RESEARCH

מחלות לב וכלי דם הן גורם המוות המוביל בעולם המפותח המהוות כמעט 30% מכלל מקרי המוות מדי שנה. בלב קיימים ארבעה מסתמים האחראים לזרימה חד-כיוונית של הדם בתוך חללי הלב ומהם לכל איברי הגוף. כל אחד מהמסתמים אחראי על הכוונת הדם בין מדורי הלב השונים בכיוון אחד, בעת כיווץ העליות והחדרים, כדי שיגיע אל העורקים הגדולים ומשם לריאות ולשאר הגוף. לעיתים המחלות במסתמים נגרמות בשל שינויים במבנה הרקמות שלהם ובמרכיביהם, שמובילים להפרעה במעבר הדם ללב ולשאר איברי הגוף. ד"ר גיל מרום, מבית הספר להנדסה מכנית של הפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב עושה שימוש במודלים חישוביים שפיתח כדי לחזות את הפיזיקה של מערכת הלב וכלי הדם (המערכת הקרדיווסקולרית) וכך לשפר את הטיפול בחולה לב.

יתרונות המודלים החישוביים במתן הטיפול הנכון לחולה

מורכבות מערכת הלב, המשלבת סיבוכיות פיזיקלית בסדרי גודל שונים, היא סיבה מרכזית לצורך בשימוש במודלים חישוביים הנקראים גם סימולציות. פעולת שאיבת הדם בלב נגרמת על ידי התכווצות שריר הלב, כיוון זרימת הדם נקבע על ידי מסתמי הלב, בעוד התכווצות השריר נשלטת על ידי מערכת ההולכה החשמלית של הלב. מורכבות זו יחד עם המגבלות של ניסויים קליניים וניסויי מעבדה מסבירות בבירור את יתרונות המודלים החישוביים. סימולציות ממוחשבות מאפשרות לערוך ניסויים וירטואליים ולבחון אפשרויות שונות לטיפול באותו חולה. היכולת להשוות מקרים זהים, בניגוד להשוואת מקרים ממספר חולים שונים, מאפשרת ללמוד את ההשפעה של פרמטר מסוים על התפקוד, תוך בידוד השפעה זו מגורמים אחרים, וכך למצוא מגמות המאפיינות את התופעה. נוסף להשלכות הרפואיות החשובות של מחקר זה, המחקר מרתק גם מבחינה הנדסית. בניגוד למקרים הנדסיים "רגילים" בהם מאפייני הבעיה ידועים, כמו גאומטרית הגוף ותכונות החומר ממנו הוא מורכב, במקרים הביולוגים יש שונות גדולה במחלות ובאוכלוסייה ולמעשה המודלים מתבססים פעמים רבות על תהליך הנדסה הפוכה והנחות הנדסיות שונות.

המכניקה של מחלות מסתמי לב והטיפול בהן

מסתמי הלב הם שסתומים הבנויים מעלים גמישים. כאשר פעילותם תקינה הם מאפשרים זרימה חד כיוונית ומונעים זרימה חוזרת. בניגוד לשסתומים מכניים בשימושים הנדסיים, העלים הגמישים צריכים לעבור עיוותים גדולים בכל מחזור לב, לעמוד בלחצים גבוהים ביחס לחוזקם המכני, ולעבוד במשך הרבה מאוד מחזורי לב (כמחזור לשנייה במשך כל שנות החיים). מחלות מסתמי הלב הנפוצות ביותר הן היצרות של המסתם האאורטלי (אבי העורקים) ודליפה של המסתם המיטרלי. טיפולים אפשריים הם תיקונים או החלפת המסתם בניתוחי לב פתוח ובשנים האחרונות נוספה גם אפשרות זעיר פולשנית של השתלת מסתם בצנתור. אך לכל סוגי הטיפולים הללו ישנם סיבוכים אפשריים שכמובן עדיף להימנע מהם.

