פרופ' נתן שקד מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית, פיתח יחד עם המסטרנט יואב נייגט ושאר צוות החוקרים שלו רשת נוירונים ממוחשבת ללימוד עמוק אשר יודעת לבצע צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים, בלי צורך בצביעה כימית אמיתית שלהם.
תחומים:
בחר הכל
משפטים
מאסטר-טראק
כללי
הנדסה
חיי הקמפוס
ASV
מערכות קוונטיות
תחבורה חכמה
רכב אוטונומי
קול קורא
מכונת הנשמה
COVID-19
מטא-חומרים...
הנדסת תעשייה
הנדסת חשמל
הנדסה מכנית
אולטרה-סגול
אולטרה-סגול
RoboBoat
MRI
קטגוריות:
בחר הכל
פרס
אירוע
ברכות
כנס
מחקר
מחקר בפקולטה
מינוי
פוקוס
חדשות
NEWS
מה מעניין אותך?
מחקר
19.04.2020
צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים בעזרת רשת נוירונים עתידה לייעל בדיקות מעבדה
- מחקר
- הנדסה ביו-רפואית
החודש התפרסם מאמרו של פרופ' שקד במגזין היוקרתי PNAS, הנחשב לאחד העיתונים המדעיים הטובים והוותיקים בעולם. במאמר הצליחו פרופ' שקד וקבוצתו להציג גישה חדשה של למידה עמוקה הנקראת HoloStain, אשר ממירה תמונות של תאים ביולוגיים מבודדים, שנרכשו ללא צביעה כימית על ידי מיקרוסקופיה הולוגרפית, לתמונותיהם הצבועות דיגיטלית, עם יכולת לראות אברונים (חלקים מהתא בעלי תפקידים ספציפיים) בתוך התאים, כאילו שמדובר בתאים צבועים באמת.
תאים ביולוגיים בצלוחית המצולמים במיקרוסקופ אור הם ברובם שקופים ולא ניתן לראות את התוכן שלהם. צביעת תאים היא טכניקה המקלה ומשפרת את הצפייה בתאים אלו ונמצאת בשימוש רחב בביולוגיה וברפואה, למשל כדי לאבחן מחלות או לבצע בדיקות מעבדה סטנדרטיות. פעולתה העיקרית היא שיפור ניגודיות הצבעים המאפשרת לראות את המבנה הפנימי של התאים למרות שקיפותם. הצביעה נעשית באמצעות קשירה כימית בין מולקולת הצבען (חומר הצביעה) לבין המולקולה הספציפית לה בתא, וכך אפשר לראות את האברונים הפנימיים בתוך התא ולאבחן את מבנהו.
הולוגרפיה קלינית
פרופ' שקד וקבוצתו פיתחו דרך לדימות טופוגרפי כמותי של תאים ללא צביעה המבוססת על הולוגרפיה קלינית, אשר מקליטה עד כמה האור התעכב במעבר דרך התאים, מה שמניב מפות גובה כמותיות של התאים. את זה ניתן לעשות מהר מאוד, אפילו תוך כדי זרימה של התאים. המערכות הללו היו עד לא מזמן מסובכות ויקרות מידי לשימוש קליני, אך הדבר נפתר בעזרת המצאותיה האחרונות של הקבוצה - מודולים הולוגרפים קטנים שמתממשקים ליציאה של מיקרוסקופי אור קליניים רגילים ויכולים להניב הולוגרפיה איכותית בתנאים קליניים.
מבעיה לפתרון
למרות שהתמונות של ההולוגרפיה הן כמותיות ולא דורשות צביעה כימית, קלינאים מתקשים להשתמש בהן, כי הן לא נראות כמו תמונות של תאים צבועים, ששם רואים בבירור את האברונים הפנימיים של התא. לצורך פתרון בעיה זו, קבוצת המחקר בנתה רשת נוירונים ממוחשבת ללימוד עמוק אשר יודעת, לאחר אימון מתאים, לקחת את תמונות ההולוגרפיה ולהציג אותן כאילו הן צבועות, בזמן אמת (במהירות רבה).
שיטות לבניית רשתות לימוד עמוק התפתחו רק לאחרונה עקב הצורך בכוח חישוב רב בזמן האימון שלהן.
