Fachhochschule Technikum Wien
Höchstädtplatz 5, 1200 Wien

Signal Acquisition and Analysis

Ziele/Motive/Ausgangslage

Da diese Lehrveranstaltung im 4. Semester des Bachelorstudiums Biomedical Engineering stattfindet, verfügen die Studierenden zu diesem Zeitpunkt über die Grundlagen der Elektronik, Anatomie, Physiologie, Informatik und Signalerfassung. Der Kurs baut auf dieses Grundlagenwissen auf, erweitert das Spektrum der Wissensbereiche der Studierenden, fördert den interaktiven Wissensaustausch und steigert die Erfahrung der Studierenden im Spannungsfeld zwischen Mensch und Technik.

Ziel der Lehrveranstaltung ist, den Studierenden die Grundlagen und Anwendungen der Biosignalerfassung und -analyse anhand praktischer Beispiele näher zu bringen und ihnen eine Möglichkeit zu bieten, mit Peers die Erfahrungen auszutauschen.

Die Unterrichtssprache in diesem Studienabschnitt ist Englisch. Dadurch wird das Arbeiten mit englischsprachiger Fachliteratur gestärkt, das Fachvokabular gefestigt und die Belegung durch Incoming-Studierende außerhalb des deutschen Sprachraums ermöglicht, wodurch die Lehrveranstaltung um eine interkulturelle Komponente wächst.

Kurzzusammenfassung des Projekts in deutscher Sprache

Die Lehrveranstaltung behandelt die Themen “Signal Acquisition” und “Analysis”, welche jeweils einen theoretischen und einen praktischen Teil enthalten. Die Corona-Pandemie erfordert eine Umstellung auf Distance Learning. Es wechseln sich synchrone Online-Präsenzen zu den Grundlageninhalten der Biosignalerfassung und -verarbeitung und asynchron organisierte Umsetzungsphasen in Form von Datenerfassung im Labor und deren Analyse in Projektarbeiten ab. Zusätzlich haben die Studierenden die Aufgabe, neue facheinschlägige Entwicklungen eigenständig zu recherchieren und im Format einer wissenschaftlichen Konferenz zu präsentieren. Die digitale Kompetenz der Studierenden wird durch eine parallele Moderationsrolle gestärkt. Bei den Projektarbeiten wird die Methode des „Pair Programmings” (eine etablierte Methode der agilen Softwareentwicklung) angewandt. Mithilfe von Screen-sharing und Break-out Sessions kann eine deutliche Verbesserung im kollaborativen Programmieren erzielt werden.

Die Leistungsbeurteilung der Studierenden beinhaltet die wissenschaftliche und technische Qualität der Projektarbeiten und deren Präsentation sowie die Vortragenden- und Moderator*innenrolle während der abgehaltenen Konferenz. Dadurch trägt das neue Format dieser Lehrveranstaltung dazu bei, sowohl den technischen Wissensstand als auch die digitale und soziale Kompetenz der Studierenden zu steigern.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

The course covers the topics "Signal Acquisition" and "Analysis", each containing a theoretical and a practical part. The Corona pandemic requires a switch to Distance Learning. Synchronous online seminars covering the theoretical basics of biosignal acquisition and processing alternate with asynchronously organized execution phases in the form of data acquisition in the laboratory and their analysis in project works. In addition, bleeding edge developments must be researched by the students and presented in the format of a scientific conference. The students' digital literacy is strengthened by a parallel moderator role. The method of "pair programming" (an established method of agile software development) is used for the project works. With the help of screen-sharing and break-out sessions, a significant improvement in collaborative programming can be achieved.

The performance assessment of the students includes the scientific and technical quality of the project work and its presentation as well as the speaker and moderator role during the conference. Thus, the new format of this course helps to increase both the technical knowledge level and the digital and social competence of the students.