המודלים החישוביים שאנחנו מפתחים מאפשרים להבין טוב יותר את הביומכניקה של הטיפול ולהעריך את הסיכויים לסיבוכים שונים. לדוגמה, תוצאות המודלים הקודמים שלנו עוזרות למנתחים לבחור את הקוטר הרצוי שאליו יש להקטין את קוטר המסתם החולה על מנת להביא אותו לתפקוד תקין. גם במסתמים המושתלים בצנתור לטיפול בהיצרות המסתם אבי העורקים אנחנו יכולים, על פי תוצאות הסימולציות, להמליץ על גודל המסתם המתאים, מיקום ההשתלה האופטימלי, ודרכי ההשתלה כדי להפחית את הסיכוי לדליפות, תזוזה של המסתם המושתל בגלל התכווצות הלב, ופגיעה בהולכת החשמל בלב בגלל לחצי מגע שהשתל מפעיל על הלב. אותן מסקנות יכולות לעזור גם בתכנון מסתמים תותבים חדשים עם תפקוד טוב יותר וסיכוי מופחת להתפתחות הסיבוכים לאחר ההשתלה.

במחקרים שנערכים עכשיו בקבוצה של ד"ר מרום, מנסים להבין את מנגנוני קרישת הדם על עלי המסתמים המושתלים. המודלים בהם אנו נעזרים בנושא זה, מבוססים על הידע שקרישת הדם נגרמת בגלל מאפיינים מכניים של זרימת הדם, כגון חשיפת טסיות הדם למאמצי גזירה, משך זמן החשיפה, או משך הזמן שהטסית נעצרת במקום בגלל מערבולות. כמו כן, מאפייני הזרימה קובעים גם את סוג קרישי הדם שעלולים להיווצר, תסחיפים או דווקא קרישה על עלי המסתם אשר גורמים להם להתעבות ולהפסיק לתפקד. שיטות דומות עוזרות לנו להבין טוב יותר את אי-ספיקת, או דליפת, המסתם המיטרלי עם מטרה שידע זה יעזור לתת מענה למרבית החולים שכיום אינם מקבלים טיפול בגלל סיכון ניתוחי גבוה. "אחת הסיבות העיקריות שעדיין לא הצליחו לפתח פתרון התערבותי לחולים אלו היא שלמסתם זה יש אנטומיה ופעולה מכנית מסובכים הרבה יותר מאשר במסתם אבי העורקים. הבנה טובה יותר של תפקודו תעזור לשפר טיפולים קיימים ולפתח שתלים חדשים שיצליחו לעמוד בעומסים המכניים הפועלים במסתם זה ולשפר את איכות חיי החולים" מסביר ד"ר מרום.

דוגמא למודלים של פעילות הלב במצב מכווץ ורפוי (צד ימין) ושל זרימת הדם דרך מסתם תותב (צד שמאל)

לאתר קבוצת המחקר

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

החוקרת ד"ר בת אל פנחסיק מפתחת מערכות ביומימטיות, המחקות פתרונות של חיות מדבריות לבעיית המים. במעבדה שלה Biomimetic Mechanical Systems and Interfaces מתמקדמים בביומימטיקה. כלומר, לומדים מאופן פעילותן של חיות בטבע, למשל חרקים וזוחלים, על מנת למצוא פתרון לבעיות אנושיות. את הפתרונות הטבעיים מתרגמים לשימוש בחומרים חכמים שהופקו במעבדה, ומנגנונים פיסיקליים והנדסיים, למשל רובוטים, שמחקים את פעולות החרקים והזוחלים.

החוקר ד"ר הרמן האושטיין המתמקד במעבדה שלו MyFET Lab בתחומים של מעבר חום והזרימה בסקאלות מיקרו, מנגנוני קירור שקוטרם הוא בסדר גודל של עובי שערה בודדת. כיום אחד הגורמים המגבילים את תעשיית האלקטרוניקה היא צפיפות הרכיבים שדורשים הספקת חשמל. מצד אחד המהנדסים במעבדה רוצים להצליח להכניס כמה שיותר רכיבים בשטח קטן מאוד, מה שגורם לרכיב להתחמם מאוד, ומצד שני – למצוא דרכים להוציא מהם את החום באופן הכי יעיל. על מנת לקרר את הרכיבים יש צורך באספקת זורם קר, שיסלק את החום מתוך מערכים בסדר הגודל של מיקרונים (עובי שערה הוא 100-50 מיקרון). המחקר של ד"ר האושטיין וצוותו תורם לתכנון מערכות אלקטרוניות מורכבות כגון מחשבים, מערכות נשק ומכשור רפואי.

