פרויקטי גמר - הנדסת חשמל - המעבדה לביו-הנדסה תש"פ

601  A web-based tool for analysis of single-cell RNAseq datasets

ממשק לניתוח נתונים גנומיים רב מימדיים של מדידות רנ"א מתאים בודדים

שם המנחה: ד"ר תומר קליסקי

אחראי אקדמי: ד"ר תומר קליסקי

הרקע לפרויקט:

בשנים האחרונות פותחו טכנולוגיות למדידת נתונים רב מימדיים של ביטוי גנים מעשרות אלפי תאים. אולם, הוויזואליזציה של נתונים אלו היא קשה לביצוע מכיוון שמדובר בנתונים רב מימדיים. בפרוייקט זה נבנה ממשק נוח להצגת נתונים אלו על ידי הטלה למרחב דו מימדי. כמו כן הממשק יאפשר וויזואליזציה בחתכים ובדרכים שונות על פי בחירת המשתמש.

מטרת הפרויקט:

בניית יישום רשת (web application) מבוסס python או R להצגת נתונים רב מימדיים של ביטוי גנים מעשרות אלפי תאים על ידי הטלה למרחב דו מימדי בשיטות PCA ו tSNE בהתאם לבחירת המשתמש.

תכולת בפרויקט:

  1. בניית יישום רשת (web application) מבוסס python או R להצגת נתונים רב מימדיים של ביטוי גנים מעשרות אלפי תאים.
  2. הצגת המידע באמצעות הטלה למרחב דו מימדי בשיטות PCA ו tSNE בהתאם לבחירת המשתמש.
  3. סימון תאים המבטאים גן מסויים על פי בחירת המשתמש.
  4. ייצור היסטוגרמה של רמות ביטוי של גן מסויים על פי בחירת המשתמש.
  5. מתן אפשרות למשתמש להגדיל ולהקטין ולסובב את התמונה.
  6. מתן אפשרות למשתמש לסמן קבוצות של תאים לייצר גרף עמודות (bar plot) של ממוצעי רמות ביטוי היסטוגרמות של שלהם עבור גנים נבחרים על פי בחירת המשתמש.
  7. ביצוע שאילתות על חתכים שונים של המידע (למשל, בחירת תת קבוצה של תאים והוצאת רשימת הגנים המאפיינים אותה ביחס לשאר) בהתאם לבחירת המשתמש.

דרישות:

  • עדיפות למסיימי הקורסים "ביג דאטה" ו"ביולוגיה חישובית וביואינפורמטיקה"
  • עדיפות למי שמכיר תכנות בשפת R או Python

מקורות:

  1. Plotly R Open Source Graphing Library (https://plot.ly/r/)
  2. The Jupyter Notebook (https://jupyter.org/)
  3. t-SNE (https://lvdmaaten.github.io/tsne/)
  4. Single-cell transcriptomes from human kidneys reveal the cellular identity of renal tumors, Science 2018 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30093597)

602 Genetic pattern analysis in Immunological repertoires

ניתוח תבניות גנטיות ברפרטוארים אימונולוגים

שם המנחה: אילת פרס

אחראי אקדמי: ד"ר גור יערי

הרקע לפרויקט:

We have previously developed efficient computational pipelines for processing antibody repertoire data. Here, we propose to utilize this framework to investigate novel repertoire features related to clonal connectivity across biological compartments (temporal, tissues or cell subsets).

מטרת הפרויקט:

Analyze antibody DNA sequencing datasets. Assess the relevancy of different features on the ability to classify the datasets according to the clinical status of the individuals.

תכולת בפרויקט:

איסוף הנתונים, הכנת מבנה נתונים, ניתוח הנתונים וכתיבת המחקר

דרישות:

  • Big data analysis

מקורות:

  1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4113560/
  2. https://genomemedicine.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13073-015-0243-2

603  Probabilistic models for mutation processes in antibodies

ניתוח מוטציות גנטיות בנוגדנים באמצעות מודלים הסתברותיים

שם המנחה: אור שמש

אחראי אקדמי: ד"ר גור יערי

הרקע לפרויקט:

מדע הנתונים (data science) הינו תחום המתפתח במהירות בזכות טכנולוגיות מתקדמות המסוגלות לייצר כמויות עצומות של נתונים. ניתוח של הנתונים על מנת לענות על שאלות מחקר שונות דורש ידע והבנה בתחומים רבים כגון מתמטיקה, סטטיסטיקה,מדעי המחשב ועוד.

בעשור האחרון חלה התקדמות משמעותית בתחום ריצוף הגנום וטכנולוגיות חדישות אפשרו ריצוף של כל החומר הגנטי ביעילות גבוהה ובעלות נמוכה וכך שינו את האתגר של איסוף המידע לאתגר של ניתוח נתונים רבים בזמן קצר.

המחקר במעבדה מתמקד בניתוח חישובי של רצפים גנטיים שמקורם בתאים של מערכת החיסון הנרכשת, תאי B וT. תאים אלו בעלי חשיבות רבה בהגנה על הגוף מפני מחוללי מחלה (פתוגנים) שונים ובנוסף מאפשרים זיכרון חיסוני שמתבטא בתגובה מהירה ויעילה בחשיפה חוזרת לאותו פתוגן.