היתרונות לצביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים
צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים חשובה לבדיקות מעבדה שגרתיות רבות שבהן צובעים תאים כדי לאפיין ולמיין אותם (למשל בדיקת דם). כעת, כבר לא חייבים לצבוע את התאים בצורה כימית לצורך אבחנה מבנית שלהם, וזה עתיד לחסוך כסף וזמן. בנוסף, יש משימות רפואיות שבהן צביעה כימית לא אפשרית בגלל שהיא הורסת את התא (למשל בחירת זרעונים להפריה חוץ גופית), או בגלל שהצבענים המתאימים לא קיימים לסוג התאים הנבחן. מעבר לכך, התמונות שמייצרת הרשת הלומדת נקיות יותר, וגם ניתן לקחת תאים שנרכשו שלא בפוקוס ולהכניס אותם לפוקוס בצורה אוטומטית במחשב, מכיוון שהרכישה היא הולוגרפית (כלומר של כל חזית הגל של האור). זה מגדיל את האפשרות לעבד יותר תאים בזמן נתון (כי אם עוברים שני תאים - אחד בפוקוס והשני לא בפוקוס במכשיר שמזרים תאים - ניתן לרכוש את שניהם מבלי לאבד זמן).
שורה ראשונה - מפות טופוגרפיות כמותיות של תאי זרע שהושגו על ידי הולוגרפיה ללא צביעה.
שורה שניה - תמונות של תאי זרע צבועים וירטואלית (ללא צביעה אמיתית) - זוהי תוצאת רשת הנוירונים לאחר עיבוד המפות הטופוגרפיות שמוצגות בשורה הראשונה.
שורה שלישית - אותם תאים שצבועים באמת, על ידי צביעה כימית, להשוואה.
שלוש העמודות השמאליות מציגות תאים בעלי מורפולוגיה תקינה. שלוש העמודות הימניות מציגות תאים בעלי מורפולוגיה שאינה תקינה. כעת, אפשר לבצע צביעה וירטואלית של תאי הזרע במהלך הפריה חוץ גופית ולאבחן את התאים כאילו הם נצבעו כימית אמיתית.
* מחקר זה זכה לאחרונה בגרנט של האיחוד האירופי Horizon2020 ERC Proof of Concept
מחקר
31.03.2020
אומנות הציות בזמני חירום
ד"ר רעות נוחם הראתה במחקרה לאחרונה כי במצבי חירום כגון אסון טבע, מגיפה או מלחמה, שיתוף פעולה מצד האוכלוסיה הוא המפתח ליישום מוצלח של כל תכנית פעולה
- מחקר
- הנדסת תעשייה
מאז החל משבר הקורונה, מפרסמות הרשויות הנחיות והגבלות לאזרחים, אשר מטרתן לסייע בהאטת קצב התפשטות הנגיף. עם זאת, לא תמיד ממלאים האזרחים אחר ההנחיות ופועלים על סמך הבנתם ושיקול דעתם. כעס רב מופנה כלפי אותם אזרחים או קבוצות שלא משתפות פעולה עם ההנחיות, ובמקביל רשויות החוק נערכות לאכוף את ההנחיות ביד נוקשה.
מי בעצם אשם באי ציות האזרחים?
ברור לכולם שבהיעדר שיתוף פעולה רחב של הציבור, לא ניתן יהיה להשיג את התוצאה הרצויה מאותם צעדים קשים וקיצוניים. אך האם נכון להטיל את מלוא האחריות על כשלון זה או אחר של יישום מדיניות הסגר והריחוק החברתי על הציבור? בכדי לענות על השאלה צריך להבין ולקחת בחשבון את ההתנהגות האנושית בעתות חירום. שלא כמו בזמן שגרה, מצבים של לחץ, חרדה וחוסר וודאות יגרמו לאנשים לפעול דוקא בניגוד להנחיות, אם מבחירה, במידה וירגישו שזה הדבר הנכון ביותר עבורם או אם מחוסר ברירה. בכל חברה יהיו אנשים שמשתפים פעולה עם המדיניות ונשמעים להנחיות, אך גם כאלה שלא.
