NAGRAJENE PREŠERNOVE NALOGE ŠTUDENTOV
 

ENAKOVREDNI PARAMETRI PULZOV, S KATERIMI DOSEŽEMO ENAKO UČINKOVITOST
ELEKTROPORACIJE CELIC
Jasna Krmelj, mentor doc. dr. Gorazd Pucihar,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2010
Povzetek: Vsako posamezno področje uporabe elektroporacije zahteva prilagoditev parametrov pulzov za zadovoljiv izid poskusa oziroma učinkovito zdravljenje. Pogosto je priporočljive vrednosti parametrov, ki omogočajo učinkovito elektroporacijo, težko doseči. To se lahko zgodi zaradi eksperimentalnih pogojev ali omejitev generatorjev pulzov, ki omogočajo spreminjanje parametrov pulzov le v določenem območju. Kljub tem omejitvam pa lahko podobne rezultate poskusa dobimo tudi z uporabo drugačnih, »enakovrednih« parametrov pulzov. V ta namen smo v raziskovalni nalogi določili razmerja med tremi glavnimi parametri pulzov: amplitudo, trajanjem in številom pulzov, ki povzročijo enak delež elektroporiranih celic. Da bi dobili zanesljive funkcijske odvisnosti med parametri pulzov, smo njihove vrednosti spreminjali na širokem področju. Tako smo trajanje pulzov spreminjali na področju od 30 µs do 100 ms, število pulzov pa od 1 do 128, pri čemer je zasnova našega poskusa omogočala ponavljajoče opazovanje vnosa molekul z elektroporacijo na istih celicah.
Naši rezultati kažejo, da z daljšim trajanjem pulzov T, oziroma višjim številom pulzov N, potrebujemo nižje amplitude U za doseganje enakega deleža elektroporiranih celic. Ugotovili smo, da funkcijske odvisnosti med parametri pulzov lahko najbolje opišemo z dvoparametrskima potenčnima funkcijama: U = AT^( -B) in U = DN^( -E), ki smo jih prilegali na izmerjene rezultate. Ker sta ti dve funkciji razmeroma preprosti, predlagamo njuno uporabo pri iskanju enakovrednih parametrov pulzov. Predlagane funkcije, skupaj z izmerjenimi rezultati kažejo, da vnos molekul v elektroporirane celice lahko dosežemo pri katerikoli amplitudi pulzov, če le uporabimo dovolj dolg pulz oziroma zadostno število pulzov. Pri tem je precej verjetno, da je vnos molekul pri najvišjem trajanju in številu pulzov bolj povezan s procesi, kot sta elektroforeza ali električno spodbujana endocitoza, kot pa z elektroporacijo. Predlagane funkcijske odvisnosti so pomembne pri načrtovanju terapij, ki temeljijo na uporabi elektroporacije, kot sta na primer elektrokemoterapija in ablacija tkiva, saj lahko z njimi povečamo učinkovitost imenovanih terapij in poenostavimo njihovo izvajanje.

OPAZOVANJE NAPETOSTI NA RAVNINSKIH LIPIDNIH DVOSLOJIH OB TOKOVNEM VZBUJANJU
Andraž Polak, mentor doc. dr. Alenka Maček Lebar,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2009
Povzetek: Ravninski lipidni dvosloj lahko obravnavamo kot preprost model celične membrane. Kljub preprostosti sestavi je primeren za študij pojavov, ki so vezani na lipidne molekule v celični membrani. Na njem lahko preučujemo, kako različni parametri vplivajo na poracijo celične membrane. Ob tokovnem vzbujanju lahko s sočasno meritvijo napetosti zaznamo nastanek por v ravninskem lipidnem dvosloju kot zmanjšanje napetosti na lipidnem dvosloju. V nalogi je bil razvit razvit eksperimentalni sistem, s katerim lahko tvorilmo tokovne signale različnih oblik in sočasno merimo napetost na ravninskem lipidnem dvosloju. V okviru naloge smo delovanje sistema tudi preizkusili na ravninskih lipidnih dvoslojih različnih kemijskih sestav.

KRMILJENJE NANOSEKUNDNEGA VISOKONAPETOSTNEGA GENERATORJA ZA ELEKTROPORACIJO
CELIC PREKO UPORABNIŠKEGA GRAFIČNEGA VMESNIKA NA KOMPAKTNEM RAČUNALNIKU
Denis Pavliha, mentor prof. dr. Damijan Miklavčič,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2008
Povzetek: Grafični uporabniški vmesnik, izdelan v okviru te naloge, predstavlja vez med generatorjem nanopulzov in uporabnikom. Ker je torej edini del naprave, s katerim uporabnik rokuje, je ključnega pomena, da je sodoben in obenem preprost za uporabo. Tako lahko zagotovimo, da bo delo z napravo nezahtevno, vendar ne na račun njene funkcionalnosti. Hkrati si želimo še čim krajši čas od razvoja do splavitve prototipa in enostavno zamenljivost strojne opreme.
V okviru te naloge je bil načrtovan in izdelan grafični uporabniški vmesnik, ki krmili izhodni del nanosekundnega visokonapetostnega generatorja (generatorja nanopulzov). Ker je generator nanopulzov naprava, ki se bo uporabljala na področju biomedicine in biotehnologije, je bilo potrebno zasnovati vmesnik, ki bi omogočal nemoten potek laboratorijskih poskusov. V začetku lahko to zagotovimo že s pravilno izbiro strojne opreme. Izbrali smo si računalniško (PC – Personal Computer) platformo, ki zagotavlja stabilno in hitro delovanje, nanjo pa naložili operacijski sistem Microsoft Windows CE .NET 5.0. Kratica CE pomeni consumer electronics, kar nakazuje, da je operacijski sistem primeren predvsem za vgrajene sisteme, in ne osebne računalnike. Izdelali smo tudi programsko aplikacijo, ki komunicira z izhodnim delom generatorja nanopulzov preko hitrega vodila USB 2.0 (Universal Serial Bus 2.0) s pomočjo lastnega gonilnika DLL (dynamic-link library). Z grafičnim uporabniškim vmesnikom upravljamo preko zaslona LCD (Liquid Crystal Display), občutljivega na dotik, vse nastavitve programske aplikacije pa lahko uporabnik shrani na zunanje priključeni USB pomnilniški ključ.
Izhodni del generatorja nanopulzov smo preko nastavitvenega dela programske aplikacije prilagodili grafičnemu uporabniškemu vmesniku preko preprostih, a preverjeno učinkovitih algoritmov linearne aproksimacije. Naprava, ki smo jo izdelali, je edinstvena zaradi pristopa k načrtovanju krmilnikov na osnovi PC platforme. Ker se zavedamo, da bo v prihodnosti potrebna menjava strojne opreme, smo izbrali platformo, ki je zlahka nadgradljiva, s čimer smo znižali morebitne stroške nadaljnjega razvoja. S pomočjo vprašalnika smo še ocenili uporabnost grafičnega uporabniškega vmesnika naprave z uporabniškega vidika.

