Extremprüfstand gestellt, d.h. ich habe es mit einem Audiosignal von ca. 1,3 sec Länge (58014 Datenpunkte bei einer üblichen Samplingrate von 44.100) gefüttert. Dann sollte es das Ganze einmal fouriertransformieren und anschließend aus den Transformationsdaten das Originalsignal wieder zusammen basteln. Eigentlich eine einfachere Aufgabe, wenn man die Signallänge von einer Sekunde bedenkt, gerechnet hat es aber original 35 Minuten! Aber jede davon hat sich gelohnt:

Next Level: Fast Fourier Transformation!

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Einsichten eines Paukenden

11. Juli 2010 - 19:08 Uhr

Ich lerne gerade Physik 4 Stoff für die Klausur am nächsten Montag und mir ist gewissermaßen eine Art Einsicht gekommen die ich hier anhand der Geschichte der Atomphysik kurz erläutern möchte. Dazu kopiere ich einfach (ich hab gerade nicht viel Zeit) meinen per ICQ geposteten Abriss des Ganzen:

(19:11:34) jul.icq: Boh! Atomphysik is doch echt mal ne riesengroße Zwiebel!
(19:11:55)
jul.icq: Willste das Wasserstoffatom beschreiben, machstes erstmal wie Bohr, dann merkste: vll sollte der Kern sich auch mal bewegen können..nagut machste halt ne Korrektur soweit, sogut!
(19:12:14)
jul.icq: Dann kommt Sommerfeld daher und macht so komische Ellipsen, ist ja im Sonnensystem auch so, muss also auch hier so sein!
(19:13:05)
jul.icq: Dann gehts aber los: H-Atom über Schrödingergleichung is ja mal sowas von oberhässlich! Ich sag nur: Kugelflächenfunktionen und Laguerre-Polynome! Aber mit dem gesammelten Abstraktionsvermögen steckt man das auch noch mit in die Tasche….”is halt so”
(19:14:00)
jul.icq: Merkste dann aber: Irgendwas hab ich noch vergessen….Miste–> l-Entartung aufheben und dabei mit Sommerfeld’schen Tauchbahnen argumentieren. Nagut…is ja ganz plausibel. Richtig herleiten will man das aber auch nicht..
(19:14:25)
jul.icq: Aber nee: Es fehlt immer noch was! Die doofen Elektronenheinis (bei uns in der Schule immer Blau gezeichnet) haben auch selber nen magn. Moment….das koppelt auch zu allem Überfluß noch an den Bahndrehimpuls!!
(19:14:50)
jul.icq: Kommt ne Feinstruktur bei rum, meinetwegen. Die kann man vll ja auch noch so messen mitm Spektrograph
(19:15:44)
jul.icq: Kommt son Dirac dahergelaufen und sagt: “Ja…das wusste ich auch alles und der Spin, der is ja wohl sowas von logisch, dass es den gibt, der steht schließlich hier in meinem Buch!”
(19:15:56)
jul.icq: Rechnet der das ganze sogar relativistisch durch!!
(19:16:20)
jul.icq: Beachte: wir sind immer noch beim Wasserstoff und den kannste noch nichtmal trinken!
(19:17:23)
jul.icq: Kommen dann um 1950 nochmal so zwei Leute angelaufen die denken: Lass doch mal den Schiet hier durch nen GHz-Magnetfeld jagen, das bestimmt total geil!
(19:17:46)
jul.icq: Die machen dann zusammen mit anderen so QED und sagen: “Ihr vorher, ihr seid ja alle sooo doof, hier guck mal, das habt ihr übersehen! Die Hα-Linie, das sind eigentlich 7! Sag mal braucht ihr ne Brille? Wusstet ihr nicht, dass nur die QED das Wasserstoffatom vollständig beschreibt?”
(19:18:06)
jul.icq: So jetzt haste vll die vertrocknete, labberige haut der zwiebel abgeschält.
(19:18:22)
jul.icq: und: Fängste direkt an zu weinen, is ja bei der Küchenzwiebel auch so…
(19:18:53) jul.icq: Wie gesagt…bloß einfacher Wasserstoff: ein Knubbel in der Mitte, ein Blaumann drum herum. Das noch lange kein BigMac oder nen Eichhörnchen!

[no offense!]