הפער בין התכנון והתחזיות לבין מה שקורה בפועל אכן נובע מחוסר שיתוף פעולה מלא של האוכלוסיה, אך התעלמות מאותם היבטים התנהגותיים וחברתיים בשלב קבלת ההחלטות והטלת האחריות במלואה על הציבור אינה הפתרון. במצבי חירום תפקידם של מקבלי ההחלטות הוא לא רק להיות צודקים אלא לנהוג בחכמה.
אז מה צריך לעשות? איך אפשר לשפר את תהליך קבלת ההחלטות?
ד"ר רעות נוחם, פוסט-דוקטורנטית באוניברסיטת Northwestern (במסגרת המלגה המשותפת לאוניברסיטת תל אביב ו- Northwestern), עשתה את הדוקטורט שלה במחלקה להנדסת תעשייה תחת הנחייתה של פרופ' מיכל צור, ראשת המחלקה להנדסת תעשייה. הדוקטורט שלה עסק בלוגיסטיקה וקבלת החלטות בשעת חירום והוא רלוונטי יותר מתמיד כעת במשבר הקורונה. "הראנו כי במצבי חירום כגון אסון טבע, מגיפה או מלחמה, כאשר שיתוף פעולה מצד האוכלוסיה הוא המפתח ליישום מוצלח של כל תכנית פעולה, שילוב ההיבטים ההתנהגותיים במודלי קבלת ההחלטות הוא קריטי והתעלמות מההיבט האנושי עלולה להוביל לפתרון גרוע בהרבה מהפתרון שיתקבל תחת הערכת מצב מציאותית וכנה. במילים אחרות, במקום לקוות שכל האוכלוסיה תישמע להנחיות, יש לשלב במודלים תרחישים בהם חלק מהאוכלוסיה לא משתפת פעולה ולעדכן את ההערכות של המודלים ואת ההחלטות שמשתמעות מכך בהתאם. עוד הראנו, כי ע"י זיהוי ממוקד של אוכלוסיות מפתח בהן ניתן למצוא קבוצות גדולות של "מפרי הנחיות" וע"י הקצאת תמריצים (כן, תמריצים ולאו דוקא אכיפה) לאותן אוכלוסיות ניתן לגשר על חלק גדול מהפער שקיים בין המצוי לרצוי" מסבירה ד"ר נוחם.
הערכות לאסון
המחקר התמקד בהערכות לאסון טבע כגון רעידת אדמה, ובהחלטות כגון מיקום מרכזי סיוע לאוכלוסיה והקצאת "ערכות הישרדות" לנפגעי האסון. המודלים המוצעים נבחנו באמצעות תרחישים שהתקבלו מועדת ההיגוי הארצי להערכות לרעידות אדמה והמכון הגיאופיזי לישראל. עם זאת, העקרונות המוצגים במחקר רלוונטים ביותר גם לתרחיש של מגיפה כמו מגיפת הקורונה. בעת קבלת החלטות אודות הגבלות תנועה, צמצום שוק העבודה וריחוק חברתי, יש לקחת בחשבון את מידת שיתוף הפעולה של האוכלוסיה עם הרשויות. חשוב לזהות אוכלוסיות "בעייתיות" אשר יתקשו לציית להנחיות כלשהן כבר בעת שגרה וכחלק מתכניות ההערכות לחירום, ולגבש אסטרטגיות פעולה מבעוד מועד. למשל בעדה החרדית כדאי היה לפנות לרבנים המנהיגים עוד בטרם התפרסמו ההנחיות, וביחד איתם למקד את מאמצי ההסברה והפרסום באופן שיהיה אפקטיבי עבור פלח אוכלוסיה זה. דוגמה נוספת היא סיוע בהכשרה והטמעה של פתרונות טכנולוגיים ללימוד תורה וקיום תפילות, ומתן פתרונות לאנשים שצריכים להיות בבידוד ולא יכולים לקיים את ההנחיה לאור תנאי המגורים הנוכחיים שלהם. עבור האוכלוסיה המבוגרת, הקמת מערך מסודר של נציגים שידאגו לספק את כל צרכיהם בזמן הסגר ועבור צעירים הנמצאים בסיכון נמוך ומתקשים לעצור את שגרת חייהם, אפשר להציע סיבסוד שירותים בהם יוכלו להשתמש בזמן או בתום המשבר כל עוד יוכיחו כי נשמעו להנחיות. כל הפתרונות הללו דורשים השקעה כספית וחשיבה מחוץ לקופסה אך סביר להניח כי התועלת מהשקעה זו תשתלם.