MERITVE IN IZRAČUN VPLIVNEGA OBMOČJA V OKOLICI BAZNE POSTAJE ZA ŠIROKOPASOVNI
BREZŽIČNI DOSTOP – WiMAX
Tomaž Trček, mentorja doc. dr. Peter Gajšek in prof. dr. Damijan Miklavčič,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2007
Povzetek: Naše okolje je zaradi množične uporabe električnih naprav in prihoda vedno novih tehnologij vedno bolj obremenjeno z elektromagnetnimi sevanji. Nova tehnologija, ki prihaja je tudi sistem WiMAX in tudi za to tehnologijo bo potrebno znati izračunati in izmeriti elektromagnetno sevanje in oceniti vpliv, ki ga ima na ljudi in okolje.
Sistem WiMAX je tehnologija za zagotavljanje širokopasovnega brezžičnega dostopa po skupini standardov IEEE 802.16. Nad tehnologijo bedi WiMAX Forum, ki skrbi za promocijo in zagotavljanje medsebojnega delovanja opreme različnih proizvajalcev ter narekuje smernice nadaljnjega razvoja. Za dosego velike prenosne hitrosti in velike robustnosti je bila zelo pomembna vpeljava ortogonalnega frekvenčnega multipleksiranja.
V Sloveniji je tehnologija WiMAX v preizkušanju, zato bo kmalu potrebno začeti izvajati meritve elektromagnetnega sevanja, ki jih predpisuje slovenska zakonodaja. Leta 1996 sprejeta Uredba o elektromagnetnem sevanju v naravnem in življenjskem okolju natančno opredeljuje največje dopustne meje elektromagnetnega sevanja, kateremu so ljudje lahko izpostavljeni. Poleg slovenske zakonodaje velja tudi Evropska direktiva 2004/40/ES, ki določa dopustne meje elektromagnetnega sevanja za poklicno izpostavljene. Oba predpisa sta osnova za izračune in meritve elektromagnetnega sevanja v okolju in na delovnem mestu.
Postopke izračunov najbolje opredeljuje prevzeti evropski standard SIST EN 50383, ki je osnovni standard za izračune in merjenje moči elektromagnetnega polja. Poleg računskih postopkov predlaganih v standardu SIST EN 50383 obstajajo tudi drugi računski postopki. Zelo dober in enostaven je računski postopek za izračun elektromagnetnega sevanja, ki ga oddajajo antene sestavljene iz skupine istosmernih polvalovnih dipolov, kakršne so tudi WiMAX antene. Ta računski postopek, ki tudi temelji na standardu SIST EN 50383 sem uporabil za izračun vplivnega območja WiMAX baznih postaj. Rezultate izračuna sem preveril z namenskim programskim paketom za računaje elektromagnetnih sevanj EFC-400. S programom EFC-400 sem naredil tudi simulacijo realnega primera delovanja preizkusnega sistema WiMAX v Sloveniji. Izračunanal sem tudi nekaj primerov sevalnih obremenitev pri različnih kombinacijah sočasnega delovanja sistemov WiMAX, GSM in UMTS.
Za konec sem izvedel tudi širokopasovno meritev delujočega sistema WiMAX, ki naj bi potrdil rezultate teoretičnih izračunov. Rezultati meritev kažejo na nekolikšno višje izračunane vrednosti glede na izmerjene vrednosti. Kljub temu pa se izračunane vrednosti nahajajo na zgornji meji izmerjenih vrednosti ob upoštevanju razširjene merilne negotovosti.

NAPETOSTNI PREKLOPNIK ZA MIKROELEKTRODE PRI ELEKTROGENSKI TRANSFEKCIJIKI TRANSFEKCIJI
Matej Kranjc, mentor prof. dr. Damijan Miklavčič,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2006
Povzetek: Napetostni preklopnik predstavlja ključno električno komponento pri izvedbi uspešne elektrogenske transfekcije, ki postaja vedno bolj perspektivna nevirusna metoda vnosa genskega materiala v celice kože. Glavna funkcija napetostnega preklopnika je preklapljanje med visoko in nizkonapetostnimi pulzi, ki jih preko mikroelektrod dovedemo do celic kože. Zaradi električnega polja, ki nastane med elektrodama, postanejo celice prepustne za genski material.
V okviru te naloge in evropskega projekta Angioskin smo načrtovali, izdelali in preizkusili deset napetostnih preklopnikov, ki s svojimi električnimi lastnosti uspešno krmilijo napetostne pulze. Pred načrtovanjem napetostnega preklopnika smo preizkusili močnostne krmilnike in se prepričali, da v celotnem frekvenčnem območju elektrogenske transfekcije ne izkazujejo slabljenja amplitude napetostnih pulzov. Sledila je izdelava tiskanih vezij napetostnega preklopnika in priklop na prototipni sistem Angioskin, ki vsebuje poleg napetostnega preklopnika še ostale komponente potrebne za izvedbo uspešne elektrogenske transfekcije. Podrobno smo preizkusili delovanje sistema v visoko in nizkonapetostnem območju. Ugotovili smo, da nekatere komponente sistema Angioskin še niso dovolj razvite, da bi delovale na nivoju zmožnosti napetostnega preklopnika. Ojačevalnik in nizkonapetostni napajalnik imata frekvenčno omejitev generiranja napetostnih pulzov s spreminjajočo se polariteto. Težava nastane tudi pri generiranju več zaporednih napetostnih pulzov z najvišjo amplitudo. Na koncu smo še z zelo preprosto in učinkovito metodo preizkusili in potrdili zmožnost preklapljanja desetih napetostnih preklopnikov med napetostnimi pulzi.
Kljub nekaterim težavam ostalih komponent sistema Angioskin smo preko rezultatov različnih meritev pokazali, da napetostni preklopnik deluje v skladu z zahtevami elektrogenske transfekcije.

BOLEČINA IN MOŽNOSTI ZA NJENO ZMANJŠANJE PRI TERAPEVTSKI UPORABI ELEKTROPORACIJE
Anže Županič, mentorja prof. dr. Damijan Miklavčič in prof. dr. Samo Ribarič,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2005


SINHRONIZACIJA DOVAJANJA ELEKTROPORACIJSKIH PULZOV NA OSNOVI ANALIZE
SIGNALA ELEKTROKARDIOGRAMA
Barbara Mušič, mentorja prof. dr. Damijan Miklavčič in prof. dr. Franc Jager,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2002
Povzetek: Za zdravljenje nekaterih vrst bolezni, med katere sodijo tudi rakava obolenja, moramo v obolele celice vnesti ustrezno zdravilo, kemoterapevtik. Nekatera tovrstna zdravila le stežka vstopajo v celice, zato vnos zdravila v notranjost celice običajno povečamo s povečanjem prepustnosti celične membrane. Večjo prepustnost celične membrane dosežemo tako, da celice oziroma tumor izpostavimo električnim pulzom. Ta način zdravljenja, ki se imenuje tudi elektrokemoterapija, omogoča večji vnos kemoterapevtika v tumorske celice in tako večjo učinkovitost.
Zdravljenje tumorjev na področjih telesa, ki ležijo sorazmerno daleč od srca, predvsem s stališča trenutkov nastopa uporabljenih elektroporacijskih pulzov, ni nevarno za življenje preiskovanca, kar pa žal ne velja za tumorje, ki se nahajajo v bližini srca. Uporaba elektroporacije v okolici srca je dokaj nevarna, saj lahko povzroči fibrilacijo srca, pa čeprav gre za lokalno izpostavitev tumorja in tkiva električnim pulzom. Za nastop fibrilacije srca je namreč dovolj, da je jakost toka, ki ga v bližini srca apliciramo na tumor, višja od pragovne vrednosti za fibrilacijo ali pa da zajame srčno mišico oziroma le njen del ravno v tisti fazi srčnega cikla, v t. i. dobi občutljivosti, ko je srce na zunanje tokove zelo občutljivo. Tudi dovajanje elektroporacijskih pulzov ob nastopu aritmij srca je lahko življenju nevarno, saj nekatere od njih znižajo prag za fibrilacijo.
Da položaj tumorja ne bi omejeval uporabe elektrokemoterapije, smo izdelali algoritem, ki na osnovi analize elektrokardiograma dopušča dovajanje elektroporacijskih pulzov le izven dobe občutljivosti in se izogiba dovajanju pulzov, če se v elektrokardiogramu pojavijo različne vrste aritmij. Algoritem za sinhronizacijo dovajanja elektroporacijskih pulzov z elektrokardiogramom, ki deluje v realnem času, prilagodi delovanje poljubnim vrednostim signala elektrokardiograma, ter v dveh fazah učenja avtomatsko nastavi parametre, ki jih za delovanje potrebuje. Algoritem nameravamo vgraditi v napravo za klinično elektroporacijo, kar bo bistveno razširilo uporabnost elektrokemoterapije v smislu večje varnosti za preiskovanca in vsesplošne uporabnosti na poljubnem delu telesa.