הכנסו לקישור לכתבה המלאה: https://www.tau.ac.il/article/using-every-drop

החודש התפרסם מאמר פורץ דרך של פרופ' טל אלנבוגן, מהמחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל וראש המעבדה לננו אלקטרואופטיקה, יחד עם חוקרים נוספים מאוניברסיטת תל אביב ואוניברסיטת בראון בארה"ב, בתחום של יצירה ושליטה בקרינת טרה-הרץ בעזרת מטא-חומרים בעיתון היוקרתי  Nature Communications.

גלי טרה-הרץ

גל אלקטרומגנטי הוא למעשה "הפרעה" של שדה חשמלי ומגנטי בעלת מחזוריות ומבנה גלי המתפשטת במרחב במהירות האור. גלים אלקטרומגנטיים, כמו גלי רדיו, מגיעים בתחום רחב של תדירויות המכונה הספקטרום האלקטרומגנטי (כלומר אוסף כל הגלים האלקטרומגנטיים). ספקטרום זה משתרע מגלי הרדיו בעלי תדירויות נמוכות ועד לגלי גאמה (קרינה בתדירות גבוהה מזו של X-ray). האור הנראה, התדירויות אותן בני האדם יכולים לראות, הוא רק חלק קטן מכל התחום של גלים אלקטרומגנטיים. 

כיום קיימים אמצעים מדעיים וטכנולוגיים כגון אנטנות, מנורות, לייזרים וגלאים המאפשרים להפיק ולקלוט גלים על פני כמעט כל תחומי הספקטרום האלקטרומגנטי. אמצעים אלו מאפשרים אינספור של ישומים כמעט בכל תחומי המדע והטכנולוגיה הקיימים מתקשורת, דימות, זיהוי עצמים עד לאבחון רפואי. לעומת זאת תחום גלי הטרה-הרץ, המתנדנדים בתדירויות הנמצאות בין גלי מיקרו לאור האינפרא אדום, נותר באפלה. הסיבה היא מכיוון שתדירויות אלו מהירות מידי ליצירה וקליטה בעזרת מעגלים חשמליים ובעלות אנרגיות נמוכות מידי ליצירה וקליטה באמצעים המשמשים ליצירה וקליטה של אור. אמנם קיימים מספר אמצעים ליצירה ולקליטה של קרינת טרה-הרץ, אך אלו מוגבלים ביכולת השליטה בתדירויות ובעוצמות שלהם, או מצריכים תנאי הפעלה קיצוניים כגון טמפרטורות נמוכות מאוד. בנוסף, קיימים רק כלים מעטים לעיצוב קרני טרה-הרץ כמו עדשות או מקטבים. למרות הקושי בעבודה עם קרינת טרה-הרץ, מאמצים רבים מושקעים בפיתוח רכיבים יעילים לתחום תדירויות זה עקב מגוון של שימושים חשובים של קרינת טרה-הרץ. מערכות המשתמשות בקרינת טרה-הרץ יפתחו את הדלת לזיהוי ואף שליטה במולקולות, זיהוי של תרופות אמת או תרופות מזויפות, דימות רפואי בקרינה שאינה מייננת, גילוי חומרי נפץ, חומרי ריסוס, יצירת תקשורת נתונים מהירה ועוד מגוון רחב של יישומים חשובים.

יצירה עיצוב ושליטה בקרני טרה-הרץ על ידי מטא-משטחים אופטיים

מחקר חדש שבוצע על ידי הסטודנטים שי קרן צור ומאי טל מהקבוצה של פרופ' טל אלנבוגן מבית הספר להנדסת חשמל, בשיתוף פעולה עם ד"ר שר-לי פליישר מבית ספר לכימיה באוניברסיטת תל אביב ופרופ' דניאל מיטלמן מאוניברסיטת בראון שבארה"ב, מראה כיצד ניתן להשתמש במשטחים דקים (בעובי עשרות ננומטרים) המכונים מטא-משטחים אופטיים, ליצירה יעילה של קרינה בתחום הטרה-הרץ ולעיצוב ושליטה בקרינה.