"ובנימה אישית – תישמעו להנחיות. ככל שאוכלוסית הצייתנים תהיה גדולה (כפי שראינו במדינות כמו קוריאה הדרומית וסינגפור), כך פחות משאבים יושקעו באותם אלו שלא נשמעים להנחיות והחברה כולה תרוויח מכך. זו אומנות הציות" מסכמת ד"ר רעות נוחם.
מחקר
22.03.2020
אבחון נגיף הקורונה באמצעות בדיקת CT
פרופ' חיית גרינשפן מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל אביב שותפה לפיתוח מערכת בינה מלאכותית המאבחנת קורונה
COVID - 19 באמצעות בדיקת CT
- מחקר
- הנדסה ביו-רפואית
במעבדה לעיבוד תמונות רפואיות הממוקמת בפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב, תחת ניהולה של פרופ' חיית גרינשפן מפתחים פתרונות הנדסיים לסיוע בפענוח תמונות רפואיות אשר יעזרו לרופאים להשיג קריאת מקרים מהירה יותר ומדויקת יותר. מהמעבדה יצאו פיתוחים פורצי הדרך בנושא של אבחונים אוטומטים בתמונות MRI ואנליזת גידולים בכבד בבדיקות CT.
בעקבות משבר נגיף הקורונה, עובדת פרופ' גרינשפן על איבחון תוצאות רדיולוגיה של חולי הנגיף. המחקר נעשה בשיתוף עם מספר מרכזים בינלאומיים ובהתבסס על פלטפורמת AI של חברת RADLogics המסייעת לרדיולוגים בפיענוח תמונות של דימות רפואי כמו CT וצילומי רנטגן. פרופ' גרינשפן ושותפיה פיתחו שיטה לאיבחון השפעות נגיף הקורונה על פי בדיקת CT של הריאות במטרה להבדיל בין חולי וירוס קורונה לבין שאינם חולים. בנוסף פיתחה הקבוצה שיטת אפיון כמותי של חומרת המחלה אשר יכולה לשמש כמדד לניטור יעיל, מדויק ומהיר של מצב החולה. כלים אלה יכולים לסייע בזיהוי מגמות של החמרה ושיפור כבר בראשיתן.
בעזרת אמצעים אלה יוכלו רופאים לאתר במהירות חולים שמצבם מחמיר לעומת חולים בדרך להחלמה. איבחון מוקדם שכזה יאפשר לפנות מיטות חיוניות בבתי החולים בכלל ובטיפול נמרץ בפרט. חשוב לציין כי רבים מתלמידי ובוגרי המחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה עובדים בחברה RADLogics ושותפים לפיתוח פורץ דרך זה.
בתמונות סריקות CT של ריאות בהקשר לתחלואה בנגיף ה Covid-19: מצד שמאל: ריאות של חולה בנגיף הקורונה / אמצע: ריאות של חולה בהחלמה / ימין: אדם בריא
*מקור התמונה: https://arxiv.org/abs/2003.05037
עד כה כלל המחקר מערך בדיקות על 157 חולים מסין וארה"ב והמסקנה הראשונית היא שניתוח AI של התמונה יכול להשיג דיוק גבוה בזיהוי פגיעה של נגיף ה Covid-19 כמו גם לאפשר כימות ומעקב אחר נטל המחלה.
כיום הקבוצה ממשיכה בפיתוח כלי שיאפשר לרשויות לבצע סקרי קורונה באוכלוסיות רחבות באמצעות CT ברמת קרינה נמוכה, בדומה לבדיקות הסקר הנערכות היום לאיתור חולי סרטן. סקר כזה יכול להאיץ את הבדיקות ולהגדיל משמעותית את מספרן, על מנת לאתר חולים במהירות, לבודד אותם ולהעניק להם מיד את הטיפול הנדרש ובמקביל לאפשר לשאר האוכלוסייה להמשיך בשגרת חייה.