MIŠIČNA SILA V ODVISNOSTI OD OBLIKE IN FREKVENCE ELEKTRIČNIH DRAŽILNIH PULZOV
Miran Pavlovec, mentorja prof. dr. Damijan Miklavčič in doc. dr. Samo Ribarič,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2002
Povzetek: Elektrokemoterapija je uspešna oblika zdravljenja čvrstih tumorjev, ki združuje kemoterapijo in elektroporacijo. Pri zdravljenju z elektrokemoterapijo je za povečanje prepustnosti membran tumorskih celic potrebna visoka jakost električnega polja (ponavadi 1000 V pulzi na elektrodah z razmikom 8 mm), zaradi česar pride do vzdraženja živčnih vlaken in mišic, ki se nahajajo pod elektrodami. Ker se za elektrokemoterapijo ponavadi uporablja vlak 4, 6, ali 8 kratkih (100 µs) pulzov s ponavljalno frekvenco 1 Hz, vsak pulz v vlaku pulzov povzroči krčenje mišic, ki jih oživčuje vzdraženo vlakno. Ker so posamezna mišična skrčenja neprijetna in včasih tudi boleča, bi vsakršno zmanjšanje teh občutkov olajšalo zdravljenje bolnikov pri elektrokemoterapiji. V nalogi smo raziskali možnosti za zmanjšanje mišičnega skrčenja ob enaki učinkovitosti elektrokemoterapije. Primerjali smo časovne poteke mišičnega skrčenja v odvisnosti od ponavljalne frekvence (pri konstantni dolžini pulza 100 ms in enakem številu pulzov) in oblike dražilnih pulzov (unipolarni pulzi, bipolarni pulzi, unipolarni pulzi z različnimi dvižnimi časi).
Meritve smo izvajali na Inštitutu za patološko fiziologijo Medicinske fakultete Univerze v Ljubljani in sicer na petih laboratorijskih živalih. Stegensko mišico smo dražili prek dveh igelnih elektrod, na katere smo dovedli pulze z napetostjo 70 V. Mišično silo smo merili z merilnikom sile z vgrajenim uporovnim lističem.
Naši rezultati kažejo, da se z višanjem ponavljalne frekvence pulzov število posameznih mišičnih skrčenj zmanjšuje (posamezna skrčenja se zlijejo v zvezen gib pri frekvenci 50 Hz), medtem ko se sila mišičnega skrčenja najprej povečuje, od frekvence 200 Hz naprej pa pada, zaradi krajšanja celotnega trajanja vlaka pulzov. Ugotovili smo tudi, da je sila mišičnega skrčenja nižja pri uporabi bipolarnih pulzov v primerjavi z unipolarnimi, vendar do razlik pride šele pri ponavljalnih frekvencah, višjih od 100 Hz. Dvižni časi unipolarnih pulzov pa glede na naše rezultate ne vplivajo na silo mišičnega skrčenja.
Izmerjene rezultate smo poskušali razložiti z vplivom električnih pulzov na generiranje akcijskih potencialov. Ker se z višanjem ponavljalne frekvence električnih pulzov (unipolarnih ali bipolarnih) povečuje frekvenca akcijskih potencialov, se sila skrčenja povečuje. Ko si pulzi sledijo tako hitro, da vsak pulz ne izzove akcijskega potenciala zaradi refraktorne dobe živca, pa zaradi skrajšanja celotnega vlaka pulzov začne sila mišičnega skrčenja padati. V primerjavi z unipolarnimi pulzi, bipolarni pulzi povzročijo še nadaljnje zmanjšanje mišičnega odziva. Prvi del bipolarnega pulza izzove akcijski potencial, drugi del pulza (z nasprotno polariteto) pa ne, saj je živčno vlakno še depolarizirano. Zaradi navidezno krajšega pulza in s tem manjšega števila pulzov je sila mišičnega skrčenja nižja. Čeprav smo predvidevali, da bi daljši dvižni čas pulza lahko vplival na zmanjšanje mišičnega skrčenja zaradi generiranja akcijskega potenciala pri napetosti nižji od maksimalne, izmerjeni rezultati tega niso potrdili.
V naši raziskovalni nalogi smo pokazali, da z uporabo pulzov z višjimi ponavljalnimi frekvencami lahko zmanjšamo število mišičnih skrčenj (že s frekvenco višjo od 50 Hz), medtem ko je za zmanjšanje sile mišičnega skrčenja potrebna višja ponavljalna frekvenca. Uporaba takšnih pulzov bi znatno zmanjšala neprijetne občutke bolnikov med elektrokemoterapijo ob enaki učinkovitosti elektrokemoterapije. Pri uporabi bipolarnih pulzov pa bi bila elektrokemoterapija še učinkovitejša.

IZRAČUN PODROČJA PERMEABILIZACIJE MEMBRANE CELIC V ODVISNOSTI OD OBLIKE IN
ORIENTACIJE NEOKROGLIH CELIC V HOMOGENEM ELEKTRIČNEM POLJU
Blaž Valič, mentor prof. dr. Damijan Miklavčič, Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2001
Povzetek: Če celico izpostavimo zunanjemu električnemu polju, se na celični membrani ustvari vsiljena transmembranska napetost. Področje celice, izpostavljeno vsiljeni transmembranski napetosti, višji od praga poracije, predstavlja področje permeabilizacije in mogočo pot za vnos snovi v celico. Na permeabilizirano področje bistveno vpliva vsiljena transmembranska napetost, ki je odvisna od več faktorjev, med najpomembnejše pa sodita velikost zunanjega električnega polja in geometrija celice. Že dolgo je znano, da velikost celice vpliva na vsiljeno transmembransko napetost. Vpliv oblike celice so nekatere raziskave obravnavale, vpliva orientacije celic pa v dosedanjih raziskavah ni bilo zaslediti.
Biološke celice lahko predstavimo kot elipsoide z različnimi razmerji med manjšim in večjim polmerom. V tej raziskovalni nalogi smo analizirali vpliv oblike in orientacije elipsoidnih celic na vsiljeno transmembransko napetost. Vsiljeno transmembransko napetost smo s pomočjo metode končnih elementov izračunali za elipsoidne celice podolgovate in ploščate oblike za različna razmerja polmerov in za različne orientacije. Model smo preverili s primerjavo naših rezultatov z analitičnimi izračuni za vzporedno orientacijo.
Naši rezultati kažejo, da se za bolj elipsoidne celice največja vsiljena transmembranska napetost s spreminjanjem orientacije očitno spremeni, prav tako se spremeni tudi področje celice, kjer je vsiljena transmembranska napetost večja od praga poracije. Primerjava dobljenih rezultatov z rezultati poskusov in vitro kaže dobro ujemanje med odvisnostjo uspešnosti permeabilizacije celic in vitro ter velikosti površine celice, kjer je vsiljena transmembranska napetost višja od praga poracije.

ELEKTROPORACIJA Z MODULIRANIMI VISOKONAPETOSTNIMI ELEKTRIČNIMI PULZI
Matej Reberšek, mentor prof. dr. Damijan Miklavčič, Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2001
Povzetek: Z raziskavami na področju elektroporacije, pri katerih raziskujemo odvisnost elektroporacije od električnih in drugih fizikalnih parametrov, poizkušamo bolje razumeti elektroporacijo ter poiskati optimalne pogoje in elektroporacijski signal za elektroporacijo. V uvodnem poglavju sem predstavil že opravljene raziskave na tem področju, kaj nam ponujajo elektroporatorji priznanih proizvajalcev laboratorijske opreme, kako za elektroporacijo izbrati primerne elektrode in razširjenost uporabe elektroporacije v medicini in biologiji.
V nadaljevanju sem predstavil Generator moduliranih signalov, ki sem ga v okviru te naloge izdelal v Laboratoriju za biokibernetiko Fakultete za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Za razvoj novega generatorja smo se odločili, ker dosedanji elektroporatorji niso omogočali elektroporacije s poljubnimi signali in urejeno množico igelnih elektrod.
Z in vivo poizkusom sem pokazal, da je možno z Generatorjem moduliranih signalov in urejeno množico igelnih elektrod doseči učinkovito elektrokemoterapijo tudi na večjih tumorjih, kar z drugimi obstoječimi elektroporatorji in parom elektrod ni mogoče.
V nalogi sem temeljito preučil tudi elektroporacijo celic z moduliranimi visokonapetostnimi električnimi pulzi in nalogo zaključil z drugačnimi ugotovitvami, kot so jih nakazovale nekatere predhodne raziskave.

PROGRAMSKA OPREMA ZA SISTEM ZA GENERIRANJE PULZOV POLJUBNIH OBLIK, ZAJEM
PODATKOV IN KRMILJENJE MERILNEGA SISTEMA ZA POSKUSE NA LIPIDNIH DVOSLOJIH
Peter Kramar, mentor prof. dr. Damijan Miklavčič, Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2000
Povzetek: Elektroporacija je nastajanje strukturnih sprememb v celični membrani, ki jih povzroči prisotnost električnega signala. Te spremembe so tako imenovane "pore", ki povzročijo povečanje prepustnosti plazmaleme. Povečanje prepustnosti omogoča ionom in molekulam neposreden vstop v celično notranjost. Pojav povečanja prepustnosti imenujemo elektropermeabilizacija, uporabljamo pa jo za vnos različnih snovi v celice. Pri iskanju parametrov reverzibilne poracije lahko membrano poenostavljeno obravnavamo kot lipidni dvosloj. Takšen model membrane si lahko predstavljamo kot majhen košček celotne celične membrane. Pri iskanju optimalnih parametrov elektroporacije spreminjamo parametre kot so napetost, ponavljalna frekvenca in oblika signala.
Za analizo dogajanja na lipidnem dvosloju je potreben poseben sistem ki omogoča tvorjenje in opazovanje signala. Takšen sistem vsebuje mikroprocesor z digitalno-analognim pretvornikom za tvorjenje in merilni sistem z analogno-digitalnim pretvornikom za opazovanje signala. Ker je čas opazovanja kratek, podatke shranimo v poseben RAM, ki je tako hiter, da zajame dovolj točk za opis signala. Oba dela povezuje in nadgrajuje program GenPyrrha.
GenPyrrha je program, s katerim lahko oblikujemo poljuben signal na različne načine. Signal Wizard je eno od orodij, s katerim lahko določimo parametre pogosto uporabljenih oblik signalov. Poljuben signal lahko napišemo tudi ročno. Z orodji za obdelavo lahko signal preoblikujemo. Najpomembnejši del programa je nedvomno serijska komunikacija s preostalim sistemom. S protokolom RS232 pošljemo podatke mikroprocesorju, ki tvori želeni signal na lipidnem dvosloju, kjer opazujemo napetost in tok. Podatki iz merilnega sistema se stekajo v RAM, odkoder se po končani meritvi, preko serijskega vmesnika, prenesejo nazaj v program, kjer opazujemo izmerjena signala. S sistemom. lahko tvorimo signal, ki je sestavljen iz 65335 točk. Najmanjši časovni interval med točkami je 50ns. Najvišja vzorčna frekvenca merilnika je 60MHz. Na tržišču obstaja več tovrstnih sistemov, vendar so tisti s primerljivimi karakteristikami izredno dragi.
Program je namenjen vsem, ki uporabljajo računalnik le kot pripomoček in potrebujejo za svoje delo orodje, ki je uporabniku prijazno. Namembnost programa je lahko širša, saj ga bi lahko uporabljali povsod, kjer želimo tvoriti poljubne oblike signala. Pri tem bi morali prirediti programu nov specifičen sistem, ki bi ustrezal naši uporabi. Ena od možnih uporab je nedvomno celična elektroporacija.

UČINKOVITOST ELEKTROPORACIJE IN VITRO V ODVISNOSTI OD UPORABLJENEGA
ELEKTROPORACIJSKEGA MEDIJA
Gorazd Pucihar, mentor prof. dr. Damijan Miklavčič, Fakultetna Prešernova nagrada za leto 2000
Povzetek: Delo posega na področje elektroporacije, pojava pri katerem s pomočjo visokonapetostnih električnih pulzov spreminjamo prepustnost celične membrane. Električno polje, ki nastane kot posledica napetosti med elektrodama, namreč povzroči nastanek vsiljene transmembranske napetosti na celični membrani po Schwanovi enačbi. Ker je transmembranska napetost v tej enačbi odvisna od prevodnosti elektroporacijskega medija, lahko s pomočjo spreminjanja prevodnosti medijev vplivamo na velikost vsiljene transmembranske napetosti. Ko transmembranska napetost preseže neko pragovno vrednost, se prepustnost celične membrane poveča in tako omogoči ionom in manjšim molekulam vstop v celico.
Vpliv prevodnosti elektroporacijskih medijev na vsiljeno transmembransko napetost smo opazovali s primerjavo eksperimentalno izmerjenih rezultatov preživetja in elektroporacije celic v teh medijih. Da bi dobili opazno spremembo vsiljene transmemebranske napetosti in s tem opazne razlike v eksperimentalnih meritvah, smo uporabili medije z nizkimi prevodnostmi, kar pa lahko vpliva na spremembo fizikalnih in električnih parametrov in celic.
S pomočjo meritev osmolarnosti, pH in velikosti premerov smo pokazali, da sta osmolarnost in pH v fiziološko sprejemljivih mejah pri vseh medijih, znižanje prevodnosti pa ne vpliva na spremembo celičnih premerov v posameznih medijih. Z izračuni je bilo udi pokazano, da sprememba temperature celične suspenzije med elektroporacijo ne vpliva na preživetje celic. Pomembno pa se spremenijo časovna konstanta membrane, vrednost funkcije fs in mirovalna transmembranska napetost. Te ugotovitve je potrebno upoštevati za korektno primerjavo medijev z različnimi prevodnostmi.
S pomočjo omenjenih izmerjenih in izračunanih parametrov smo računsko pojasnili eksperimentalno izmerjene vrednosti preživetja in elektroporacije celic. Pri tem smo rezultate preživetja razložili z upoštevanjem vsiljene transmembranske napetosti, rezultate elektroporacije pa z upoštevanjem mirovalne in vsiljene transmembranske napetosti. Na koncu smo podali še tretjo razlago, ki z nekaterimi predpostavkami skuša pojasniti tako rezultate preživetja kot elektroporacije.
Ugotovili smo, da znižanje prevodnosti elektroporacijskega medija vpliva na zvišanje preživetja celic, na elektroporacijo celic pa sprememba prevodnosti nima zaznavnega učinka. Razlika je verjetno posledica nizke prevodnosti medijev, ki vpliva na vrednost časovne konstante in mirovalne transmembranske napetosti.