המשטחים בנויים מאלמנטים בסקאלה ננומטרית, שיוצרו במרכז הננו של אוניברסיטת תל אביב. כל אלמנט כזה משמש כננואנטנה הקולטת אור מלייזר בתחום האיפרא-אדום בעל פולסים קצרים באורך של פמטו-שניות ומייצרת ביעילות יחסית פולסים של קרינת טרה-הרץ. על ידי שליטה באנטנות על גבי המטא-משטח החוקרים מראים שניתן לעצב את צורתו המרחבית והזמנית של פולס הטרה-הרץ שנוצר בצורה שלא ניתנת להשגה באמצעים הקיימים עד כה. היכולת הזו פותחת פתח למגוון רחב של יישומים חדשים לקרינת טרה-הרץ.

החוקרים מאמינים שבעתיד יהיה ניתן לשלב מקורות חדשים כאלו במערכות גילוי ואפיון חומרים, רכיבים, תרופות ובמערכות דימות טרה-הרץ רפואיים.

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

במעבדה של ד"ר פנחסיק Biomimetic Mechanical Systems and Interfaces מתמקדמים בביומימטיקה. כלומר, לומדים מאופן פעילותן של חיות בטבע, למשל חרקים וזוחלים, על מנת למצוא פתרון לבעיות אנושיות. את הפתרונות הטבעיים מתרגמים לשימוש בחומרים חכמים שהופקו במעבדה, ומנגנונים פיסיקליים והנדסיים, למשל רובוטים, שמחקים את פעולות החרקים והזוחלים

לקבל השראה מהטבע לפתרון בעיות אנושיות

חיות בטבע מתמודדות עם בעיות קיומיות רבות הנובעות מאתגרים סביבתיים כגון: כיצד לשרוד בתנאים מדבריים? איך ניתן ללכת מתחת למים באיזורים רטובים? כיצד להעביר נוזלים ממקום למקום בצורה יעילה? כיצד להישאר נקיים בסביבה בוצית? בטבע ניתן למצוא פתרונות חכמים לבעיות אלו. פתרונות אלו התפתחו לאורך האבולוציה והתייעלו כך שכבר בגדלים קטנים מאוד, ננומטריים, ניתן לראות שימוש נפלא בצורה ובחומר, אשר משפיעים על התכונות המאקרוסקופיות.

דוגמא מרתקת היא של חיפושית שחיה במדבר נמיב (מדבר באפריקה הדרומית) אשר משתמשת בטל הבוקר על מנת להרוות את צימאונה. הגב שלה מכוסה במבנה מיוחד של בליטות מיקרומטריות שמושכות אליהן מים ומרכזות אותם בטיפות מסודרות. הטיפות הללו גדלות, מתחברות אחת לשניה ובשלב מסויים מתגלגלות אל פה החיפושית. למעשה, החיפושית אינה עושה שום פעולה אקטיבית- איסוף המים מתרחש בגלל תכונות פני השטח שעל גבה, עם קצת עזרה של הרוח. לטאות מסוימות אף משתמשות במנגנונים מתוחכמים על מנת לשנע מים מגבן אל הפה. הן מכוסות בקשקשים היוצרים רשת דו-מימדית על גבן. הרשת היא למעשה דיודה לנוזלים - מאפשרת הולכת המים בכיוון אחד - היישר אל תוך הפה.