היכולת לאפיין באופן חישובי את מיליוני הרצפים (רפרטואר) הנמצאים על גבי תאים אלו בגוף האדם הינו בעל חשיבות קלינית עצומה. לדוגמה, זיהוי מוקדם של דחיית שתל אצל מושתל כליה, מציאת תבנית (מוטיב) ברצפים של תאי B ברפרטואר של חולים שהבריאו באופן ספונטני מוירוס צהבת C שיעזור בפיתוח חיסון, בניית מודלים של למידת מכונה על מנת לזהות נטייה גנטית לפתח צליאק ועוד.

מטרת הפרויקט:

פרוייקט זה יעסוק בניתוח ואפיון כמויות גדולות של רצפים מתאי B ויכלול בניית מודלים הסתברותיים לאוסף המוטציות שעוברים הרצפים בתגובה לפתוגן, וזאת כדי ללמוד על מנגנון הביולוגי שעוברים התאים בתגובה החיסונית.

תכולת בפרויקט:

  1. כתיבת קוד.
  2. ניתוח נתונים.
  3. כתיבת מודלים הסתברותיים ובדיקת תיקופם.

דרישות:

  • Big data analysis

מקורות:

  1. http://www.nature.com/nbt/journal/v32/n2/full/nbt.2782.html
  2. http://nar.oxfordjournals.org/content/early/2012/05/25/nar.gks457.abstra.
  3. http://journal.frontiersin.org/Journal/10.3389/fimmu.2013.00358/abstract
  4. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24618469

604  Characterization of Nanoparticles used for Diagnosis and Treatment in Medicine by Microscopic Tools

איפיון ננו-חלקיקים המשמשים לאבחנה וטיפול בתחום הרפואה ע"י שימוש במיקרוסקופיה

שם המנחה: חן צרור-אזנקוט

אחראי אקדמי: פרופ' רחלה פופובצר

הרקע לפרויקט:

ננו-חלקיקים בעלי תאימות ביולוגית נמצאים בשימוש נרחב בתחום הרפואה, בעיקר בשל היכולת להוביל תרופות ואמצעי אבחון באופן ישיר לגידולים סרטניים.

לצורך כך אנו מהנדסים חלקיקים בגודל המתאים למעבר בגוף ויוצרים מעטפת חיצונית מתאימה שתאפשר מענה על הצורך והשימוש הביולוגי.

מטרת הפרויקט:

איפיון מדויק של החלקיקים הינה משימה לא פשוטה אשר דורשת שימוש במיקרוסקופים בעלי יכולות מתקדמות.

תכולת בפרויקט:

בפרויקט זה, הסטודנטים יחקרו את היכולת להשתמש באמצעים מיקרוסקופיים וסמנים פלורסנטיים מתקדמים ביותר על מנת לאפיין את החלקיקים ברמת הגודל, הציפוי ויכולת נשיאת תרופה.

הסטודנטים יסייעו בפיתוח השיטות וכן בניית אלגוריתם לניתוח התוצאות באופן כמותי.

דרישות:

  • מבוא לביולוגיה למהנדסים
  • סטודנטים סקרנים ובעלי מוטיבציה אשר מעוניינים לבצע מחקר אשר משלב בתוכו תחומי עניין מגוונים מעולם ההנדסה, רפואה, כימיה ועיבוד מידע.

מקורות:

  1. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-41129-3_2
  2. https://www.microscopyu.com/techniques/fluorescence/introduction-to-fluorescence-microscopy

605  Development and characterization of gold nanoparticles and exosomes for the delivery of anti -cancer drugs

פיתוח ואפיון של ננוחלקיקי זהב ואקסוזומים להובלת תרופות אנטי סרטניות

שם המנחה: נוי אלמליח

אחראי אקדמי: פרופ' רחלה פופובצר

הרקע לפרויקט:

פיתוח אמצעים להובלת תרופות באופן מכוון ויעיל באמצעות ננוחלקיקים לגידולים סרטניים נמצא בחזית המחקר המדעי. אקסוזומים אלו הם בועיות חוץ תאיות (30-120nm), המופרשות מרוב התאים בגוף. האקסוזומים משמשים ליצירת תקשורת בין תאים, ובעלי פוטנציאל רב להובלת תרופות באופן מכוון לגידולים סרטניים.

במעבדתנו אנו מסנתזים ננוחלקיקי זהב ומטעינים אותם בתוך מגוון אקסוזומים מתאים שונים, כאשר המטרה היא לכלוא בתוך הקומפלקס הזה תרופות שיגיעו באופן מכוון ומבוקר לגידולים סרטניים.

מטרת הפרויקט:

מטרת פרויקט זה היא ליצור קומפלקס של ננוחלקיקי זהב-אקסוזומים (מסוגים שונים), שיוטען בתרופות אנטי סרטניות, ולבסוף בחינת יעילות הטיפול בתאים במכשור מתקדם.