Nähere Beschreibung des Projekts

Die Lehrveranstaltung „Signal Acquisition & Analysis“ ist Teil der Spezialisierungsrichtung „Medical Imaging & Data Engineering“ im 4. Semester des Bachelorstudiengangs „Biomedical Engineering“ an der FH Technikum Wien und umfasst einen Arbeitsaufwand von 5 ECTS. Rund 20 Studierende wählen üblicherweise die betreffende Spezialisierungsrichtung, wobei aufgrund der englischen Unterrichtssprache bis zu 5 zusätzliche Incoming-Plätze besetzt werden können. Voraussetzung für die Teilnahme an der Lehrveranstaltung ist die Kenntnis der Grundlagen in den Bereichen Elektronik, Anatomie, Physiologie, Informatik und Messtechnik. Basierend darauf werden den Studierenden im Rahmen der Lehrveranstaltung sowohl theoretisches Grundlagenwissen als auch dessen praktische Anwendungen nahegebracht.

 

Nach positiv absolvierter Lehrveranstaltung sind die Studierenden in der Lage,

• die Entstehung von Biosignalen im menschlichen Körper zu beschreiben,

• eine sichere Messung von elektrischen Biosignalen durchzuführen,

• facheinschlägige wissenschaftliche Literatur aufzuarbeiten und zu präsentieren,

• Konzepte der Signalverarbeitung auf Problemstellungen der Biosignalanalyse anzuwenden,

• technische Lösungen in Kleingruppen zu erarbeiten,

• sowohl die Präsentatoren- als auch Moderatorenrolle in Konferenzen einzunehmen.

 

Für die Studierenden gliedert sich der zeitliche Ablauf der Lehrveranstaltung in folgende Teile:

• Information durch Lektor*innen über Ziele der Lehrveranstaltung und Beurteilungskriterien

• 4 Wochen regelmäßige Vorlesung zu folgenden Themen:

o Physiologie und Biosignale : Definition und Entstehung eines Biosignals, Klassifikation von Biosignalen, Physiologische Grundlagen, Messung und Aussagekraft ausgewählter Biosignale (Elektrokardiographie (EKG), Herztonmessung, Elektroenzephalographie (EEG), Elektromyographie (EMG), Puls-Plethysmographie, Pulsoxymetrie, Elektrookulographie (EOG), Bioimpedanzmessung)

o Elektroden und Sicherheit: Elektrodenarten, Elektroden-Haut-Schnittstelle, Elektrische Sicherheit von medizinischen Geräten (Klassifikation und Risiken für

Patient*innen)

o Elektronik für Biosignalmessung : Operationsverstärker, Filter, Instrumentenverstärker, Beispiel eines einfachen Biosignalverstärkers, Fortgeschrittenere Verstärkerschaltungen

o Einführung in die Neurowissenschaft: Fakten über das Gehirn, Messparameter, Funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI)

• Aus dem Themenkomplex der Theorieinhalte recherchieren die Studierenden zu aktuellen Entwicklungen und wählen ein Präsentationsthema auf Basis einer wissenschaftlichen Publikation

• Die Studierenden präsentieren das eigene Thema in Stil und Format einer dreitägigen wissenschaftlichen Fachkonferenz. Dadurch erlernen die Studierenden neben der Präsentation auch den Ablauf und die Rolle des Conference Chair, welcher die Sessions einleitet und eine fachliche Diskussion moderiert.

• Für den zweiten Thementeil der Lehrveranstaltung, die Signalanalyse, wählen die Studierenden in Gruppen ein Projekt.

• Biosignalaufnahme im Labor für spätere allgemeine und projektspezifische Analyse

• 4 Wochen regelmäßige Vorlesung zu folgenden Themen:

o Code Documentation

o Signale in Zeit- und Frequenzbereich: Mathematische Methoden der fast-Fourier Transformation (FFT), inversen FFT (iFFT) und Short time FFT (ST-FFT),

Frequenzfilter, Demonstration an Biosignalen durch Analyse der Spektren der Herztöne und der Herzratenvariabilität (HRV)

o Statistische Filter am Beispiel der Independent Component Analysis (ICA)

o Datenvisualisierung: 3D-Visualisierung, einfache Animationen, Visualisierungsmethoden für Problemstellungen im Machine Learning

o Extraktion von Signalmerkmalen: weitere Methoden zur Analyse der Periodizität von Signalen, automatische Annotation von R-Spitzen in EKG-Signalen, Demonstration in der Anwendung der Analyse der respiratorischen Sinusarrhythmie (RSA), d.h. der Extraktion der Atemfrequenz aus einem EKG Signal

o Grundlagen von Machine Learning für Anwendungen in der Signalverarbeitung: Anwendung der erarbeiten Methoden zur Vorverarbeitung und Feature Selection für Machine Learning Aufgaben, Anwendung von Machine Learning Algorithmen, Validierung von Klassifikationsergebnissen

• Arbeit an Projekten: synchron, wöchentliche Termine für Unterstützung durch Lektor*innen, dazwischen asynchrone selbständige Arbeit in Gruppen unter Anwendung der Methode des “Pair Programmings”.