לחקות את הטבע 

"במעבדה החדשה שלנו, אנו מבקשים להבין את המנגנונים מאחורי הפתרונות החכמים מהטבע: מה הם החומרים המשמשים את החרקים והלטאות? מה מיוחד בפני השטח שלהן, שמאפשר פתרונות יעילים לאתגרים סביבתיים? אנחנו שואפים ללמוד מחיות אלו על מנת לפתח חומרים חדשים ומערכות שמחקות את הפעולות הללו בהצלחה. באופן אידיאלי - אנו שואפים לא רק לחקות אלא גם להתעלות ולהרחיב מעבר למה שהטבע מציג לנו. מאחר והטבע מורכב, הדרך להבין אותו חייבת להיות רב-תחומית. מסיבה זו הצוות שלנו הוא רב תחומי ומורכב ממהנדסים מכניים, פיסיקאים, כימאים ומהנדסי חומרים" מסבירה ד"ר פנחסיק.

בתמונה: תקריב של רגל חיפושית רגע לפני המגע עם טיפת מים.

עד היום, תחום אחריות האנוש באינטראקציה עם אוטומציה נידון מהצדדים הפילוסופיים, האתיים והמשפטיים בלבד בזמן שניר דואר, דוקטורנט במחלקה להנדסת תעשייה, תחת הנחייתו של פרופ' יואכים מאייר, בוחן אותו לראשונה מתוך זווית ראייה של הנדסה קוגניטיבית. ניר ופרופ' מאייר מפתחים מודלים ומדדים מתמטיים-סטטיסטים המאפשרים לכמת בצורה אובייקטיבית את "אחריות" האדם המפעיל או מפקח על מערכות  אוטומטיות מתקדמות. בנוסף לפיתוח תאורטי, הם  מבצעים ניסויי מעבדה נרחבים, בהשתתפות עשרות סטודנטים מהמחלקה להנדסת תעשייה, בהם הם בוחנים עד כמה התאוריה שהם פיתחו יכולה לחזות  התנהגויות אנושיות בפועל.

המודל התיאורטי לכימות אחריות (ResQu) של אינטראקציה אנושית במערכות אוטומטיות שניר פיתח מתבסס על  תורת האינפורמציה. הניתוח מגלה שבפועל במקרים רבים האחריות התורמת של האדם הינה נמוכה, גם כאשר לכאורה מוקצים לאדם תפקידים מרכזיים. לפיכך, המדיניות המקובלת כיום של שמירה על "אדם בחוג", ושימוש בבקרה אנושית משמעותית, הינה מטעה ולמעשה לא יכולה להכווין את קביעת המדיניות על האופן בו נכון לערב בני אדם בתפעול ובקרה של אוטומציה מתקדמת.

"מודל האחריות שלנו יכול לשמש בעת קבלת החלטות לגבי עיצוב המערכת ולסייע לקביעת מדיניות ולהחלטות משפטיות בנוגע לאחריות אנושית באינטראקציה עם מערכות אוטומטיות מתקדמות" מסביר ניר. "הדרישה להשאיר לאדם תפקיד בתפעול או בקרה של מערכת אוטומטית לא מבטיחה שבפועל תהיה לו יכולת תרומה משמעותית. המחקר שלנו מראה שלאדם יש אחריות תורמת רק במקרה שיש לו יכולת מסוימת המשלימה או עולה על זו של המערכת האוטונומית, באמצעות איזשהו יתרון אנושי מובהק או מקור מידע ייחודי אחר שלמערכת הממוחשבת אין".

הניסויים שלנו הראו שכאשר אנשים  נעזרים באוטומציה מתקדמת שיש לה יכולת העולה בהרבה על  שלהם, הם נוטים להתערב יותר מהנדרש, מבצעים שגיאות, ולמעשה פוגעים ברמת הביצועים המיטבית שיכלה לספק המערכת האוטומטית לולא מעורבותם.

נשאיר אתכם עם שאלה למחשבה: מה תהיה אחריות האדם כשהיתרון האנושי יישחק. עם התפתחות טכנולוגיות AI, המעורבות האנושית המשמעותית במערכות אוטונומיות תלך ותפחת, כמו גם היכולת האנושית לפקח עליהן, ואז, מה יהיה הטעם להכניס לתמונה אדם אם תפקידו העיקרי יהיה רק לחטוף את האשמה במקרה של תקלה?

עוד על המחקר של ניר דואר

לכתבה בעיתון הארץ

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון