Final projects - תואר ראשון בהנדסת חשמל (B.Sc) - לעמוד בחזית הטכנולוגיה - Bioengineering תשפ"ה

הרקע לפרויקט:

ניתן לממש מעגלי חישוב אשר מבוססים על האינטראקציה בין מולקולות DNA . יחד עם זאת תכנון מעגלים מורכבים יותר המבוססים על DNA דורש הבנה מעמיקה בתחום הביולוגיה המולקולרית יחד עם יכולות תכנון וסימולציה מתקדמות .

מטרת הפרויקט:

לבחון האם ניתן להשתמש בכלי שפותח במעבדה לתכנון של מערכת חישובית מורכבת המבוססת על דנ"א

תכולת הפרויקט:

סקר ספרות והכרות עם מאמרי מפתח בתחום חישוב דנ"א ועם כלי הסימולציה שפותח במעבדה.
תכנון באמצעות הכלי שתוכנן מערכת חישובית חדשנית.

קורסי קדם:

מעגלים ספרתיים

מקורות:

1. A simple DNA gate motif for synthesizing large-scale circuits
2. Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades

הרקע לפרויקט:

Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) can provide detailed information regarding biochemical processes and electrolyte composition.

The EIS can provide insights about solution composition or the nature of the grafting or plated material on the electrodes [1].

The EIS can also be used in synthetic biology-based sensors [2]

A setup of 2,3,4 electrode setup [1,3] can be used for obtaining the measurements for a specific challenging problem. The advantages and the disadvantages of each strategy will be evaluated.

The PalmSens [4] commercial potentiostat system and the screen printed electrodes will be used as a baseline system for designing lower cost solution EIS setup which will be characterized and tested in this project.

This project is a collaboration with Prof. Drazen Jurisic (https://www.fer.unizg.hr/en/drazen.jurisic ) from Department of electronics in Zagreb University (he is an expert in analog circuits).

מטרת הפרויקט:

This project is about understanding electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and exploring potential applications for EIS

תכולת הפרויקט:

In this multi-disciplinary project, the student will learn how Electrochemical Impedance Spectroscopy can be used for material characterization. The project includes integration of analog and digital circuitry with wet biochemical material (optional).

קורסי קדם:

מעגלים משולבים

מקורות:

1. Wang, S., Zhang, J., Gharbi, O. et al. Electrochemical impedance spectroscopy. Nat Rev Methods Primers 1, 41 (2021). https://doi.org/10.1038/s43586-021-00039-w
2. Din, M. Omar, et al. "Interfacing gene circuits with microelectronics through engineered population dynamics." Science advances 6.21 (2020): eaaz8344. (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaz8344 )
3. Franks, Wendy, et al. "Impedance characterization and modeling of electrodes for biomedical applications." Biomedical Engineering, IEEE Transactions on52.7 (2005): 1295-1302.‏
4. Palmsens 4 Potentiostat , (https://www.bioanalytics.co.il/products/electrochemistry/palmsens-4-pot… )

הרקע לפרויקט:

בפרויקט זה נחקור את האפשרות למימוש מעגלי חישוב המבוססים על האינטראקציה בין מולקולות DNA, תוך שימוש בתזוזת גדילי DNA (DNA Strand Displacement - DSD). שיטה זו מאפשרת בניית שערים לוגיים ויישומים חישוביים נוספים במערכת ביולוגית. למרות הפוטנציאל של DNA לביצוע חישובים, תכנון מעגלים מורכבים דורש הבנה מעמיקה של הביולוגיה המולקולרית לצד יכולות תכנון, מודלציה וסימולציה מתקדמות. פרויקט זה שם דגש על שילוב הידע הביולוגי עם כלים חישוביים במטרה לפתח שערים לוגיים יעילים וניתנים לתכנות באמצעות DNA.

מטרת הפרויקט:

הפרויקט יתמקד במימוש רטוב של השערים הלוגיים במעבדה, לצד השוואה לתוצאות בסימולטור שפותח ע"י קבוצת המחקר. סימולטור זה משמש לפיתוח ותכנון של מעגלים חישוביים תוך שימוש בתכונות של אינטראקציות בין גדילי DNA.

תכולת הפרויקט:

סקר ספרות והכרות עם מאמרי מפתח בתחום חישוב מבוסס דנ"א ועם כלי הסימולציה שפותח במעבדה.
תכנון ומימוש מערכת חישובית חדשנית במעבדה.

