Razvoj naprav je že desetletja ena od osrednjih dejavnosti Laboratorija za biokibernetiko (LBK), ki podpira tako temeljne raziskave kot aplikacije v praksi. Naše delo pokriva celoten razvojni cikel, od konceptualne zasnove in izdelave prototipov do validacije in uvajanja naprednih elektronskih sistemov. Poleg raziskovalno usmerjenega razvoja LBK sodeluje s podjetji in zagotavlja prilagojene strojne rešitve za industrijske, medicinske in raziskovalne aplikacije.

Ključno področje strokovnega znanja LBK je razvoj naprav za elektroporacijo. Imamo obsežne izkušnje z načrtovanjem naprednih elektroporatorjev za laboratorijsko, predklinično in klinično uporabo, vključno z visokofrekvenčnimi bipolarnimi elektroporatorji, ki omogočajo dovajanje terapevtskega električnega polja in hkrati zmanjšujejo neželene stranske učinke. Vse strojne naprave so razvite tako, da izpolnjujejo zahtevne pogoje glede zmogljivosti, varnosti in zanesljivosti ter podpirajo najsodobnejše raziskave in klinični prenos.

Pomembno je, da je LBK odigral ključno vlogo pri razvoju prvega klinično odobrenega elektroporatorja, Cliniporatorja, kar predstavlja pomemben mejnik pri uvajanju terapij na osnovi elektroporacije v klinično prakso. Ta dosežek izpostavlja sposobnost LBK, da integrira biomedicinsko znanje, elektronsko načrtovanje in klinične zahteve v robustno medicinsko napravo.

Vzporedno LBK razvija široko paleto biomedicinskih merilnih sistemov, vključno s sistemi za meritve bioimpedance, zajem električnih signalov in spremljanje bioloških odzivov na električna polja. Te sisteme odlikujejo visoka merilna natančnost, zanesljivost in skladnost z ustreznimi standardi, kar jih dela primerne tako za raziskovalna kot za aplikativna okolja.

S tesnim sodelovanjem s kliničnimi in industrijskimi partnerji LBK prevaja znanstvene inovacije v zanesljive, aplikativno usmerjene strojne rešitve ter podpira podjetja pri razvoju novih biomedicinskih in elektronskih naprav.

Načrtovanje in razvoj naprav za elektroporacijo

Načrtovanje in razvoj naprav za elektroporacijo je osrednja dejavnost ekipe za strojno opremo v Laboratoriju za biokibernetiko (LBK) 9. Poslanstvo te ekipe je podpora tako temeljnim raziskavam kot prenosu tehnologij na osnovi elektroporacije v praktične aplikacije. LBK razvija napredne visokonapetostne pulzne generatorje, ki lahko dovajajo natančno kontrolirane električne pulze z amplitudami več kilovoltov, tokovi do več sto amperov in trajanjem pulzov od nanosekund do milisekund, kar omogoča širok spekter biomedicinskih in biotehnoloških aplikacij.

Poseben poudarek je na razvoju visokofrekvenčnih bipolarnih elektroporatorjev, ki omogočajo izboljšan nadzor časovnega poteka električnih pulzov in zmanjšanje neželenih elektrokemijskih učinkov. Za doseganje visoke učinkovitosti, hitrega preklapljanja in kompaktne zasnove sistema LBK vključuje najsodobnejšo močnostno elektroniko, vključno s preklopnimi rešitvami na osnovi SiC MOSFET, ter napredne topologije vezij, kot so modularne arhitekture in Marx-ovi generatorji 3. Te sisteme dopolnjujejo kontrolne enote na osnovi FPGA in mikrokrmilnikov, ki zagotavljajo natančno časovno usklajevanje, prilagodljivost in zanesljivo delovanje.

Razvojni proces obsega celotno sistemsko arhitekturo, vključno z generiranjem pulzov, načrtovanjem napajalnikov, krmilno elektroniko in uporabniškim vmesnikom ter elektrodami in aplikatorji za ciljno dovajanje energije. Ta celostni pristop omogoča optimizacijo elektroporacijskih protokolov ter podpira tako eksperimentalne kot klinične aplikacije.

Z nenehnimi inovacijami in tesnim sodelovanjem s kliničnimi in industrijskimi partnerji LBK prispeva k napredku varnih, učinkovitih in aplikativno usmerjenih elektroporacijskih tehnologij.

Biomedicinski merilni sistemi

Načrtovanje in razvoj biomedicinskih merilnih sistemov sta bistveni del raziskovalnih in razvojnih dejavnosti Laboratorija za biokibernetiko (LBK). Razvijamo napredne merilne rešitve, ki podpirajo eksperimentalne študije, validacijo naprav in klinične aplikacije, zlasti na področju elektroporacije.

Laboratorij načrtuje in implementira sisteme za meritve bioimpedance, zajem električnih signalov in sprotno spremljanje bioloških odzivov na električna polja. Ti sistemi so tesno integrirani z napravami za elektroporacijo, kar omogoča sinhronizirano krmiljenje in merjenje dovajanja pulzov ter odziva tkiva. Ta integracija je ključna za natančno karakterizacijo učinkov elektroporacije in optimizacijo protokolov zdravljenja.