תכולת בפרויקט:

בפרויקט זה, הסטודנטים יסנתזו ננוחלקיקי זהב בגדלים שונים (אפיון ב- UV-Vis, DLS, Zeta potential), יפיקו ויאפיינו אקסוזומים בשיטות מיקרוסקופיה מתקדמות ((TEM,SEM, confocal, AFM.

הסטודנטים יסייעו בהובלת התרופות האנטי סרטניות בתוך קומפלקס הזהב-אקסוזומים, ויבחנו את יעילות הטיפול בתאים סרטניים.

דרישות:

  • ביולוגיה למהנדסים

מקורות:

  1. http://jcb.rupress.org/content/jcb/200/4/373.full.pdf
  2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014296121301449X

606  Analysis of IVF Image Sequences

נייתוח תמונות IVF (הפרייה חוץ גופית)

שם המנחה: פרופ' אריה וייס

אחראי אקדמי: פרופ' אריה וייס

הרקע לפרויקט:

The immediate objective is to develop an image processing workflow that can reliably isolate the embryo within the images.

This ia a segmentation problem, and it is a necessary step for further analysis.

מטרת הפרויקט:

The output of this project will be segmentation algorithms for time-lapse images of IVF. We have as set of such image sequences on which the algortihms will be tested.

A set of image characteristics (for example, texture, symmetry, etc) will then be measured, and a retrospective study will determine if those characteristics help predict outcome.

דרישות:

  • 83120 - מבוא להנדסת תוכנה ומחשבים
  • Python is helpful, but not strictly required.

מקורות:

Basic background on image processing is in this lecture

607  Microscopy and image processing

מיקרוסקופיה ועבוד תמונות

שם המנחה: פרופ' אריה וייס

אחראי אקדמי: פרופ' אריה וייס

הרקע לפרויקט:

In all of these cases, we need to develop protocols to image and then quantitatively analyse the images. Generally, these problems generate many GB of data, and novel methods of analysis have to be developed.

מטרת הפרויקט:

The output of these projects will be imaging and processing protocols, many of which will be published and/or presented at conferences.

דרישות:

  • 83120 - מבוא להנדסת תוכנה ומחשבים
  • Ability ot program in python is very helpful.

מקורות:

We work with the ImageJ/Fiji program

608 SPR biosensor for detection of biological events

ביוסנסור אופטי - זיהוי תהליכים ביולוגיים

שם המנחה: מריאנה בידרמן

אחראי אקדמי: פרופ' רחלה פופובצר

הרקע לפרויקט:

פיתוח סנסור לגילוי תהליכים ביולוגיים תוך שימוש בננוחלקיקים ופלורוסנציה

מטרת הפרויקט:

על הסטודנטים ליצר ננו חלקיקי זהב, לאפיינם. להשתמש הצבעים פלורוסנטיים ולמדוד זמני חיים. להשתמש במיקרוסקופ מולטיספקטרלי ולנתח תוצאות. לנתח אינטרקציה בין חלקיקים לצבע הפלורוסמטי ע"י שינוי אחוזי צבע הנקשר. בניית הסנסור ובדיקתו.

דרישות:

  • מבוא לביולוגיה למהנדסים

מקורות:

Surface plasmon resonance: a versatile technique for biosensor applications paper

609  Developing a device for measuring neurons concentration

פיתוח התקן למדידת ריכוז תאי עצב

שם המנחה: פיני טנדייטניק, חן ארזי

אחראי אקדמי:  פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

  1. יצור התקן בשיטות של מיקרו-אלקטרוניקה ואיפיון חשמלי של ההתקן
  2. עבודה עם תאי עצב ומדידת הצימוד בין ההתקן לתאים
  3. זיהוי ריכוזים שונים של חומרים

מטרת הפרויקט:

במסגרת הפרויקט התלמידים יתכננו יצור של אלקטרודות אשר תבאנה במגע עם תמיסות אלקטרוליטיות בעלות מיגוון של ריכוזים, של חומרים כימיים וסוגי תאים שונים.

לאחר יצור האלקטרודות, תיבחן יעילותן בניסויים.

דרישות:

  • מבוא להנדסת חשמל

מקורות:

  1. Stett, A., Egert, U., Guenther, E. et al. , " Biological application of microelectrode arrays in drug discovery and basic research ", Anal Bioanal Chem (2003) 377: 486.
  2. Yoon, Gilwon. "Dielectric Properties of Body Fluids with Various Hematocrit Levels." World Acad. Sci. Eng. Technol 5 (2011): 1646-1649.‏
  3. www.comsol.com

610 Developing a modular magnetic device for manipulating 3D neural networks

פיתוח מערך מגנטים מודולרי לשליטה ברשתות נוירונים תלת-ממדיות

שם המנחה: Reut Plen
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

ליכולת לשלוט בארגון המרחבי של רשתות עצבים יש השלכות חשובות ביותר בתחום ההנדסה הביו-רפואית. בניית רשתות עצביות תלת-ממדיות חשובה להבנה טובה יותר של המוח, לפיתוחם של ממשקים עצביים, לשיקום פגיעות עצביות ולטיפול במחלות נוירודגנרטיביות.

לאחרונה פותחה גישה חדשנית להכוונה מקומית של תאים באמצעות הטענתם בחלקיקים מגנטיים. הפיכתם של התאים ליחידות מגנטיות מאפשרת שליטה מרחוק באמצעות הפעלת גרדיאנטים של שדות מגנטים חיצוניים.

מטרת הפרויקט:

מטרת פרויקט זה היא לבנות רשת עצבית תלת-ממדית באמצעות הכוונת התאים לאזורי מטרה רצויים בתוך ג'ל קולגן רב-שכבתי. לשם כך, נתכנן ונייצר מערך מגנטים ייחודי המבוסס על מודלים של שדות מגנטיים אשר יוביל ליצירת מוקדים מגנטיים. בעזרת השדה המגנטי נמקם בתוך הג'ל תאים דמויי עצבים טעונים בננו-חלקיקים מגנטיים, נעודד את התמיינותם וכך ניצור רשתות עצביות באופן מבוקר.

תכולת הפרויקט:

  • לימוד תאורטי וקריאה בספרות של מחקרים רלבנטיים
  • תכנון ויצור מערכי מגנטיים
  • סימולציה ומידול של שדות מגנטיים
  • טיפול בתאים על גבי המערכים השונים ומעקב אחר התארגנות התאים כולל ניתוח כמותי של המבנה של התאים מתמונות שנרכשו במיקרוסקופ.

קורסי קדם:

  • קורס שדות
  • ידע בתוכנות COMSOL או OOMMF – יתרון

מקורות:

  1. https://jnanobiotechnology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12951-016-0190-0
  2. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6163445/
     

611 Improving the sensitivity of fluorescence-based blood tests

שיפור הרגישות של בדיקות דם המבוססות על גילוי פלואורוסנטי

שם המנחה: עמוס דניאלי
אחראי/ת אקדמי/ת: עמוס דניאלי

הרקע לפרויקט:

המעבדה שלנו מפתחת מכשור לזיהוי חלבונים ונוגדנים בריכוזים מאוד קטנים בדם. המכשור מבוסס על סימון חלבון המטרה במולקולה פלואורוסנטית ובחלקיקים מגנטיים.

על ידי שימוש באלקטרומגנטים אנו מרכזים את חלבוני המטרה והמולקולות הפלואורוסנטיות אל כתם הלייזר ובכך משפרים משמעותית את הסיגנל.

מטרת הפרויקט:

לאחרונה שמנו לב שרגישות המכשיר משתנה כתוצאה משימוש במולקולות פלואורסנטיות שונות. השינוי יכול להגיע עד כדי שני סדרי גודל.

מטרת הפרוייקט היא לבחון שימוש במולקולות פלואורוסנטיות שונות על מנת למקסם את הסיגנל הפלואורוסנטי. תוצר הפרוייקט הוא השוואת הרגישות של המערכת כאשר משתמשים במולקולות פלואורוסנטיות שונות.

תכולת הפרויקט:

הסטודנטים ילמדו על מערכת האפנון המגנטי, יריצו ניסויים במערכת תוך שימוש במולקולות פלואורוסנטיות שונות ויסכמו את התוצאות למאמר.

קורסי קדם:

  • מבוא לביולוגיה למהנדסים
  • מבוא לאופטיקה

דרישות נוספות:

  • מבוא ללייזרים
  • מבוא לאופטיקה מודרנית

מקורות:

http://amosdaniellilab.com/

612 Development of chip for studying electrical and physical mechanisms in neural network formation

פיתוח רכיב לבחינת מנגנונים חשמליים ופיסיים בהכוונת תאי עצב

שם המנחה: אלון ריכטר לוין
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

המוח האנושי מורכב ממיליארדי תאים הקרויים נוירונים שמתקשרים אחד עם השני דרך שלוחות (אקסונים) אשר מגיעות לעבר תאי המטרה ויוצרות קשר המכונה סינפסה.

ישנם סיגנלים מסוגים שונים אשר מדריכים את שלוחות התאים להגיע ליעדם. סיגנלים אלו יכולים להיות כימיים, טופוגרפיים, וחשמליים. המנגנונים הקשורים בכך ידועים חלקית בלבד.

תרומתם היחסית של סיגנלים אלו ושיתוף הפעולה בניהם הם נושא מחקר שעשוי לתרום לשיפור יכולת השריית רגנרציה עצבית ופיתוח רקמות חלופיות לשיקום רקמות פגועות.

במעבדה של פרופ' אורית שפי אנחנו מנסים להבין כיצד התאים והאקסונים מכוונים באופן טבעי ובעזרת הבנה זו לנסות ולשלוט באופן מכוון בגדילת האקסונים מתוך חשיבה על שיפור וייעול טיפולים שקשורים לתיקון פגיעה עצבית.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא לתכנן ולבנות מערכת אשר תאפשר בחינת ההשפעה המשולבת או התחרותית של סמנים אלו כולל תכנון מערכי אלקטרודות וצ'יפים להכוונת הגדילה העיצבית.

תכולת הפרויקט:

הפרויקט יכלול סקירה ספרותית של התחום, בדגש על השפעת סמנים שונים על צמיחת רשת קישור עצבית, ועל התרומה האפשרית לפיתוח יכולות לרגנרציה עצבית.

בצד המעשי הפרויקט יכלול העמדת מערכת בדיקה ופיתוח התנאים שיבטיחו יכולת שילוב ובידוד השפעת הסמנים הכימיים הטופוגרפיים והחשמליים: תכנון וייצור צ'יפים בשיטת פוטוליטוגרפיה, תכנון מערך להפעלת שדות אלקטרומגנטיים לגרוי חשמלי, עבודה עם מערכות דימות וניתוח תמונה.

קורסי קדם:

  • מבוא לביולוגיה למהנדסים
  • קורס שדות - יתרון

מקורות:

  1. Baranes et al, (2012) Topographic cues of nano‐scale height direct neuronal growth pattern.
  2. Goodhill (2016) Can Molecular Gradients Wire the Brain?

613 Controlling collagen fiber orientation as a baseline for 3D printing of hydrogels

אוטומטיזציה של יישור סיבי קולגן כהכנה להדפסה תלת מימדית של הידרוג'לים

שם המנחה: אלון ריכטר
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

מערכת העצבים מתחלקת לשני חלקים, מערכת העצבים המרכזית הכוללת את המוח ועמוד השדרה ומערכת העצבים ההיקפית שכוללת את העצבים הפריפריילים שמביאים מידע מהגוף ושולטים בשרירים. שיקום עצבי אפשרי רק במערכת העצבים הפריפיריאלית וגם בה הוא מוגבל מאוד. במעבדה של פרופ' אורית שפי אנו מנסים לשפר ולייעל את תהליך השיקום העצבי הפריפיריאלי.

כחלק מניסיון זה פותחה במעבדה שיטה ליישור סיבי קולגן בעזרת שדות מגנטיים. הקולגן הוא החלבון השכיח ביותר בגוף והוא מורכב מסיבים. סיבי הקולגן המיושרים מאפשרים הכוון טופוגרפי לגדילה של אקסונים לאורך סיבי הקולגן וככה שיקום יעיל יותר.

מטרת הפרויקט:

נכון להיום שיטה זו מבוצעת במעבדה בצורה ידנית. בפרויקט זה ננסה להפוך את השיטה לאוטומטית מתוך מחשבה עתידית על הדפסת הקולגן וחומרים אחרים עם מבנה מיקרוסרופי מסודר.

תכולת הפרויקט:

הפרויקט יכלול תכנון ובניית מערכת הדפסה תלת מימדית של קולגן תוך בקרה בפרמטרים שונים. במערכת זו יש חשיבות רבה לשליטה בטמפרטורות בשלבי התהליך השונים.

במסגרת הפרויקט יינתן רקע תאורטי לגבי כיווני המחקר בעולם בנושא רגנרציה עצבית בעמוד השדרה ושיטות קיימות. הפרויקט יכלול תכנון ובניית מערכת ראשונית ובדיקת פעילותה.

קורסי קדם:

  • פיסיולוגיה כמותית
  • תוכנה

דרישות נוספות:

  • סטודנטים סקרנים ובעלי מוטיבציה אשר מעוניינים לבצע מחקר אשר משלב בתוכו פיתוח מערכת הנדסית תוך לקיחת שיקולים לממשק עם מערכות ביולוגיות.
  • נסיון באוטוקד – רצוי
  • נסיון בהדפסה תלת מימדית - רצוי

מקורות:

  1. Antman-Passig et al, (2017) Mechanically Oriented 3D Collagen Hydrogel for Directing Neurite Growth
  2. Antman-Passig and Shefi (2016) Remote Magnetic Orientation of 3D Collagen Hydrogels for Directed Neuronal Regeneration

614 A web-based tool for cancer meta-analysis

ממשק מבוסס רשת לניתוח נתונים גנומיים מגידולים סרטניים

שם המנחה: ירון טרינק
אחראי/ת אקדמי/ת: ד"ר תומר קליסקי

הרקע לפרויקט:

בשנים האחרונות אנחנו עדים להצטברות אדירה של מידע גנומי בתפוקה גבוהה. אולם, הניתוח והוויזואליזציה של נתונים אלו הנם קשים לביצוע מכיוון שמדובר בנתונים רב מימדיים. בפרוייקט זה נבנה ממשק נוח להצגת נתונים אלו על ידי הטלה למרחב דו\תלת מימדי. כמו כן הממשק יאפשר וויזואליזציה בחתכים ובדרכים שונות על פי בחירת המשתמש.

מטרת הפרויקט:

בניית יישום רשת (web application) מבוסס python או R להצגת נתונים רב מימדיים של ביטוי גנים ממאות ואלפי גידולים סרטניים הטלה למרחב דו\תלת מימדי בשיטות PCA ו tSNE בהתאם לבחירת המשתמש.

