Institut für Biomedizinische Elektronik


Am Institut für Biomedizinische Elektronik wird die Kopplung von elektronischen Komponenten (Sensoren, Stimulatoren) mit biologischer Materie (Zellen, Gewebe, Mensch) untersucht, mit dem Ziel verbesserte Strategien zur Heilung von Krankheiten zu finden.

Deshalb forschen wir an in-vitro-, in-vivo- und in-silico-Systemen für biomedizinische Anwendungen. Wir entwickeln 3D gedruckte Biosensoren und neue Hardwarekonzepte für die Diagnostik und Therapie. Ein dritter Schwerpunkt adressiert die Modellierung von Biosystemen und die biomedizinische Signalverarbeitung dynamischer, multimodaler und hochdimensionaler Daten.

In der Lehre betreut das Institut für Biomedizinische Elektronik Lehrveranstaltungen zu den Grundlagen der Elektrotechnik (Bachelorstudium) sowie im interfakultären Masterstudium „Biomedical Engineering“ an der TU Wien. Der Studiendekan von „Biomedical Engineering“ ist am Institut beheimatet.

Unsere Forschung lässt sich in zwei Themen untergliedern: „Biomedizinische Elektronik und Systeme“ sowie „Biomedizinische Sensorik und Therapie“.

Biomedizinische Elektronik und Systeme

Die Forschungsgruppe Biomedizinische Elektronik und Systeme entwickelt elektronische Systeme und Methoden zur elektrischen Charakterisierung biologischer Zellen und moderner In‑vitro‑Modelle. Der Fokus liegt auf der Verbindung von Mikroelektronik, Sensorik und biomedizinischen Lab-on-Chip Anwendungen.

Ein zentrales Forschungsthema sind Mikroelektrodenarrays (MEAs) für die Detektion, Stimulation und Analyse elektrogener Zellen, insbesondere von Neuronen. Komplementär werden 3D‑gedruckten MEAs entwickelt, die eine verbesserte Interaktion mit dreidimensionalen Zellkulturen und Gewebemodellen ermöglichen. Die mit additive Fertigungsverfahren (u.a. Ink-Jet, Ultra-High dispensing) hergestellten MEAs erlauben eine bessere Anpassung an komplexe biologische Strukturen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die elektrische Impedanzspektroskopie für die nicht‑invasive, label‑freie Untersuchung von Sphäroiden und Organoiden. Die genannten Fragestellungen werden experimentell mittels Patch‑Clamp, CMOS‑basierte HD‑MEAs, flexible MEAs sowie mikroskopische Verfahren adressiert.

Komplementär zu experimentellen Methoden werden computergestützte Modelle zur Beschreibung der Kopplung von (Nerven)gewebe in elektrischen Feldern entwickelt.

Durch die enge Kombination von Elektronikdesign, additiver Fertigung und biologischen Modellsystemen leistet die Forschungsgruppe einen Beitrag zur Weiterentwicklung moderner bioelektronischer Messsysteme für Forschung und angewandte biomedizinische Technologien.

Biomedizinische Sensorik und Therapie

Der Forschungsbereich beinhaltet diagnostische und therapeutische Ansätze sowie deren Individualisierung im geschlossenen Regelkreis, bekannt als Theranostik. In der Diagnostik werden elektrische, akustische, optische und magnetoelastische multiparametrische Sensoren für die Point-of-Care-Diagnostik entwickelt, wie z.B. für die Schlafüberwachung, Erfassung der neuartigen Anästhesiefitness, Schmerz- und Fitnessüberwachung, sowie Apnoedetektion und Herzratenvariabilitätsanalyse. Die elektrische Impedanztomographie wurde für eine neuartige individuelle Einstellung von Lungenbeatmungsgeräten und die Überwachung der Hämodynamik auf Intensivstationen entwickelt.

In der Therapie und Theranostik wird schwerpunktmäßig die Neuromodulation beforscht, im Speziellen die perkutane elektrische Stimulation des aurikulären Vagusnervs (die „elektrische Pille“). Das Ziel ist eine personalisierte auf die eigenen Biorhythmen zu jedem Zeitpunkt adaptierte Therapie bei chronischen Schmerzen, peripheren arteriellen Erkrankungen und sogar bei der Abheilung diabetischer chronischer Wunden durch Verringerung lokaler und systemischer Entzündungen zu ermöglichen. Es werden in-vivo und in-silico Untersuchungen durchgeführt.

Die Modellierung physiologischer Signale und Systeme erfolgt z.B. für das freiwillige Atemanhalten und die damit verbundene dynamische Bewertung der physiologischen Fitness – relevant für die objektive Einschätzung der perioperativen Risiken – durchgeführt. Diese wird durch die experimentelle Überwachung der Tauchpathophysiologie unterstützt. Es werden Analysen der Herzfrequenzvariabilität (z.B. als prognostischer patentierter Faktor für das perioperatives Geschehen) durchgeführt, sowie Pulswellenanalysen und individuelle perioperative Fitnessreserveüberwachung.

Projekte und Beispiele aktueller Forschung

Am Institut für Biomedizinische Elektronik wurden seit seiner Gründung drittmittel-finanzierte nationale und internationale Projekte bearbeitet, die die breiten Anwendungsmöglichkeiten biomedizinischer Elektronik illustrieren. 

