מהי הנדסה ביו-רפואית?

 

מהי הנדסה ביו-רפואית?

הנדסה ביו-רפואית, המכונה גם ביו-הנדסה, ביורפואה או BME, היא תחום רב-תחומי המשלב יישום של עקרונות וחומרים הנדסיים בעולם הרפואה ובריאות האדם.

תחום ההנדסה הביו-רפואית משלב תחומים הנדסיים רבים ופריצות דרך טכנולוגיות מרשימות. חלק מפריצות הדרך כוללות:   שיטות דימות מתקדמות, מזעור של רכיבים אלקטרונים באמצעות חומרים מהונדסים "חיים" ורקמות, ביו-סנסורים חכמים והדפסות תלת-מימד של רקמות. בנוסף, שילוב של סנסורים ביולוגיים זעירים לניטור רציף של וירוסים, חיידקים ותאים סרטניים, ננו-רובוטים חכמים להובלת תרופות, מעבדה על שבב לדיאגנוסטיקה מהירה, ביו-פוטוניקה לצורך התבוננות בתהליכים חיים מרמה תוך-תאית לרמת הרקמה ועוד. טכנולוגיות אלה יאפשרו גילוי מוקדם של מחלות, מתן טיפול יעיל ואמצעים לשיפור איכות החיים.

דוגמאות לכמה מתת-תחומי ההנדסה הביו-רפואית כוללות: אלקטרוניקה ביו-רפואית, ביו-חומרים, הנדסת רקמות, דימות רפואי, ביו-הנדסה שיקומית, ביומכניקה , ביולוגיה סינטטית, רובוטיקה רפואית, נוירו-הנדסה, מיקרוסקופיה בסופר-רזולוציה, ביופיזיקה.

 בשנים הקרובות תחום ההנדסה הביו-רפואית צפוי לעצב מחדש את עולם הרפואה ובריאות האדם.

האתגרים המשמעותיים של מערכת הבריאות ותעשיית הפארמה העולמית הם המניעים העיקריים לצמיחתה של התעשייה הביו-רפואית, המבוססת על תחומי הביולוגיה  והרפואה בשילוב תחומים או שיטות הנדסיות, כגון: אלקטרוניקה, למידה חכמה ובינה מלאכותית, AI  ביולוגיה חישובית, פיזיקה, ננו-טכנולוגיה, מדע החומרים והנדסה גנטית מתקדמת.

שילוב עקרונות הנדסיים עם ידע ביולוגי לטובת טיפול בצרכים רפואיים תרם להתפתחות מושגים מהפכניים ומצילי חיים כגון: איברים מלאכותיים, רובוטים כירורגיים, תותבות מתקדמות, דיאליזה של הכליות, ריצוף גנטי מתקדם ועוד.

תעשיית המכשור הרפואי בישראל כוללת יותר מ-600 חברות. בישראל נמצאים מרכזי המו"פ של חברות המכשור הרפואי המובילות בעולם, כגון- פיליפס, ג'נרל אלקטריק, מדטרוניק ועוד.

תוצרי המחקר והפיתוח של תחום ההנדסה הביו-רפואית הינם רבים ומגוונים, החל ממכשור רפואי כגון מכשירי דימות ומדידה רפואיים, מכשירים כירורגיים, דרך אמצעים להעברת תרופות כגון משאפים ומשאבות אינסולין, וכלה באביזרים טיפוליים ושיקומיים כמו מפרקים מלאכותיים ואיברים תותבים.

בישראל תעשיית בריאות דיגיטלית משגשגת הכוללת מעל 500 חברות המבוססות ברובן על טכנולוגיות בינה מלאכותית (AI).

הדרישה הגוברת למהנדסים ביו-רפואיים קשורה למעבר לשימוש יומיומי במכונות וטכנולוגיה בכל תחומי החיים. הנדסה ביו-רפואית היא תחום רחב ואופי העבודה של מהנדס ביו-רפואי הינו מגוון ושונה בהתאם לתפקיד. מהנדסים ביו-רפואיים משלבים ידע מתחומי המתמטיקה, הפיזיקה, הביולוגיה מדעי המחשב וההנדסה במטרה להאיץ פיתוח של טיפולים רפואיים חדשניים.