תכולת הפרויקט:

  • בניית יישום רשת (web application) מבוסס python או R להצגת נתונים רב מימדיים של ביטוי גנים ממאות\אלפי גידולים סרטניים.
  • הצגת המידע באמצעות הטלה למרחב דו מימדי בשיטות PCA ו tSNE בהתאם לבחירת המשתמש.
  • סימון תאים המבטאים גן מסויים על פי בחירת המשתמש.
  • ייצור היסטוגרמה של רמות ביטוי של גן מסויים על פי בחירת המשתמש.
  • מתן אפשרות למשתמש להגדיל ולהקטין ולסובב את התמונה.
  • מתן אפשרות למשתמש לסמן קבוצות של תאים לייצר גרף עמודות (bar plot) של ממוצעי רמות ביטוי היסטוגרמות של שלהם עבור גנים נבחרים על פי בחירת המשתמש.
  • ביצוע שאילתות על חתכים שונים של המידע (למשל, בחירת תת קבוצה של תאים והוצאת רשימת הגנים המאפיינים אותה ביחס לשאר) בהתאם לבחירת המשתמש.

קורסי קדם:

קורס בסיסי בתיכנות

דרישות נוספות:

  • ביולוגיה חישובית
  • ביג דאטה
  • גנומיקה

מקורות:

  1. Plotly R Open Source Graphing Library
  2. The Jupyter Notebook
  3. t-SNE
  4. Trink A, Kanter I, Pode-Shakked N, Urbach A, Dekel B, Kalisky T. Geometry of Gene Expression Space of Wilms’ Tumors From Human Patients. Neoplasia. Elsevier; 2018;20: 871–881. doi:10.1016/j.neo.2018.06.006

615 Developing a robotic arm for controlled drug delivery

פיתוח זרוע רובוטית למערכת להחדרת תרופות מבוקרת

שם המנחה: שרון כהן
אחראית אקדמית: פרופ' אורית שפי

הרקע לפרויקט:

החדרת תרופות לרקמה באופן מבוקר לדוגמא לטיפול בסרטן העור היא אתגר שמנסים להתמודד איתו בשיטות שונות. במעבדה פותח אקדח גנים שמאפשר החדרה ביוליסטית של תרופות לרקמה באופן מבוקר. בפיתוח המערכת נותרו מספר אתגרים הנדסיים הכוללים מינון אוטומטי של תרופות, סריקת האזור הנגוע וירי מותאם צורך.

מטרת הפרויקט:

בפרויקט הסטודנטים יפתחו מערכת להנעת אקדח הגנים בשלושה מימדים על גבי זרוע רובוטית באופן מבוקר ומערכת סריקה להערכת יעילות הטיפול והתאמת מינונים.

תכולת הפרויקט:

  • לימוד רקע תאורטי והבנת הצורך הרפואי/הנדסי.
  • תכנון רכיבי המערכת הדרושים לסריקת רקמות.
  • פיתוח תוכנה להנעת הזרוע הרובוטית ברזולוציה המתאימה לבעיה הביולוגית.
  • פיתוח תוכנה לעיבוד תמונה להערכת מצב הנגעים ותכנון הנעת הזרוע בהתאם לצורך.
  • בניית המערכת ובדיקת התכנות להפעלת המערכת עם מעגל פידבק.

קורסי קדם:

מבוא לפיסיולוגיה כמותית או מבוא לביולוגיה למהנדסים

דרישות נוספות:

קורס דימות רפואי - יתרון
ידע מוקדם ב- Arduino ו- LabView יתרון

מקורות:

מאמרים על ביוליסטיקה ברפואה ינתנו

פרויקטים נוספים מומלצים

304  Simulation of low density molecular detection using cooperating nanobots

סימולציה לגילוי חומר בריכוז נמוך על ידי ננו-רובוטים שיתופיים

שם המנחה: פרופ' רחלה פופובצר ודר' איציק ברגל

אחראי אקדמי: פרופ' רחלה פופובצר וד"ר יצחק ברגל

הרקע לפרויקט:

ננו-רובוטים נמצאים בפיתוח כבר מספר שנים, ובקרוב יגיעו גם לשימוש מעשי. הדורות הראשונים של ננו-רובוטים יהיה פשוטים מאוד, עם יכולות מאוד מוגבלות. בפרויקט זה נבחן שיתוף פעולה בין ננו-רובוטים שמאפשר לקבוצת רובוטים להשיג מטרה משותפת בצורה יעילה.


הפרויקט יתמקד בננו-רובוטים פשוטים המסוגלים רק לאחסן חומר ולשחרר אותו בתגובה לגילוי של מולקולה נבחרת. מחקר קודם הראה ששילוב של שני סוגים של ננו-רובוטים כאלו יכול לבצע גילוי של חומר אפילו בריכוזים מאוד נמוכים, על ידי יצירת משוב חיובי בין הרובוטים.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא לבצע סימולציה של מערכת עם ננו-רובוטים רבים, הפועלים ביחד לגילוי של חומר. הפרויקט יכלול סימולציה וניתוח תיאוריטי (ללא חלק ניסויי).

תכולת בפרויקט:

בפרויקט תיכתב סימולציה המדמה פעילות של ננו-רובוטים רבים בסביבה הומוגנית.

בעזרת הסימולציה ייבחנו שיטות שונות לגילוי, ותכומת הצלחת הגילוי בכל שיטה.

בחלק המחקרי של הפרויקט יבוצע ניתוח מתימטי של יכולת הגילוי ויפותחו שיטות לגילוי טוב יותר עם אותה כמות רובוטים.