Delo LBK vključuje razvoj elektronskih vezij po meri, vgrajenih sistemov in platform za zajem podatkov, prilagojenih zahtevnim biomedicinskim okoljem. Poudarek je na visoki merilni natančnosti, časovni ločljivosti in zanesljivosti, kar zagotavlja primernost tako za laboratorijsko kot za klinično uporabo. V okviru svojega znanja na področju instrumentacije je LBK razvil sistem za zaznavanje R-valov v realnem času iz signalov EKG, zasnovan za robustno in zanesljivo zaznavanje pravih R-valov, kar omogoča natančno sinhronizacijo medicinskih posegov s srčno aktivnostjo 10.

Z interdisciplinarnimi raziskavami in sodelovanjem s kliničnimi in industrijskimi partnerji LBK razvija robustne in aplikativno usmerjene biomedicinske merilne sisteme, ki prispevajo k napredku tehnologij in terapij na osnovi elektroporacije.

Sodelovanje s kliničnimi in industrijskimi partnerji

Laboratorij za biokibernetiko (LBK) ima dolgo tradicijo sodelovanja s kliničnimi ustanovami in industrijo, kar omogoča uspešen prenos elektroporacijskih tehnologij v praktične in klinične aplikacije. Prelomni dosežek je bilo sodelovanje s podjetjem IGEA S.p.A., ki je privedlo do razvoja prvega klinično odobrenega elektroporatorja, Cliniporatorja 9. Ta naprava je postala široko uporabljan sistem za elektrokemoterapijo, ki omogoča učinkovito zdravljenje tumorjev s kontroliranim dovajanjem električnih pulzov 14.

V tesnem sodelovanju z Onkološkim inštitutom v Ljubljani je LBK prispeval k razvoju naprednih terapij na osnovi elektroporacije v okviru projekta SmartGene, s podporo predkliničnim študijam vnosa genskega zapisa z elektroporacijo ter dokazovanjem varnosti in izvedljivosti 2.

V zadnjem času LBK sodeluje s podjetjem mPOR d.o.o. pri razvoju visokofrekvenčnih elektroporatorjev naslednje generacije, s poudarkom na izboljšanem dovajanju pulzov, učinkovitosti in zmanjšanju stranskih učinkov 15.

Ta sodelovanja izpostavljajo sposobnost LBK, da premošča temeljne raziskave, inženirstvo in klinično prakso ter prispeva k napredku inovativnih biomedicinskih tehnologij in njihovi uspešni implementaciji v aplikacijah v realnem svetu.

Biomedicinski aplikatorji in sistemi za dovajanje energije

Laboratorij za biokibernetiko (LBK) razvija široko paleto biomedicinskih aplikatorjev in sistemov za dovajanje energije, ki presegajo tehnologije elektroporacije. Poleg elektroporatorjev je LBK aktivno vključen v razvoj sistemov na osnovi radiofrekvenčne energije, ultrazvoka in pristopov z magnetnim poljem. Te tehnologije omogočajo kontrolirano dovajanje energije za raznolike biomedicinske aplikacije, vključno s segrevanjem tkiva z radiofrekvenčno energijo, mehansko stimulacijo z ultrazvokom in zdravljenjem s pulznim elektromagnetnim poljem za izboljšanje molekularnega transporta čez celične membrane.

Grafični uporabniški vmesniki in krmiljenje elektroporacijskih pulzov v realnem času na osnovi FPGA

Razvoj naprednih krmilnih sistemov je ključna komponenta načrtovanja elektroporatorjev v Laboratoriju za biokibernetiko (LBK) 12. Osredotočamo se na krmiljenje v realnem času na osnovi FPGA, ki omogoča natančno generiranje in sinhronizacijo elektroporacijskih pulzov z visoko časovno ločljivostjo, ponovljivostjo in zanesljivostjo. Platforme FPGA omogočajo deterministično krmiljenje parametrov pulzov, kot so amplituda, trajanje, frekvenca in oblika vala, kar je bistveno za ponovljivo in varno delovanje tako v raziskovalnih kot v kliničnih okoljih.

Vzporedno LBK razvija intuitivne grafične uporabniške vmesnike, ki zagotavljajo prilagodljivo konfiguracijo sistema, spremljanje v realnem času in vizualizacijo podatkov. Ti vmesniki uporabnikom omogočajo definiranje kompleksnih pulznih protokolov, prilagajanje parametrov in zagotavljanje sledljivosti eksperimentalnih ali kliničnih postopkov.

Tesna integracija krmilnih sistemov FPGA z uporabniku prijaznimi grafičnimi vmesniki omogoča nemoteno interakcijo med strojno opremo in uporabniki, izboljšuje uporabnost ob ohranjanju natančnega nadzora nad elektroporacijskimi procesi. Takšne rešitve podpirajo napredne aplikacije, vključno z visokofrekvenčnim in bipolarnim dovajanjem pulzov, ter prispevajo k optimizaciji in standardizaciji zdravljenj na osnovi elektroporacije.