ענף ההנדסה הביו-רפואית כולל, בין היתר, את ההתמחויות הבאות:

הדמיה ועיבוד אותות רפואיים – מהנדסים ביו-רפואיים שמתמחים בעיבוד אותות מפתחים תוכנות וכלים לפענוח אוטומטי, מהיר ומדויק של בדיקות דימות רפואי. פיתוחים אלו נועדו לשפר את יכולת האבחון המוקדם של מחלות שונות באמצעים לא פולשניים. החוקרים בתחום זה בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון עוסקים בפענוח מתקדם של בדיקות א.ק.ג., MRI, ממוגרפיה, אולטרסאונד, מיקרוסקופיה אופטית, דימות של עוברים ועוד.

ביומכניקה, נוירופיזיולוגיה – תכנון ופיתוח איברים תותבים הדומים ככל האפשר בפעילותם ובתפקודם לאיברים הטבעיים על-מנת שיהיו נוחים למשתמש וישמרו את מרבית היכולות הטבעיות של האדם. בנוסף, בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון נחקרות אפשרויות שיקום הפעילות המוטורית של חולים לאחר שבץ מוחי.

הנדסת רקמות – הבנת מנגנוני היצירה וההתפתחות של רקמות שונות בגוף ופיתוח אמצעים לגידול רקמות בתנאי מעבדה. כך למשל, מנסים מהנדסי הרקמות לגדל רקמות להשתלה שיהיו זהות לרקמות המטופל וימנעו את סכנת הדחייה של השתל. במעבדות להנדסת רקמות בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון מתבצעים מחקרים פורצי-דרך בתחום זה.

הסעת תרופות – פיתוח מנגנונים להעברת תרופות באופן ממוקד לאזור הפגוע בגוף ובהתאמה אישית לתכונות הגנטיות של החולה או למאפייני המחלה. באופן טיפול זה ניתן  להגדיל את יעילות התרופה תוך הפחתת המינון הנדרש ותופעות הלוואי השליליות. בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון חוקרים מפתחים תרופות למחלות ריאה, למחלות קרדיו-וסקולריות וכן תרופות מותאמות אישית עבור הלוקים בסוגי סרטן שונים.

למידת מכונה ובינה מלכותית ברפואה – שימוש בכלים תכנותיים וניתוח נתוני-עתק (Big Data Analysis) כדי לנתח מידע גנטי ולאפיין תופעות ביולוגיות באמצעות מודלים ממוחשבים ומתמטיים. כלים אלה מאפשרים הפקת תובנות לגבי פגיעות ומחלות שונות ופיתוח פתרונות  אידיאליים עבורן. במעבדות הפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון החוקרים והסטודנטים משתמשים בכלים אלה לשיפור דימות רפואי, לפיתוח טיפולים גנטיים חדשניים ולשיפור הטיפולים הקיימים בסרטן.

ביו-חומרים – פיתוח חומרים לשימוש רפואי, כמו דבקים ביולוגיים, ננו-חומרים לסימון אזורי פגיעה או להובלת תרופות ואפילו 'תחבושות חכמות'. חומרים רפואיים אלה מסייעים לאבחון מחלות  והופכים את הטיפול בפגיעות למהיר ומוצלח ביותר.

שיטות ננו-חישה – פיתוח ננוטכנולוגיות לחישה מולקולרית, ריצוף גנטי, איפיון ביו-מולקולות, וטכנולוגיות אופטיות מתקדמות לדימות ננומטרי.

הסטודנטים לתואר ראשון בהנדסה ביו-רפואית בטכניון יכולים כבר במהלך לימודי התואר הראשון לבחור את התחום בו ירצו להתמחות.

הסטודנטים לתארים מתקדמים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית מצטרפים לצוותי מחקר העוסקים בתחומים ההנדסיים המתקדמים ביותר ולומדים תחת הנחייתם של החוקרים המובילים של הפקולטה.