לא נדרש ידע מוקדם בתקשורת.

דרישות:

  • נושאים מתקדמים בתקשורת (83829) במקביל

מקורות:

Bergel I., "Detection and Amplification of Molecular Signals Using Cooperating Nano-devices." IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), 2019.

305 Molecular density control using coopertive nanobots

סימולצית בקרה של ריכוז חומר על ידי ננו-רובוטים שיתופיים

שם המנחה: פרופ' רחלה פופובצר ודר' איציק ברגל

אחראי אקדמי: פרופ' רחלה פופובצר וד"ר יצחק ברגל

 

הרקע לפרויקט:

ננו-רובוטים נמצאים בפיתוח כבר מספר שנים, ובקרוב יגיעו גם לשימוש מעשי. הדורות הראשונים של ננו-רובוטים יהיה פשוטים מאוד, עם יכולות מאוד מוגבלות. בפרויקט זה נבחן שיתוף פעולה בין ננו-רובוטים שמאפשר לקבוצת רובוטים להשיג מטרה משותפת בצורה יעילה.

הפרויקט יתמקד בשימוש ברשת של ננו-רובוטים לבקרה על ריכוז של חומר בתמיסה. בקרה כזו חשובה באפליקציות רבות (לדוגמא על מנת לוודא שרמת הסוכר בדם לא תרד מתחת לרמה קריטית). הפרויקט יבחן שימוש בננו-רובוטים פשוטים המסוגלים רק לאחסן חומר ולשחרר אותו בתגובה לגילוי של מולקולה נבחרת. הפרויקט איך ניתן לשלוט על ריכוז החומר תוך מימוש של שערים לוגיים בודדים בכל רובוט.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא לבצע סימולציה של מערכת עם ננו-רובוטים רבים, הפועלים ביחד לבקרה על ריכוז של חומר. הפרויקט יכלול סימולציה וניתוח תיאוריטי (ללא חלק ניסויי).

תכולת בפרויקט:

בפרויקט תיכתב סימולציה המדמה פעילות של ננו-רובוטים רבים בסביבה הומוגנית.

בעזרת הסימולציה ייבחנו שיטות שונות לבקרה על כמות החומר ותיבחן היכולת לשלוט על הריכוז ולמנוע ירידה מתחת לריכוז קריטי. בחלק המחקרי של הפרויקט יפותחו שיטות בקרה חדשות ויבוצע ניתוח מתימטי של יכולת הבקרה.


לא נדרש ידע מוקדם בתקשורת.
 

דרישות:

  • נושאים מתקדמים בתקשורת (83829) במקביל

מקורות:

Bergel I., "Detection and Amplification of Molecular Signals Using Cooperating Nano-devices." IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), 2019.

408  Laser based remote sensing of hemodynamic processes in biological tissues

חישת תהליכי זרימה ביו-רפואיים בגוף בעזרת אור

שם המנחה: פרופ זאב זלבסקי

אחראי אקדמי: פרופ זאב זלבסקי

הרקע לפרויקט:

במסגרת המחקר הנעשה במעבדה של פרופ זלבסקי הוכחנו יכולת לחישת זרימה ברקמות ויישמנו אותה לחישה של פרמטרים ביו פואיים שונים כולל אלו הקשורים לפעילות מוחית

מטרת הפרויקט:

להשתמש בטכנולוגיית החישה בעזרת לייזר לצורך ניטור כמותי של זרימה בכלי דם גדולים בגוף, גם עורקים וגם וורידים

תכולת בפרויקט:

שימוש במערך הניסיוני שהוקם במעבדה והפעלתו לאיסוף נתונים רפואיים הקשורים לזרימת דם. ניתוח התוצאות והדגמה יכולת מדידה של פרמטרי זרימת דם במערכות ביולוגיות

דרישות:

  • מבוא לאופטיקה

411  Design and fabrication of waveguide for 1550nm on Silicon Substrate – phase II

תכנון ויצירת מנחה גל, לאור באורך גל של 1550nm, על מצע סיליקון בעזרת קרן לייזר – שלב II

שם המנחה: פרופ' משה סינואני, מר מאור תפארת

אחראי אקדמי: פרופ' זאב זלבסקי

הרקע לפרויקט:

תכנון וייצור של מנחה גל לאור באורך גל של 1550nm, המשמש לתקשורת. התקשורת כיום מתנהלת בסיבים אופטיים, דהיינו העברת המידע למרחקים נעשית ע"י אותות של אור. טכניקה זו יעילה לאין ערוך לעומת השימוש בכבלי מתכת להעברת אותות חשמליים כפי שנעשה בעבר.

לעומת זאת עיבוד האותות בשבבי הסיליקון נעשה עדיין ע"י אותות חשמליים. החזון הוא לפתח מעגלים מוכללים לפוטואלקטרוניקה. בעשור האחרון התפתח תחום חדש העוסק בפיתוח הממשקים של סיבים אופטיים לשבבי סיליקון שנקרא Silicon Photonics . תחום זה כולל גם פיתוחים של התקנים אלקטרואופטיים על מצע של סיליקון. פיתוח מנחה גל המוצע מהווה בסיס לפיתוח התקנים אופטיים על שבב הסיליקון.