קורסי קדם:

מעגלים משולבים

דרישות נוספות:

חישוב ביולוגי

מקורות:

1. A simple DNA gate motif for synthesizing large-scale circuits.
2. Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades

הרקע לפרויקט:

אנו מפתחים טכנולוגיה ייחודית העושה שימוש באורך גל יחיד ומספר גלאים, לטובת חילוץ מדויק של פרמטרים אופטיים מרקמה. השיטה האופטית שאנו מציעים היא שיטה חדשה לגילוי תכונות אופטיות מרקמות גליליות בהתבסס על פיזור העוצמה הזוויתי שלהן, מה שמכונה Full scattering profile (FSP), וזאת במטרה לשפר את הדיוק והרגישות של מדידת פרמטרים ביולוגיים, כגון דופק, רוויון חמצן (סטורציה), קצב נשימה, שונות קצב הלב, לחץ דם, וכדומה.

מטרת הפרויקט:

הפרויקט המוצע יעסוק בחילוץ לחץ דם באמצעות החיישן האופטי. מטרת הפרויקט היא פיתוח התשתית למציאת לחץ דם בצורה נוחה, מדויקת ולא פולשנית.

תכולת הפרויקט:

בפרויקט זה הסטודנטים יעבדו על הוספת חישוב של לחץ דם לחיישן האופטי, בנוסף לחילוץ הפרמטרים שכבר קיימים (כגון דופק וסטורציה). עבודה זו כוללת מחקר על חילוץ לחץ דם באמצעים אופטיים, הטמעת החישוב בחיישן, כיול החיישן, מדידת לחץ דם של נבדקים באמצעותו וניתוח התוצאות.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה.

דרישות נוספות:

לפרויקט זה אנו מחפשים סטודנט רציני עם ראש גדול.

מקורות:

1. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26309752/
2. https://opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-7-11-4695&id=352780

הרקע לפרויקט:

חישת אנאיזוטרופיה באמצעות פלורוסנציה במישור הזמן היא טכניקה שימושית לחקר תכונות מבניות של מערכות מורכבות. שיטה זו מודדת את קיטוב הפלואורסנציה של אור הנפלט ממולקולות פלואורסצנטיות ומספקת תובנות על דינמיקה סיבובית וסביבתן המולקולרית. היתרון של מדידות בתחום הזמן הוא היכולת לספק רזולוציה זמנית של תהליכים מולקולריים, דבר המאפשר חקירה אחר קיפולי החלבונים, אינטראקציות קישור ודינמיקה של ממברנות בזמן אמת. הפרויקט שואף לנצל את הטכניקה הזו כדי לשפר את ההבנה שלנו של אנאיזוטרופיה מולקולרית ביישומים שונים.

מטרת הפרויקט:

לשפר את ההבנה של האניאיזטרופיה באמצעות מדידות פלואורוסנציה במישור הזמן.

תכולת הפרויקט:

הסטודנט יכין את המערכת עבור מדידות פלואורוסנציה בזמן לאניזוטרופיה ויבצע את הכיול הדרושה לכך. בנוסף הסטודנט יבצע מדידות פלואורוסנציה בתחום הזמן, ינתח את הנתונים כדי להפיק תובנות על דינמיקה מולקולרית, וישתמש בממצאים כדי לחקור את האניאיזוטרופיה.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה, שדות אלקטרומגנטיים

דרישות נוספות:

גלאים, מעבדה באופטיקה

מקורות:

1. Yahav, Gilad, et al. "Imaging the rotational mobility of carbon dot-gold nanoparticle conjugates using frequency domain wide-field time-resolved fluorescence anisotropy." Journal of Biomedical Optics 28.5 (2023): 056001-056001.
2. Yahav, Gilad, et al. "Fluorescence lifetime imaging of DAPI‐stained nuclei as a novel diagnostic tool for the detection and classification of B‐cell chronic lymphocytic leukemia." Cytometry Part A 89.7 (2016): 644-652.
3. Gershanov, S., Michowiz, S., Toledano, H. et al. Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, a Novel Diagnostic Tool for Metastatic Cell Detection in the Cerebrospinal Fluid of Children with Medulloblastoma. Sci Rep 7, 3648 (2017).
4. Zahavi, Tamar, et al. "Utilizing fluorescent life time imaging microscopy technology for identify carriers of BRCA2 mutation." Biochemical and biophysical research communications 480.1 (2016): 36-41.
5. Yahav, Gilad, et al. "Pathogen detection using frequency domain fluorescent lifetime measurements." IEEE Transactions on Biomedical Engineering 65.12 (2018): 2731-2741.
6. Yahav, Gilad, et al. "Reference‐independent wide field fluorescence lifetime measurements using Frequency‐Domain (FD) technique based on phase and amplitude crossing point." Journal of biophotonics 10.9 (2017): 1198-1207.
7.  Yahav, Gilad, et al. "Probing polarity and ph sensitivity of carbon dots in escherichia coli through time-resolved fluorescence analyses." Nanomaterials 13.14 (2023): 2068.

הרקע לפרויקט:

כאשר קרינה אלקטרומגנטית פוגעת בחומר, האינטראקציה שנוצרת היא ייחודית עבור כל חומר ואורך הגל של הקרינה. התוצאה (בליעה, פיזור, שינוי כיוון) תלויה בתכונות האופטיות של החומר עבור כל אורך גל, ולכן מדידה של תוצאת האינטראקציה, אותה ניתן לעשות באופן בלתי פולשני, מאפשרת לזהות חומרים באמצעים אופטיים. תכונות דומיננטיות של החומר הן הבליעה והפיזור. אם חומר הוא גם מפזר וגם בולע, כמו רקמות אנושיות, משימת חילוץ התכונות האופטיות מתוך המדידה נעשית עוד יותר מאתגרת מכיוון שקשה להפריד בין התכונות השונות. רוב השיטות האופטיות מתבססות על גילוי עוצמה בלבד, מאחר והסנסורים המקובלים (כולל גם העין האנושית) יכולים לחוש רק את העוצמה. במחקר שלנו פיתחנו שיטה המתבססת על שחזור הפאזה של האור. מתוך סט של תמונות עוצמה ושילוב אלגוריתם איטרטיבי, אנו משחזרים את תמונת הפאזה ומנתחים את המידע שהתקבל מתוכו ניתן לחלץ תכונות אופטיות של בליעה ופיזור באופן לא פולשני.
בשנה האחרונה השיטה מתרחבת לחישה של חומרים במבנה רב שכבתי. בדוגמאות ביולוגיות הרבה פעמים נתקלים במבנה של שכבות, ומכאן חשיבת פיתוח השיטה.

מטרת הפרויקט:

ביסוס מתודולוגי של השיטה IMOPE עבור דוגמאות במבנה דו שכבתי.

תכולת הפרויקט:

למידת עקרונות השיטה IMOPE- iterative multi-plane optical properties extraction technique.
הכנת דוגמאות אופטיות במעבדה
מדידות במערכת
ניתוח תוצאות- MATLAB

קורסי קדם:

שדות אלקטרומגנטיים / מבוא לאלקטרואופטיקה

מקורות:

1. Yariv, I., Shapira, C., Duadi, H., & Fixler, D. (2019). Media Characterization under Scattering Conditions by Nanophotonics Iterative Multiplane Spectroscopy Measurements. ACS Omega, 4(10), 14301–14306. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b01976 .‏
2. Shapira, Channa, et al. "Effect of optical magnification on the detection of the reduced scattering coefficient in the blue regime: theory and experiments." Optics Express 29.14 (2021): 22228-22239.‏
3. Shapira, C., Itshak, D., Duadi, H., Harel, Y., Atkins, A., Lipovsky, A., ... & Fixler, D. (2022). Noninvasive nanodiamond skin permeation profiling using a phase analysis method: ex vivo experiments. ACS nano, 16(10), 15760-15769.‏
4. Yariv, I., Duadi, H., & Fixler, D. (2020). Depth scattering characterization of multi-layer turbid media based on iterative multi-plane reflectance measurements. IEEE Photonics Journal, 12(5), 1-13

הרקע לפרויקט:

אנו מפתחים טכנולוגיה ייחודית העושה שימוש באורך גל יחיד ומספר גלאים, לטובת חילוץ מדויק של פרמטרים אופטיים מרקמה. השיטה האופטית שאנו מציעים היא שיטה חדשה לגילוי תכונות אופטיות מרקמות
גליליות בהתבסס על פיזור העוצמה הזוויתי שלהן, מה שמכונה (FSP (profile scattering Full, וזאת במטרה לשפר את הדיוק והרגישות של מדידת פרמטרים ביולוגיים, כגון דופק, רוויון חמצן (סטורציה), קצב נשימה, שונות קצב הלב, לחץ דם, וכדומה. בפרויקט זה אנו רוצים לעשות אינטגרציה בין חיישן זה לבין רכיב
פיאזואלקטרי למדידת קצב נשימה, לכדי חיישן יחיד.