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Vortrag – Das anthropische Prinzip

1. Juli 2010 - 21:06 Uhr

Heute gab es um 17.15 im Hörsaal 2 einen Vortrag von Christoph Behrens zum Thema seiner Bachelorarbeit an der philosophischen Fakultät. Das Thema war, wie der Titel dieses Beitrages schon vermuten lässt, das anthropische Prinzip und damit für Physiker allgemein und Kosmologen im Speziellen interessant.

Es geht dabei um die Tatsache, dass physikalische Beobachtungen durch die Existenz des Beobachtenden und die dafür notwendigen Bedingungen eingeschränkt werden. Einer, der sich damit beschäftigte, war Brandon Carter und er formulierte das sogenannte schwache anthropisches Prinzip (WAP) folgendermaßen:

“We must be prepared to take account of the fact that our location in the universe is necessarily privileged to the extent of being compatible with our existence as observers.”

Diese »schwache« Version gilt also, ganz wie man es auch aus der Mathematik kennt, lokal. Es gibt auch noch die »starke« Version (SAP):

“The Universe (and hence the fundamental parameters on which it depends) must be such as to admit the creation of observers within it at some stage. To paraphrase Descartes, cogito ergo mundus talis est.”

Nach einer kurzen Einführung und der Arbeitsdefinition des Prinzips ging Christoph dann fast 1.5 Stunden lang — immer wieder erweitert durch schöne Analogien und kurze Diskussionen — etwas näher auf die physikalischen Bedeutungen und die begrifflichen Probleme ein. Ohne hier weiter darauf einzugehen[1], ging es um die Fragen

  1. Kann das anthropische Prinzip Vorhersagen machen?
  2. Kann es Erklärungen[2] liefern?
  3. Hilft es uns eventuell bei der Formulierung von Theorien?

Um etwa 18.30 ging es dann auf die Terasse der Cafeteria, wo genügend Sitzgelegenheiten und Erfrischungsgetränke für die sich anschließende Diskussionsrunde bereit standen. Neben Christoph war auch Prof. Dr. J. Niemeyer für die Göttinger Kosmologie anwesend und es wurde lebhaft und sehr interessant mit untergehender Sonne bis um etwa 20.15 diskutiert.

Nach dem ganzen Gerechne der Quantenmechanik-Vorlesungen des vierten Semesters[3] ging es endlich mal wieder um grundlegende Prinzipien in der Physik, die mich interessierten. Ein lohnender Abschluss eines sonst recht normalen Unitages — mehr davon!

[1] Leider habe ich keine Notizen gemacht, sonst könnte ich detaillierter Auskunft geben.
[2] In der Diskussion wurde unter anderem über diesen Begriff lange gestritten, ein Konsens bzgl.
seiner Bedeutung wurde aber meiner Einschätzung nach nicht erreicht;)
[3] Es geht irgendwie mehr um pures Rechnen, als um das Verstehen von »Wahrheit« hinter den
gemalten Zeichen. Dazu vll. später mehr.

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Einführung in die Astro- und Geophysik

29. Juni 2010 - 08:32 Uhr

Im vierten Semester fängt man damit an, Einführungen in die verschiedensten Fachbereiche zu hören, um dann evtl. schon diesen Freitag auf der Bachelor-Börse[1] sein Lieblingsfach gefunden zu haben und dort im nächsten Jahr seine Arbeit zu schreiben. Ich höre derzeit eine Einführung in die Astro- und Geophysik, die blockweise gelesen wird. Momentan ist der Astroblock dran und wer mal wissen will, was wir da so machen, für den habe ich hier ein schönes Beispiel:

[1] Nein, hier werden keine Junggesellen feil geboten, hier werden von aller Hand Instituten Themen
für mögliche Bachelorarbeiten vorgestellt! (Freitag 2.7. 14-18 Uhr in der Physik)

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why is …?

9. Juni 2010 - 17:43 Uhr

I could answer the question about the sky…
about all the rest I have no clue!