NAPRAVA ZA KLINIČNO ELEKTROPORACIJO
Marko Puc, mentor prof. dr. Stanislav Reberšek, Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1998
Povzetek: Za zdravljenje nekaterih vrst bolezni med katere sodijo tudi rakasta obolenja, moramo v obolele celice vnesti ustrezno zdravijo, kemoterapevtik. Nekatera tovrstna zdravila le stežka vstopajo v celice, zato za uspešno zdravljenje potrebujemo velike koncentracije zdravila v okolici celice. Velike koncentracije zdravil v telesu običajno povzročijo številne nezaželene stranske učinke. Vnos zdravila v notranjost celice običajno povečamo s povečanjem prepustnosti plazmaleme, ki jo dosežemo tako, da celice oziroma tumor izpostavimo električnim impulzom. Ta način zdravljenja, ki se imenuje tudi elektrokemoterapija, ima pred ostalimi pomembne prednosti. Vnos zdravila dosežemo pri znatno nižjih koncentracijah zdravila v okolici celic. Zaradi nižjih koncentracij zdravila je manj stranskih učinkov. Poleg tega se zaradi večje konecntracije zdravila v celici poveča njegova učinkovitost.
Učinkovitost elektrokemoterapije je odvisna od številnih parametrov, ki jih lahko razdelimo v parametre električnega polja, temperaturo, osmotski tlak itd. V okviru tega dela smo se osredotočili predvsem na parametre električnega polja, saj so ti najpomembnejši, če želimo izdelati ustrezno opremo za elektrokemoterapijo.
Elektroporator je elektronska naprava, ki proizvaja specifične električne impulze za učinkovito elektrokemoterapijo. Prototip kliničnega elektroporatorja EP-1, ki smo ga razvili je sestavljen iz štirih glavnih sklopov: računalnika, impulznega generatorja, visokonapetostnega enosmernega napajanja in pomožnih enot. S takšno zgradbo smo dosegli veliko prožnost parametrov električnih impulzov: amplituda 50V - 1600V, širina 5us - 255us, razmerje pavza/impulz 3 - 65535, maksimalni izhodni tok 15A.
V okviru dela smo vsak sklop predstavili z ustrezno blokovno in shematsko shemo, poleg tega pa smo analizirali metodi proizvajanja električnih impulzov, ki jih uporabljata dva komercialna proizvajalca.

MERJENJE KAPACITIVNOSTI IN PREVODNOSTI CELIČNE MEMBRANE S POMOČJO
ELEKTROROTACIJSKEGA SPEKTRA
Tadej Kotnik, mentorja prof. dr. Lojze Vodovnik in doc. dr. Damijan Miklavčič,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1995
Povzetek: Naloga obravnava določanje specifične prevodnosti in dielektričnosti celične membrane s pomočjo merjenja elektrorotacijskega spektra. Merilna metoda je neinvazivna, vendar posredna. V elektrorotacijskem spektru določimo t.i. karakteristični frekvenci, specifično prevodnost in dielektričnost pa določimo s pomočjo izračuna. Podani sta razlaga pojava in analiza odvisnosti elektrorotacijskega spektra od parametrov v modelu. Sledi razlaga merilne metode z opisom merilne naprave in merilne komore.
Na Onkološkem inštitutu in Inštitutu za biofiziko Medicinske fakultete v Ljubljani smo izvedli meritve elektrorotacijskih spektrov šestih vrst tumorskih celic. Določili smo tudi spremembe vrtilne hitrosti celice pri spodnji karakteristični frekvenci, ki jih povzroči izpostavitev celice pulzirajočemu električnemu polju.
Na osnovi izmerjenih elektrorotacijskih spektrov smo izračunali specifično prevodnost, dielektričnost in specifično kapacitivnost celične membrane. Sledi obravnava razlik med spektri, nato pa je podana še analiza vpliva trajanja pulza v vlaku in spremembo celične rotacije.

VPLIV ELEKTRIČNE STIMULACIJE NA HITROST CELJENJA RAN
Fedja Bobanović, mentorja prof. dr. Lojze Vodovnik in mag. Aneta Stefanovska,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1990
Povzetek: Pri celjenju ran uspešno uporabljamo različne tipe električne in elektromagnetne stimulacije. Kljub temu pa zelo malo vemo o mehanizmih, ki so vključeni v pospeševanje celjenja mehkih tkiv. Merjenje potenciala ran je ena od poti bioelektrične razlage procesov celjenja. Že leta 1860 je Du-Bois Reymond poročal, da je poškodovan, krvaveč prst električno pozitiven glede na nepoškodovanega.
Ideja, da bi z meritvijo biopotenciala poškodovane kože lahko pojasnili procese celjenja, je zanimiva, toda realizacija meritve je zelo težavna. Ag-AgCl elektrode smo izbrali zaradi minimalnega vpliva sistema elektroda-elektrolit, pa tudi zaradi majhnega polarizacijskega efekta. Kontakt med elektrodo in kožo je vzpostavljen skozi fiziološko raztopino. Uporabili smo elektrometer z diferencialno vhodno impedanco 10 Ohm. S tako izbrano merilno opremo smo zadovoljili zahteve, kot so visoka vhodna impedanca, visoka stabilnost in občutljivost ter neodvisnost od zunanjih motenj in šumov.
Cilji študije so bili: meritev potenciala poškodovane človeške kože, primerjava s potencialom nepoškodovane kože in spremljanje mogočih sprememb v času celjenja. izmerjena napetost je bila definirana kot razlika med potencialom dveh izbranih točk na koži (nepoškodovana - nepoškodovana oziroma nepoškodovana - poškodovana).
Iz rezultatov je razvidno, da je potencial poškodovane kože signifikantno višji- bolj pozitiven (za 28 do 41 mV) v primerjavi z nepoškodovano kožo. V študiji predlagamo električni model za poškodovano kožo, ki smo ga uporabili kot pripomoček za razlago procesa celjenja. Na osnovi modela predlagamo najugodnejši način stimulacije za pospeševanje celjenja kože.

PROGRAMSKA OPREMA ZA ŠTUDIJ INTERAKCIJE ELEKTRIČNIH TOKOV IN ŽIVČNIH STRUKTUR
Maja Malus in Zoran Pavasović, mentorja prof. dr. Lojze Vodovnik
in mag. Aneta Stefanovska, Univerzitetna Prešernova nagrada za leto 1990
Povzetek: Naloga predstavlja aplikativen in metodološki prispevek k izgradnji modela regeneracije perifernih živcev s pomočjo električne stimulacije. V prvi fazi smo zgradili programsko orodje za izračun specifičnih parametrov iz signalov, ki predstavljajo odzive mišic na različne tipe električnih stimulacij. Parametre električne stimulacije smo izbrali tako, da kar se da natančno posnemajo različno delovanje mišic. Signale smo pred uporabo interaktivno zgradili z eno od - za naš primer optimalnih - standardiziranih matematičnih gladilnih procedur ali s pravim matematičnim filtrom. Zgradili smo bazo podatkov (podatkovno strukturo) s pomočjo DBASE IV sistema, ki omogoča izvedbo analize, potrebnih pri snovanju logičnega modela mehanizmov interakcije med električnimi tokovi in živčnimi strukturami.
Temu je sledila statičnih analiza podatkov, dobljenih z doslej opravljenimi poskusi. Ta predstavlja časovno primerjavo sil tetanične kontrakcije plantarnih mišic denerviranih nog podgan, ki so bile sitmulirane s tremi različnimi tipi električne stimulacije. Rezultati govorijo v prid katodni stimulaciji (katoda distalno), ki skrajšuje čas regeneracije. Multivariatne analize, ki smo jih izvedli, omogočajo nov pogled na rezultate do sedaj izvedenih poskusov. Njihov pomen je v predstavitvi razlike med različno stimuliranimi skupinami - ob izolaciji časa. Vsaka enota (podgana) je predstavljena le z dvema vrednostma, ki določata lego enote v diskriminantnem prostoru. Ti vrednosti sta rezultat dveh linearnih modelov (enačb), katerih koeficienti so določeni tako, da maksimizirajo med skupinske in minimizirajo razlike znotraj skupine. Kvaliteto modelov smo za vsako podgano ocenili ločeno. Primerjali smo čas, potreben za dosego petdeset oziroma sto odstotne povrnitve sposobnosti mišične kontrakcije, in lego enote v diskriminantnem prostoru. Korelacija med lego in časom je visoka.
Nato smo se ukvarjali s študijem in z organizacijo parametrov (izbira in ureditev atributov in razredov) za uporabo programskega orodja za induktivno učenje odločitvenih pravil in formalizacijo znanja - ASSISTANT PROFESSIONAL. Logično drevo - kot njegov rezultat - potrjuje ohranjene hipoteze o pomembnosti posameznih parametrov pri regeneraciji perifernih živcev.
Možnosti za razvoj sistema so široke: od postavitve ekspertnega sistema, do študija s pomočjo nevronskih mrež. Kljub temu pričujoče delo predstavlja zaključeno in uporabno, celoto namenjeno nadaljnjim raziskavam, ki bodo v kratkem stekle v Laboratoriju za biokibernetiko Fakultete za elektrotehniko in računalništvo in na Inštitutu za patofiziologijo Medicinske fakultete, Univerze v Ljubljani.