מטרת הפרויקט:

תכנון וייצור של מנחה גל לאור באורך גל של 1550nm, המשמש לתקשורת.

תכולת בפרויקט:

לימוד התכונות האופטיות של סיליקון והתיאוריה של מנחה גל.

תכנון מנחה הגל.

תכונות הלייזר הנדרש ואינטראקציה שלו עם הסיליקון.

בחירת סיליקון בסימום הרצוי.

תכנון הצבת מערך האופטי הנדרש לקבלת כתם הלייזר בגודל הנדרש.

ייצור מנחה הגל ואיפיונו.

דרישות:

  • אופטיקה
  • אלקטרואופטיקה
  • לייזרים
  • מל"מ

מקורות:

במרשתת אינטרנט

109 Modeling and verification of complex systems using process calculus

מידול ואימות מערכות מורכבות בשיטות של אלגברה של תהליכים

שם המנחה: דר' הלל קוגלר

אחראי אקדמי: דר' הלל קוגלר

הרקע לפרויקט:

שיטות של אלגברה של תהליכים (Process Calculus) מאפשרות תיאור וניתוח של מערכות מקביליות מורכבות על בסיס מתמטי מדויק, המאפשר ניתוח ואימות של התנהגות המערכת בשיטות אלגוריתמיות.

בפרויקט נשתמש באלגברה של תהליכים[1] שפותחה לאחרונה Beacon Calculus המאפשרת לתהליכים מקביליים לתקשר באמצעות Beacons וכך לבנות מודלים קומפקטיים לתיאור מערכות מקביליות.

השיטה יכולה להיות אפקטיבית לתיאור מערכות תוכנה וכן למידול של מערכות ביולוגיות.

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט היא לבנות מודלים ביולוגיים [2,3] באמצעות Beacon Calculus ולהבין את ההתנהגות של המודלים באמצעות ויזואליזציה, סימולציה ואימות פורמלי.

תכולת הפרויקט:

במהלך הפרויקט הסטודנטים ילמדו את הרקע התאורטי ל Beacon Calculus וכן ירכשו ידע באימות פורמלי [4] (Formal Verification) ויישמו אותו באמצעות פיתוח אלגוריתמים שמאפשרים לתאר ולאפיין התנהגות דינמית של מודלים המתוארים ב Beacon Calculus .

משימות:

  • לימוד רקע תאורטי של Beacon Calculus ו Formal verification.

 

  • בניית מודלים ביולוגיים פשוטים ופיתוח ממשק גרפי המאפשר לראות בצורה אפקטיבית את התנהגותהמערכת.

 

  • שימוש בשיטות של אימות פורמלי והתאמתן לניתוח התנהגות המערכות.

קורסי קדם:

  • 83691 Formal Verification and Synthesis (במקביל לפרויקט)
  • 83670 Biological Computation (במקביל לפרויקט)

מקורות:

  1. Michael A. Boemo, Luca Cardelli, Conrad A. Nieduszynski The Beacon Calculus: A formal method for the flexible and concise modelling of biological systems, 2019.
  2. Yaki Setty, Diana Dalfó, Dorota Z. Korta, E. Jane Albert Hubbard, Hillel Kugler. A model of stem cell population dynamics: in silico analysis and in vivo validation. Development, 2012.
  3. Kathryn Atwell, Zhao Qin, David Gavaghan, Hillel Kugler, E. Jane Albert Hubbard, James M. Osborne. Mechano-logical model of C. elegans germ line suggests feedback on the cell cycle. Development, 2015.
  4. Manna, Zohar, and Amir Pnueli. "Temporal verification of reactive systems: safety." Springer (1995).

543 Using hardware development methodologies to model, analyze and, design biological circuits

שימוש במתודולוגיות פיתוח חומרה למידול , ניתוח ותכנון של מעגלים ביולוגיים

שם המנחה: יהודה רודין, נועה עדרי פריימן
אחראי/ת אקדמי/ת: פרופ' אלכס פיש

הרקע לפרויקט:

הפרויקט משלב בין תחומי הביוהנדסה והננואלקטרוניקה.

כיום קיימים מחקרים רבים העוסקים במימוש יחידת חישוב המבוססת על רכיבים ביולוגיים. יחד עם זאת נדרש לאפיין את עבודתם של מעגלים אלה בדומה למעגלים האלקטרוניים ולבחון את הממשק בינהם

מטרת הפרויקט:

מטרת הפרויקט להשתמש במתדולוגיות מתחום פיתוח החומרה על מנת למדל, לדמות ולנתח פרמטרי ביצוע שונים של מעגלים ביולוגיים.

תכולת הפרויקט:

  • סקר ספרות על אופן תכנון ומימוש של מעגלי חישוב ביולוגיים.
  • בנייה ואפיון של מעגל חישוב ביולוגי בעזרת כלי סימולציה.
  • מימוש המעגל, הדגמת הפונקציונליות ומדידת ביצועים.

קורסי קדם:

  • מעבדה מתקדמת למעגלים ספרתיים
  • מעבדה למעגלים משולבים

מקורות:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3262419/