מחקר
12.03.2020
״זרימה לאחור״ של אור הנע קדימה
ד"ר אלון באב"ד, יחד עם תלמידי המחקר שלו הצליחו להדגים לראשונה את התופעה "זרימה לאחור" המבוססת על רעיון שעלה לפני כחמישים שנה במסגרת המכניקה הקוונטית אך לא הודגם מעולם בשום ניסוי
- מחקר
- הנדסת חשמל
דמיינו כדור הנזרק קדימה בחלל חופשי. בכל רגע ורגע לאחר הזריקה, אם נמדוד את כיוון התנועה של הכדור הוא ימשיך לנוע קדימה. התוצאה הברורה הזו, כלל וכלל איננה מחויבת המציאות כאשר מדובר בתנועה של חלקיקים מיקרוסקופיים אשר תנועתם מצייתת לחוקים המוזרים של המכניקה הקוונטית. לפי תורה זו חלקיק יכול להתנהג גם כגל.
מאחר שגלים שונים יכולים להתחבר ביחד בתהליך הנקרא התאבכות, גם חלקיק הנע קדימה יכול להיות מורכב מאוסף של גלים אשר נעים כולם קדימה. ההשלכות של התאבכות זו יכולות להיות מוזרות ולא אינטואיטיביות. עם בחירה נכונה של משרעות הגלים (עד כמה חזק הם מתנדנדים) והשהיה יחסית ביניהם ניתן ליצור חלקיק אשר למרות שהוא מורכב מגלים שכולם נעים קדימה, אם התנועה שלו תמדד במקומות מסוימים במרחב ובזמנים מסוימים – יתגלה שהחלקיק נע אחורה. בשאר המקומות והזמנים – אם תנועת החלקיק תימדד הוא ימצא כנע קדימה. למעשה הסיכוי למצוא את החלקיק נע קדימה הוא עדיין גדול בהרבה מהסיכוי למצוא אותו נע אחורה. כמו כן ההתאבכות המייצרת את אותה ״זרימה לאחור״ היא מאוד עדינה – שינוי קטן במשרעת של הגלים או בהשהיה היחסית שלהם תהרוס בקלות את תופעת ״הזרימה לאחור״. מאחר שהתופעה הזו כה רגישה, עד היום לא הצליחו להבחין בה בשום מעבדה בעולם.
במעבדתו של ד״ר אלון באב״ד מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב הצליחו כעת להדגים את התופעה עם אור. הרעיון הבסיסי במרכז המחקר הוא שגם אור הוא תופעה גלית, וכמו החלקיק קוונטי, יכול להיות מורכב מאוסף של גלים הנעים לכיוון מסוים.
בניסוי במעבדה של ד"ר באב"ד The Physical Optics group השתמשו החוקרים ותלמידי המחקר יניב אליעזר, שנמצא כיום בפוסט דוקטורט באוניברסיטת ייל, ותומאס זכריאס, באלומת לייזר אשר פוצלה והורכבה מחדש כאוסף של גלים הנעים כולם בזוית חיובית יחסית לציר שנקבע מראש. אסופת הגלים הזו חושבה מראש כך שתוכל לייצר את תופעת ה״זרימה לאחור״. כעת בהזזת חריץ קטן לרוחב אלומת האור נעשית המדידה המקומית של כיוון זרימת האור. ברוב המיקומים בהם הושם החריץ, האור אשר יצא ממנו המשיך לנוע בכיוון המאופיין עם זוית חיובית, אך במספר מקומות מוגדרים – האור אשר בקע מהחריץ נע בכיוון המאופיין עם זוית שלילית, מאשש בכך את התופעה המדוברת. למחקר זה יכולות להיות השלכות בתחומים הדורשים שליטה מדויקת בפילוג המרחבי של עוצמת אור בנפחים קטנים, כמו מיקרוסקופיה, חישה והנעה של חלקיקים זעירים.
*עוד ניתן לקרוא על המחקר של ד"ר באב"ד במגזין היוקרתי Optica שהתפרסם חודש שעבר - למאמר המלא במגזין Optica