MODELIRANJE CELJENJA RAN Z METODAMI NELINEARNIH DIFERENCIALNIH SISTEMOV IN
SAMOORGANIZACIJE
Blaž Zupan in Tatjana Šketa, mentorji prof. dr. Vojko Valenčič, prof. dr. Lojze Vodovnik in prof. dr Vito Starc, Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1990
Povzetek: V nalogi je obdelana problematika celjenja ran. Podan je fiziološki opis celjenja ran. Opisane so poenostavitve in uvedeni pojmi, ki združujejo posamezne elemente rane, ki so si funkcijsko podobni.
Predstavljeni so modeli, ki so izdelani na podlagi poenostavljene fiziologije celjenja ran in z uporabo različnih metod modeliranja. Ker dinamični modeli, opisani s sistemi navadnih diferencialnih enačb, ne nudijo možnosti prostorskega prikaza in analize rane, smo razvili metodo oddelčnega modeliranja, ki vsebuje elemente samoorganizacije.
Izdelan in predstavljen je sistem za oddelčno modeliranje sistemov. Združuje funkcije urejevalnika opisa modela, simulacijskega programa in grafičnega prikazovalnika poteka simulacij.
Izvedena je analiza izdelanih modelov in prikazani so rezultati računalniške simulacije modelov. rezultati simulacij so pokazali, da so si obnašanja modelov, ki so zgrajeni z uporabo dveh različnih metod modeliranja in izhajajo iz tistih fizioloških predpostavk, med seboj podobna.
Rezultate simulacije modelov smo primerjali z eksperimentalnimi podatki o časovnem poteku volumna rane. Eksperimentalni model rane so naredili raziskovalci iz Cleveland Clinic Foundation, Ohio, teoretično pa smo podatke obdelali tudi v Ljubljani. Modeli so napovedovali, da sta za čas celjenja rane pomembni hitrost celjenja in stopnja povečanja rane takoj po njenem nastanku. Eksperimentalni podatki so to napoved potrdili.

UČINKI ENOSMERNIH TOKOV NA HITROST REGENERACIJE PERIFERNIH ŽIVCEV
Pavel Cvirn in Peter Krošelj, mentorji prof. dr. Lojze Vodovnik, prof. dr. Miroslav Brzin
in mag. Aneta Stefanovska, Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1988
Povzetek: Poškodba perifernega živčevja in s tem denervacija mišic predstavlja velik klinični problem. Številnost raziskav učinkov elektromagnetnih polj in električnih tokov na rast in regeneracijo perifernih živcev priča o perspektivnosti in aktualnosti te metod. Predpostavlja se, da regeneracijo sprožijo notranji - endogeni tokovi ionov Na in Ca, ki predstavljajo odgovor celice na poškodbo. Od zunaj dovedeni tokovi fizioloških velikosti lahko pospešijo procese, ki jih povzročajo naravni tokovi.
Pojem popolne regeneracije vsebuje vraščanje živca in obnovo mišične funkcije. Na novo vraščen živec še ne zagotavlja, da bo funkcija popolnoma povrnjena. Zato je za oceno regeneracije pomembno doseženo funkcionalno stanje mišice. Prav to je bil vzrok, da smo se odločili vrednotiti učinke enosmernih električnih tokov s spremljanjem vračanja mišične funkcije.
Za stimulacijo ishiadičnega živca pri podgani smo izdelali implatabilni stimulator z bombažnimi wick elektrodami in izhodnim tokom do 0.6 uA. Za zajemanje in obdelavo izmerjenih rezultatov smo zgradili A - D pretvornik in pripravili ustrezno programsko opremo.
Kronična električna stimulacija je privedla do popolnega povratka funkcije četrti teden po denervaciji, kar je teden prej kot v primeru naravnega poteka regeneracije. Dobljeni rezultati so obetavni, vendar jih je zaradi majhne populacije potrebno preveriti s poglobljeno in razširjeno študijo.

VPLIV ELEKTRIČNEGA TOKA NA RAKAVA TKIVA
Stanka Magister in Andrej Glavič, mentorja prof. dr. Lojze Vodovnik
in prof. dr. Berta Jereb, Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1987
Povzetek: Način zdravljenja rakavih bolezni in odkrivanje novih možnosti so vse bolj aktualna tema tako na medicinskem, kot tudi na elektrotehniškem področju, kjer skušamo preko električnih zakonitosti, ki veljajo za biološke sisteme, vplivati na potek zdravljenja. Zanimanje za proučevanje električnih lastnosti bioloških sistemov se je v zadnjem času močno povečalo, prav tako se je povečala uporaba električnih tokov v diagnostične in terapevtske namene.
V terapevtske namene je predvsem uporabna električna stimulacija. Pokazali so se vzpodbudni rezultati na področju celjenja ran, zato sva izvedli poskus celjenja ran s pomočjo električne stimulacije na laboratorijskih podganah. Rezultati so bili zelo ugodni, daj so pokazali, da je učinek električne stimulacije na celjenje ran velik. V povprečju so se rane, ki sva jih stimulirali, celile enkrat hitreje.
Kot ena izmed električnih lastnosti bioloških sistemov se pojavlja električni potencial. Skušali sva ugotoviti spremembe potencialov med procesom celjenja ran in med procesom zdravljenja rakavih obolenj, saj obstaja korelacija med tema dvema procesoma. Merili sva površinsko, preko kože na bezgavkah in površinsko na karcinomu mehkega neba, z nepolariziranimi AgCl elektrodami. Ugotovili sva, da se potencial močno spreminja po velikosti, da pa v večini primerov velja, da je obolelo tkivo pozitivno glede na zdravo tkivo.
Ob najinem delu so se pojavljali problemi, ki odpirajo nove možnosti raziskav, predvsem pa je potrebno izboljšati merilno tehniko in stimulacijski pribor.