מטרת הפרויקט:

הפרויקט המוצע יעסוק במדידות קצב נשימה ודופק באמצעות שילוב החיישן הפיאזואלקטרי יחד עם החיישן
האופטי.

תכולת הפרויקט:

בפרויקט זה הסטודנטים יעבדו על השילוב בין שני החיישנים לטובת מדידת קצב נשימה ודופק. עבודה זו
כוללת מחקר על הבנת הפעולה של שני החיישנים, איפיון החיישן החדש והטמעת החישובים בו.

קורסי קדם:

מבוא לאופטיקה.

דרישות נוספות:

לפרויקט זה אנו מחפשים סטודנט רציני עם ראש גדול.

מקורות:

1. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26309752/
2. https://opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-7-11-4695&id=352780

הרקע לפרויקט:

מדובר על טכנולוגיית חישה חדשנית המבוססת על ניתוח שינויים זמניים-מרחביים של תבנית פיזור אור לייזר מרקמה ביולוגית. על בסיס פיזור זה נבחנת יכולת חישה של פרמטרים ביו רפואיים מרחוק. תבניות הפיזור הנוצרות עקב התאבכות עצמית של אור הלייזר ניקראות ספקלס. אלו תבניות אקראיות המשתנות בזמן כתלות בתהליכים הזמניים הקורים בתוך הרקמה הביולוגית. עי הפעלת ארכיטקטורה פשוטה של עיבוד תמונה המבוססת על קורלציה ניתן לשייך את השינויים המרחביים-זמניים של תבניות אלו עם ננו-רעידות המתרחשות ברקמה. מתוך ניתוח תבניות הננו-רעידות ניתן לבצע שערוך של פרמטרים בו רפואיים שונים הכוללים לחץ דם, מאפיני זרימת דם בכלי דם ועוד.

מטרת הפרויקט:

מימוש סנבור חדשני לאפליקציות חדשות בתחום הביו רפואה

תכולת הפרויקט:

כתיבת סימולציות מטלב, ביצוע ניסויי מעבדה , ניתוח תוצאות

קורסי קדם:

קורס מבוא לאופטיקה

דרישות נוספות:

ידע במטלב או בפייתון

מקורות:

Z. Zalevsky, Y. Beiderman, I. Margalit, S. Gingold, M. Teicher, V. Mico and J. Garcia, "Simultaneous remote extraction of multiple speech sources and heart beats from secondary speckles pattern," Opt. Express 17, 21566-21580 (2009).

הרקע לפרויקט:

כיום, קיימות בדיקות לגילוי הדבקה בוירוס משני סוגים: בדיקות מבוססות הגבר DNA שהן מאד מדוייקות ומאד איטיות, ומאידך בדיקות מהירות אך פחות רגישות, כך שהן נותנות מענה רק בשלבי הדבקה מתקדמים. כפי שראינו בהתפשטות הקורונה, זה לא מספיק לבלימת מגפות ולכן הפרויקט יעסוק בסוג חדש של בדיקות מהירות ורגישות שמפותח במעבדה, המבוססות על הגבר של ננו-משטחים. הפרויקט מתאים למעוניינים להמשיך למחקר ומהווה המשך לפרויקט משנים קודמות.

מטרת הפרויקט:

סימולציה ואפייון ביצועים של בדיקה ויראלית מבוססת ננו-משטחים

תכולת הפרויקט:

בפרויקט תכתב סימולציית מטלב המאפיינת את ההתנהגות של ננו-משטחים מצופים. הציפוי של ננו-משטחים אלו מתפרק בתגובה למולקלות ובתכנון נכון יכול לשמש כבדיקת לגילוי וירוסים.
הפרויקט יכלול לימוד והבנת ההתנהגות של ננו-משטחים, כתיבת סימולציית מטלב, והרצות של הסימולצים בתנאים שונים כל מנת לאפיין את מערכת הבדיקה

קורסי קדם:

אותות ומערכות, נושאים מתקדמים בתקשורת (רשות, במקביל לפרויקט)

מקורות:

Bergel, Itsik. "Detection and amplification of molecular signals using cooperating nano-devices." In ICASSP 2019-2019 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), pp. 1259-1263. IEEE, 2019.