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Neues Übungskonzept in der Physik

11. Mai 2010 - 20:22 Uhr

Im Dezember und Januar letzten bzw. diesen Jahres gab es an der Fakultät Physik eine Podiumsdiskussion zu aktuellen Problemen im Bachelor/Master Studiengang. Zwischen den Vertretern des Lehrkörpers, der Studenten und dem Publikum sollte das aktuelle Konzept des Physikstudiums in Göttingen bewertet und Verbesserungsvorschläge gefunden werden. Auf der Tagesordnungen standen u.a. Punkte wie der insbesondere zu Studienbeginn zu große Prüfungsdruck, die 3-Klausurenregel [1], die Form der einzelnen Prüfungen und das aktuelle Übungskonzept.

Normalerweise sieht der Übungsbetrieb zu einer Vorlesung so aus, dass man einer etwa 20 Personen starken Übungsgruppe zugewiesen wird und diese einmal die Woche für 2 Stunden besucht. Dort wird dann der vom Übungsgruppenleiter korrigierte Übungszettel der jeweiligen Woche zurückgegeben, besprochen und es werden aktuelle Fragen zur Vorlesung beantwortet, sowie Unklarheiten beseitigt. Im Rahmen der Podiumsdiskussion gab es nun den Vorschlag, den Übungsbetrieb wie folgt umzustrukturieren:

  • An Stelle der Übungsgruppe tritt die Anwesenheitsübung. Sie dauert eine Stunde und der entsprechende HiWi kontrolliert die Zettel seiner Gruppe und gibt sie hier zurück. Außerdem gibt es ein Anwesenheitsblatt, in dem es mehr um Konzepte, als um ewig lange Rechnungen geht und in Kleingruppen bearbeitet wird. Hier soll man vor allem über Physik diskutieren. Der Übungszettel wird NICHT besprochen.
  • Für die aktuellen Fragen zur Vorlesung bzw. dem Übungsblatt oder generelle Unklarheiten ist eine Art Tutorium zuständig, das zweimal die Woche zentral angeboten wird.
  • Die Besprechung des Übungszettels findet zu einem dritten Termin statt. Hier wird das komplette Blatt von einem der HiWis vorgerechnet.

Eigentlich eine ganz schöne Idee, die dann auch ausprobiert werden sollte. Und zwar im Rahmen der Quantenmechanik I Vorlesung, welche ich zur Zeit höre. In der Praxis schlägt sich das neue Konzept aber nicht ganz so gut:

  • Statt einem Termin in der Woche hat man nun ganze 3-4 Termine in den Stundenplan zu integrieren. Das ist insbesondere dann schwer, wenn man sich nicht an den »Standardstundenplan« des aktuellen Semesters hält. Konsequenz: Viele können zu den Zeiten der Tutorien und zum Vorrechentermin nicht wirklich.
  • Dies führt dazu, dass Unklarheiten und Fragen zur Vorlesung in der Anwesenheitsübung angesprochen werden. Dadurch geht enorm viel Zeit der einen Stunde verloren und der Anwesenheitszettel wird nur auf die Schnelle bearbeitet.
  • Das Vorstellen eigener Lösungswege an der Tafel fällt völlig unter den Tisch und man kommt gewissermaßen mit dem »Präsentieren« aus dem Training.
  • Durch das Trennen von Zettelrückgabe und -besprechung bekommt man nicht sofort eine Rückmeldung zu den gemachten Fehlern, sondern muss sich selbst um diese kümmern. Das könnte einige davon abhalten, die Rückmeldung überhaupt einzuholen.

Ich will das neue Konzept nicht komplett schlecht reden, die Anwesenheitsübung und der Diskurs über physikalische Konzepte ist denke ich durchaus sinnvoll und auch notwendig. Ich fände einen Mittelweg zwischen beiden Übungsarten super. Gegen die Terminflut und für mehr Diskurs!

[1] Hat man dreimal ein Pflichtmodul nicht bestanden, so kann man das Physikstudium nicht fortsetzen

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Buxfix-Release: Findpeak!

6. April 2010 - 18:06 Uhr

Pünktlich zum A-Praktikum 2010 gibt es von uns einen Bugfix-Release von Findpeak, dem schönsten aller Programme, welches dir außerdem bei Versuch Nr. 1 so manche Arbeit mit dem Maximum-suchenden Textmarker ersparen kann. So sieht das etwa aus:

Zu erhalten ist das großartige Werk nur bei mir oder Alexander. Schreibt einfach einen entsprechenden Kommentar zu diesem Artikel, oder sprecht uns an und das am besten schnell, bevor es vergriffen ist!

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