POSPEŠEVANJE RASTI IN REGENERACIJA BIOLOŠKIH SISTEMOV Z ELEKTRIČNIMI TOKOVI
David Križaj, Vojko Podlogar in Dejan Križaj, mentorji prof. dr. Lojze Vodovnik,
prof. dr. Nada Gogala in prof. dr. Matija Gogala, Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1986
Povzetek: Uporaba električne stimulacije se je v zadnjem desetletju zelo razširila v fiziologiji, kliniki, pogosto kot alternativa bolj invazivnega farmakološkega pristopa, ter celo v psihiatriji, tam včasih s priokusom etične vprašljivosti; manj utrte in bolj deviške pa so metode stimulacije, ki poskušajo razširiti, utrditi in preseči poznavanje organizacije procesov v bioloških sistemih.
Za čim bolj neposredno analizo učinkov električne stimulacije smo poskušali izbrati preprost sistem, katerega odzivi na dražljaje iz okolja bi bili dovolj poznani in na katerem bi bile morebitne morfološke spremembe vidne s prostim očesom. Izbrali smo proces kalitve solate, in izkazalo se je, da nas je pri tem vodila srečna roka.
Rastline je od 18. stoletja do današnjih dni stimuliralo z električnimi tokovi in polji veliko raziskovalcev, ki so v veliki večini primerov opisali take ali drugačne učinke stimulacije. Večina teh eksperimentov je potekala na prostem, v rastlinjakih, cvetličnih lončkih…. itd; ker je mikrookolje tal odločilno za rastlinsko rast in razvoj, se ni čuditi heterogenosti objavljenih rezultatov.
Zato smo se odločili, da bomo naše solatke gojili na definiranem mediju (agar DIFCO) in analizirali tako kemične parametre sistema (koncentracija hranilnih snovi, oz. ionov), kot električne (prevodnost sistema, nastalo električno polje), obenem pa izvedli formalno matematično analizo sistema.
Merilno metodo smo poenostavili tako, da še vedno relativno natančno opisuje resnične lastnosti agarja, zaradi nezahtevnosti pa bi bila primerna za številne biološke meritve.
Ugotovili smo, da sicer ne pride do bistvenih razlik v teži stimuliranih rastlin, pač pa se znatno spremenijo odnosi med posameznimi rastlinskimi deli - poveča se dolžina internodijev (40%), zmanjša dolžina korenin (30%). Ti rezultati so nakazali možnost regulatornih sprememb in premika dinamičnega ravnotežja v našem sistemu; ker je vsebnost ionov dokaj zanesljiv pokazatelj procesov, ki se dogajajo v rastlini (Pitman 1976, 1982, Clarkson 1981), smo se lotili tudi analize vsebnosti ionov. Rezultati so nas dokaj presenetili. Vsebnost kalija v stimuliranih rastlinah se je povečala za 425%, kalcija za 30%, zmanjšali pa sta se vsebnost natrija (50%) in fosfata (30%). Vsebnost ionov je odvisna od količine svetlobe.
Ob našem delu so se vsakodnevno pojavljali problemi, ki po našem mnenju odpirajo razburljive možnosti nadaljnjega interdisciplinarnega sodelovanja biologov in elektrotehnikov. Naše modele bi radi razširili v še bolj eksakten opis električnega dogajanja okoli rastlinskih korenin in interakcije endogenih električnih polj z umetno dodanimi 9 polji fizioloških jakosti. V vzporednih eksperimentih smo ugotovili tudi 50%, oz. 100% povečanje teže pri električni stimulaciji tkivnih kultur krompirja in gliv, zato razmišljamo o tem, da bi sledeče poskuse veljalo speljati tudi v biotehnološko smer. Prepričani smo namreč, da električni dogodki pomembno vplivajo na organizacijo procesov v naravi.

ZVOČNO MERJENJE MIŠIČNE AKTIVNOSTI
Renata Karba, mentor prof. dr. Tadej Bajd, Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1986
Povzetek: Mišični zvok nastaja pri krčenju posameznih mišičnih vlaken, ki pri majhnih spremembah obremenitve vibrirajo okrog vzdolžnih osi s frekvenco 25 Hz. Frekvenca 25 Hz odgovarja periodi 40 milisekund, kar je čas, potreben za ciklus porabe in ponovne regeneracije adenosintrifosfata. Množico mišičnih vlaken, ki tvorijo mišico, si lahko predstavljamo kot skupino oscilatorjev, ki vsi oscilirajo z isto frekvenco, vendar niso nujno v fazi. Te vibracije so vir tlačnih valov, ki nosijo zvok s frekvenco 25 Hz. Mišični zvok lahko registriramo s pomočjo elektronskega stetoskopa. Za prenos zvoka od mišice do mikrofona je nujno, da površina kože vibrira. Zvok prehaja skozi resonančni prostor stetoskopa, kjer se ojači, do mikrofona, ki ga spremeni v električni signal amplitude do 40 mV. Ta signal lahko filtriramo in merimo.
Pri meritvah sta bila uporabljena aktivni ozkopasovni filter s propustno frekvenco 25±2.5 Hz in Butherworthov visoko pasovni filter tretjega reda z lomno frekvenco 18 Hz. Njuna naloga je bila, izločiti okoliški hrup in zvok, povzročen z mehanskimi motnjami. Istočasno so bili merjeni EMG signal, sila mišične kontrakcije in mišični zvok. Korelacija med EMG signalom in zvokom je enaka nič. Amplituda signala, t.j. jakost zvoka, narašča s silo mišične kontrakcije. S pomočjo hitre Fourierove transformacije je bil določen frekvenčni spekter dobljenega signala.
Meritve so bile opravljene na mišicah gastrocnemius in soleus (mišice goleni).

ŠTUDIJ NOVIH PRINCIPOV IN TEHNOLOŠKA OPTIMIZACIJA IZHODNIH STOPENJ
GENERATORJEV ZA DRAŽENJE NEVROMUSKULARNIH SISTEMOV
Borut Likar, mentorja prof. dr. Alojz Kralj in prof. dr. Lojze Vodovnik,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1985
Povzetek: Razvoj znanosti, ki prehaja v tretjo znanstveno tehnološko revolucijo, je v veliki meri posegel tudi na terapevtska področja, ki so bila pred tem nedosegljiva kakovostnim izboljšavam. Iz mehaničnih pripomočkov invalidnim osebam so se v zadnjih desetletjih razvili elektronski in biokibernetski sistemi kot neposredna in učinkovita povezava med človekom in tehničnimi sistemi. S tem je tehnika posegla na področje humanizacije v medicinski etiki in človeškem dostojanstvu. Naloga, ki sem jo pripravil, je droben prispevek takim prizadevanjem.
Iskal sem prednosti, ki jih nudijo sodobni tehnični dosežki pri konstruiranju stimulacijske naprave.
Izdelal sem stimulator, sestavljen iz štirih osnovnih delov: DC/DC pretvornik, impulzne naprave, končne tokovne ali napetostne stopnje ter vmesnika, ki služi za galvansko ločitev te stopnje od impulzne narave. Vezje je grajeno tako, da je možno z obstoječimi osnovnimi deli preprosto sestaviti večkanalni stimulator, pri tem pa je treba uporabiti zmogljivejšo impulzno napravo. Velike možnosti nudi tudi krmiljenje z mikroračunalnikom, ki že sedaj v nekaterih primerih uspešno nadomešča impulzno napravo. Pretvornik deluje le v času stimulacijskega impulza, s čimer se močno poveča izkoristek v primerjavi z izkoristkom trajno delujočega pretvornika. Natančna energetska analiza je prikazana v nadaljevanju naloge.
Stimulator nudi možnost bipolarnih impulzov, pravokotne in žagaste oblike, možnost spreminjanja ponavljalne frekvence kot tudi nastavljive dolžine impulzov ter pavze med pozitivnim in negativnim delom stimulacijskega impulza. Izbiramo lahko med trajnim delovanjem in impulznim paketom nastavljive dolžine.
Vezje vsebuje zmožnost spoznavanja prepovedanih kombinacij parametrov, signalizacijo ter v tem primeru ustavitev delovanja DC/DC pretvornika.

UNIVERZALNI MODUL ZA MERJENJE SPREMEMB UPORNOSTI V MOSTIČNIH VEZAVAH
Damijan Miklavčič, mentor prof. dr. Stanislav Reberšek,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1985
Povzetek: Ob mehanskih spremembah posameznih strojnih delov oziroma sklopov nas često zanimajo sile in momenti, katerim so le-ti izpostavljeni. Ob nastali deformaciji materialov se spremenijo tudi njihove električne lastnosti (npr. upornost) iz te pa moremo sklepati preko enolične povezave nazaj na nastalo deformacijo in sile ter momente, ki so jo povzročile. Ta princip merjenja sil in momentov je danes zelo razširjen, predvsem pa merilna tehnika teži za tem, da smo zmožni uporabiti že zelo majhne spremembe upornosti (deformacije) za določitev delujočih sil in momentov. V ta namen potrebujemo velika ojačenja električnih signalov.
Koristnost in uporaba univerzalnega modula za merjenje sprememb upornosti v mostičnih vezavah je bila že v času konstruiranja zagotovljena, saj taki ojačevalniki na našem trgu niso dostopni, predstavljeni modul pa lahko zadosti omenjenim potrebam. Sestavljen je iz dveh delov: ojačevalnika in napajalnika.
Ojačevalnik ima diferenčni vhod in napetostni ter tokovni izhod. Ta dva izhoda nam omogočata kar najširši izbor merilnikov, na katerih lahko opazujemo merjenje vrednosti. Napajalnik pa nam zagotavlja stabilne napajalne napetosti za odjemna mesta obenem pa napaja tudi ojačevalnik.