  • „ELEVATE“: Internationales Projekt, in dem eine bioelektronische Plattform als präklinisches Testsystem für personalisierte Krebstherapie entwickelt wurde.
  • „enTRAIN Vision“: Internationales Projekt zu Technologien für die Wiederherstellung von einfachen Seheindrücken bei blinden Patienten.
  • „BioDivRe“ – Nationales Projekt zur biophysikalischen Diversität in retinalen Ganglienzellen, in dem unterschiedliche zelluläre neuronalen Eigenschaften untersucht wurden.
  • „MCoilCI“: Internationales Projekt zur Entwicklung eines magnetbasierten Cochlea-Implantats zur verbesserten Hörwiedergabe.
  • „In-silico VNS“: Internationales Projekt zur Modellierung der Vagus Nerv Stimulation am Hals unter Verwendung von temporaler Interferenzstimulation.
  • „AuriMod“: EU-Projekt zur Entwicklung eines tragbaren Neurostimulators zur personalisierten Schmerzbehandlung.

Zusätzlich veröffentlicht das Institut regelmäßig in Fachzeitschriften und präsentiert Forschungsergebnisse auf internationalen Tagungen, beispielsweise zu Stimulationsmethoden mit elektrischen und optischen Methoden, zum Thema „electrical imaging“ für das nichtinvasive Monitoring elektrogener Zelltypen, von Krebszellen und von Zell-Aggregaten (Sphäroiden, Organoide) oder zu zellspezifischer neuronaler Stimulation.

Lehre

Das Institut für Biomedizinische Elektronik verantwortet die zwei-semestrige deutschsprachige Einführungslehrveranstaltungen zu „Elektrotechnik“ für Bachelorstudierende. Diese beinhalten Vorlesungen, Pflicht-Rechenübungen und Laborpraktika. Für Bachelorstudierende der Elektrotechnik bietet werden Wahlpflichtkurse im Bereich der biomedizinischen Technik angeboten.

Für Master- und Doktorats Studierende an der TU Wien werden insbesondere englischsprachige Lehrveranstaltungen aus dem Bereich der Biomedizinischen Technik angeboten. Das sind Vorlesungen, Übungen und Praktika zu „Biomedical Sensors and Signals“, „Biomedizinische Technik“, „Biophysik“, „Computational Methods in Neural Engineering“, „Funktioneller Elektrostimulation“, sowie internationale Kurse zu neurotechnologischen Anwendungen („Neurotechnology: Bioelectric and Computational Foundations“).

Mitwirkende

Professoren

Günther Zeck: Die Prämisse der Forschung von Günther Zeck, ordentlicher Professor und Vorstand am Institut für Biomedizinische Elektronik, ist, dass technische Systeme biologische Funktionen überwachen, steuern und bei unerwünschten Veränderungen zur Heilung beitragen können. Dies wird möglich, wenn sie dieselbe „Sprache“ sprechen, nämlich die der elektrischen Signale. Aus dieser Prämisse entspringt seine Begeisterung für bioelektronische Systeme, wie die Nerv-Chip Kopplung und die Entwicklung derselben zu retinalen Implantaten oder zu präklinisches Testsysteme für personalisierte Therapien. Diese Themen sind in Forschungsprojekten abgebildet, welche er seit seiner Berufung an die TU Wien 2020 begeistert verfolgt. In der Lehre verantwortet er mit einem Team engagierter MitarbeiterInnen „Grundlagen der Elektrotechnik“ sowie vertiefende Lehre der biomedizinischen Elektronik. Er ist Mitglied des Vorstands der Österreichischen Gesellschaft für Biomedizintechnik.

Eugenijus Kaniusas: Mit seiner Leidenschaft, Technologie und Medizin miteinander zu verbinden, verknüpft Eugenijus Kaniusas, Universitätsprofessor für Biomedizintechnik und Studiendekan des Masterstudiums Biomedical Engineering an der TU Wien, diagnostische und therapeutische Ansätze, um zu einer wirklich personalisierten bioelektrischen Medizin zu gelangen, mit der beispielsweise chronische Schmerzen im Herzrhythmus behandelt werden können. Der in Litauen geborene und in Österreich ausgebildete Wissenschaftler ist am neu gegründeten Institut für Biomedizinische Elektronik tätig, um interdisziplinäre Denker anzuziehen und auszubilden. Seine aktuellen Forschungsgebiete umfassen die Stimulation des Vagusnervs im Ohr, Prothetik, perioperative Überwachung, Empathievermessung und tragbare theranostische Geräte, die aktiv werden, wenn die Physiologie endet und die Pathologie beginnt. Eugenijus Kaniusas widmet sich der forschungsgeleiteten Lehre in den Bereichen biomedizinische Sensoren, Instrumentierung und Biophysik, gestützt durch seine drei Springer Buchbände zu Biomedical Signals and Sensors.

Laufbahnstelleninhaber

Paul Werginz: Als Laufbahnstelleninhaber am Institut für Biomedizinische Elektronik ist es das Ziel von Paul Werginz durch die Kombination aus computergestützten und experimentellen Methoden die Entstehung und Weiterleitung von elektrischen Biosignalen zu erforschen. Besonders am Herzen liegt ihm die Verbesserung der Widerherstellung von sensorischen Eindrücken durch Elektrostimulation wie in Netzhaut- oder Innenohrimplantaten. Dazu durchgeführte Forschungsarbeiten basieren auf der Vermessung und Stimulation einzelner Nervenzellen, um bessere Stimulationsstrategien in der Neuroprothetik zu entwickeln. In der Lehre ist Paul Werginz in den Bereichen computergestützter Methoden, Bioelektrizität und Neurotechnologie tätig und Mitglied in der Studienkommission „Biomedizinische Technik“.