MOŽNOST RAZVOJA IMPLATIBILNEGA STIMULATORJA ZA DENERVIRANE MIŠICE
Ivan Čibej, mentor prof. dr. Lojze Vodovnik,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1981
Povzetek: Na izhodu električnega stimulatorja za denervirane in atrofirane mišice z napetostno in tokovno izhodno stopnjo dobimo poljubne enosmerne in izmenične impulze v frekvenčnem območju od 0 - 10 kHz. Maksimalna izhodna napetost (napetostna izhodna stopnja) zadostuje za stimulacijo denerviranih mišic.
Eksperimenti na pacientih so potrdili predpostavko, da elektroterapija uspešno zadržuje proces atrofije in degeneracije mišice.
Optimalni impulzi z vidika učinkovitosti na pacienta so pravokotni enosmerni impulzi pri frekvenci med 15 Hz in 17 Hz (pri tem je čas trajanja impulza T1 enak času pavze T2) in pri čim večji amplitudi toka, ki pacientu še ne povzroča bolečine.
Optimalni impulzi z vidika funkcionalne električne stimulacije so prav tako pravokotni enosmerni impulzi pri čim večji amplitudi toka, ko pacient še ne čuti bolečine in čim krajšem času trajanja impulza TI, pri čemer moramo paziti, da ne bo frekvenca nikoli večja od 17 Hz. Čas pavze T2 je torej večji od časa trajanja impulza T1.
Skupen optimum je torej pri pravokotnih enosmernih impulzih s čim večjo amplitudo toka, ki ne povzroča bolečine, čim krajšem času trajanja impulza T1, ki pa še vedno povzroči zadovoljiv gib in frekvenco, ki ne bo večja od 17 Hz (T1 < T2) in obenem še omogočala tetanično kontrakcijo.
Točno določevanje optimalnih parametrov stimulacijskih impulzov pa je odvisno od vsakega posameznega pacienta.
Meritve so obenem pokazale, da je možen razvoj klinično sprejemljivih metod funkcionalne električne stimulacije. Predlagam natančnejšo študijo razvoja funkcionalne električne stimulacije z implantiranimi elektrodami.

IMPLANTIBILNI ELEKTRONSKI STIMULATOR
Borut Kelih, mentorja prof. dr. Lojze Vodovnik in as. mag. Primož Strojnik,
Univerzitetna Prešernova nagrada za leto 1981
Povzetek: Med napredne metode rehabilitacije pacientov z delno ali povsem ohromelimi mišicami, ki nastajajo zaradi okvar živčnega sistema, štejemo funkcionalno električno stimulacijo. Draženje mišic ali ustreznih živcev s primerno oblikovanimi električnimi impulzi lahko povzroči podoben gib hromega telesa, kot bi ga lahko dosegel zdrav človek s svojo zavestno voljo.
Splošna prizadetost in nebogljenost pacientov je vodila raziskovalce v vedno bolj avtonomne stimulacijske sisteme. Tako je preko površinskih in implantibilnih stimulatorjev, ki pa še vedno rabijo zunanji krmilni del, prišlo do ideje samostojnega implantibilnega elektronskega stimulatorja. Ta lahko brez zunanjega krmiljenja in napajanja samostojno določa vse parametre stimulacije.
V obravnavanem delu je opisana realizacija elektronskega vezja, sestavljenega iz komercialno dosegljivih elektronskih elementov, v katerega je mogoče preko dveh telemetričnih komunikacijskih kanalov vpisati vse parametre stimulacije. Ob zahtevanem trenutku moremo iz vezja priklicati stimulacijsko sekvenco in s tem sprožiti programirani gib. Posebna pozornost je posvečena čim manjši porabi vezja, široki uporabnosti in minimizaciji komponent. Vezje je namenjeno za implantacijo, predvsem je daljinsko upravljanje, za njegovo napajanje pa zadošča ena litijeva celica. Predvidena doba delovanja ob normalni uporabi je 10 let.

ELEKTRONSKI MODEL NEVRONA
Marjan Prevc, mentor prof. dr. Lojze Vodovnik,
Univerzitetna Prešernova nagrada za leto 1980
Povzetek: Razvoj elektronskih elementov je omogočil, da lahko z enostavnimi vezji ponazorimo živčno celico in prevajanje impulzov med njimi. Možno je tudi izdelati elektronski model spremenljive sinaptične uteži s pomočjo analognega množilnika in spomina. Te elektronske modele lahko med seboj povežemo v trinevronski model, kar je prikazano v naslednjih poglavjih. S takim modelom lahko razložimo patološke pojave v živčno-mišičnem sistemu. Tako smo pokazali razlago zmanjšanja spastičnosti in paretičnosti z električno stimulacijo. Prva razlaga temelji na nelinearni karakteristiki nevrona, druga pa na spreminjanju sinaptične uteži zaradi dejavnosti sinapse.

ELEKTRONSKI MERILNIK SPASTIČNOSTI
Marko Breskvar, mentor prof. dr. Lojze Vodovnik,
Fakultetna Prešernova nagrada za leto 1979
Povzetek: Spastičnost je posebno stanje fiziološkega sistema, ki navadno nastane pri mehanski poškodbi živega telesa. Po kratkem uvodu, v katerem najdemo najnujnejše pojme za obravnavo tega področja biokibernetike, sledi model spastičnosti in opis nekaj splošnih metod za zdravljenje ali vsaj omilitev spastičnosti. Sledi ideja za elektronsko merjenje spastičnih efektov na osnovi zajetja mehanskih sil pri razgibavanju spastične roke in noge. Pri tem sta bili uporabljeni elektronsko krmiljeni upornici za periodično razgibavanje roke in noge. Posebna poglavja opisujejo razvoj odjemnika in pretvornika mehanske sile v električno energijo in konstrukcijo elektronskega vezja za analogni in digitalni prikaz informacije. Sledi opis meritev in študija karakterističnih parametrov merilnika. Sprva so bile meritve izvedene na zdravi nogi in roki v svojem normalnem delovanju, kot tudi v simuliranih spastičnih razmerah. Sledile so meritve na spastičnem pacientu in dokazale, da je spastičnost merljiva, kar je bilo do sedaj še sporno vprašanje v naši vsakdanji terapevtski praksi. Merilnik je bil izdelan v Laboratoriju za biokibernetiko na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani.

ŠTIRIKANALNI RADIOFREKVENČNO UPRAVLJANI IMPLANTIBILNI ELEKTRIČNI STIMULATOR ZA KONTROLO EKSTREMITET
Joško Strniša, mentorja prof. dr. Lojze Vodovnik in as. mag. Primož Strojnik,
Univerzitetna Prešernova nagrada za leto 1978

UPORABA FUNKCIONALNE ELEKTRIČNE STIMULACIJE NA PARAPLEGIKIH
Drago Presker, mentor prof. dr. Lojze Vodovnik, Univerzitetna Prešernova nagrada za leto 1973

PROBLEMI TELESTIMULACIJE MIŠIČNO SKELETNIH SISTEMOV
Primož Strojnik, mentor prof. dr. Lojze Vodovnik, Univerzitetna Prešernova nagrada za leto 1972

SINTEZA REGULATORJA Z ANTAGONISTIČNIM PAROM MIŠIC
Uroš Stanič, mentor prof. dr. Lojze Vodovnik, Univerzitetna Prešernova nagrada za leto 1971

STIMULATORJI ZA DENERVIRANE ŽIVČNO-MIŠIČNE SISTEME
Peter Knego, mentor prof. dr. Lojze Vodovnik, Univerzitetna Prešernova nagrada za leto 1970

MATEMATIČNO MODELIRANJE REFLEKSNEGA LOKA
Janez Sever, mentor prof. dr. Lojze Vodovnik, Univerzitetna Prešernova nagrada za leto 1969

KRMILJENA ELEKTRONSKA PERONEALNA OPORNICA
Stanislav Reberšek, mentor prof. dr. Lojze Vodovnik, Univerzitetna Prešernova nagrada za leto 1968