• Nach Absprache Testmöglichkeit im Labor

• Abgabe der Projektergebnisse (Code, Report, Präsentationsfolien)

• Projektpräsentation

 

Die Organisation dieses Kurses erfolgt über die Moodle-Plattform der Fachhochschule. Diese technische Lösung ermöglicht die Realisierung der synchronen, wie auch asynchronen Lehre, welche in diesem Kurs Anwendung finden. Die den Studierenden zur Verfügung gestellten Unterlagen bestehen aus Foliensätzen (vor allem für die synchronen Lehrabschnitte), Videos (als Anleitungen und Wiederholungsmaterial) und Literaturempfehlungen (für tieferreichende Recherche und Auseinandersetzung mit den unterschiedlichen Themenbereichen). Die synchronen Lehrphasen beinhalten die Vortragseinheiten, die Präsentationen sowie die Besprechungen mit den Studierendengruppen und werden online über das Conferencing-Tool Zoom abgewickelt. Ebenso zu den synchronen Phasen zählen die Laboreinheiten. Diese finden als nicht-substituierbare Lehre in den Laboratorien der Fachhochschule statt, da dabei vor-Ort installierte Software und Messequipment benötigt wird. Ein Teil der asynchronen Bestandteile des Kurses besteht aus den einzelnen Projektarbeiten. Dafür wird die Methode des „Pair Programmings” (eine etablierte Methode der agilen Softwareentwicklung) angewendet, wobei dank Screen-sharing und Break-out Sessions eine deutliche Verbesserung im kollaborativen Programmieren erreicht werden kann. Das zweite Element der asynchron organisierten Lernphasen besteht in der individuellen Vorbereitung des Konferenzvortrags. Dabei werden eigenständige Literaturrecherche und die Grundlagen wissenschaftlichen Arbeitens angewendet und geübt.

Die Anwesenheitsregelung für diese Lehrveranstaltung ist nach der gültigen Fassung der Satzung der FH Technikum Wien geregelt und besteht aus 80% Anwesenheitspflicht beim Theorie-fokussierten Vorlesungsteil, und 100% Anwesenheitspflicht während der Präsentationen sowie der Laboreinheiten. Die Studierenden werden über die Anwesenheitsregelung sowie das Beurteilungsschema in einem eigenen Block am Beginn des Moodle-Kurses informiert. Der Leistungsnachweis setzt sich aus den einzelnen Teilen der Lehrveranstaltung zusammen. Für die Beurteilung entfallen 50% auf die individuelle Leistung bei der Konferenz und 50% in Form einer Gruppennote auf die Projektarbeit und Präsentation. Um die Lehrveranstaltung positiv abzuschließen, müssen beide Teile positiv absolviert werden. Sollten ein oder beide Teile negativ sein, müssen innerhalb der gegebenen Nachfrist entsprechende Ersatzleistungen erbracht werden.

Dieser Kurs wird nach den geltenden Prozessen der Qualitätssicherung der Lehre an der FH Technikum Wien regelmäßig durch die Studierenden mit Hilfe anonymen Feedbacks evaluiert. Zusätzlich steht den Studierenden frei, über das gemeinsame Moodle-Forum oder durch direkten Kontakt mit den Lehrenden auch abseits davon Feedback zu geben und Anregungen einzubringen.

Mehrwert

Für die Studierenden ergibt sich folgender Mehrwert:

- Steigerung der digitalen und sozialen Kompetenz

- Arbeiten in Peer-Gruppen

- Trotz teilweiser Fernlehre eigenständiges sowie auch gruppenbasiertes Arbeiten (Bsp. Pair-Programming über Screen-sharing)

- Interkultureller Austausch durch Incoming-Studierende.

 

Für Lehrende ergibt sich folgender Mehrwert:

- mehr Zeit zur Betreuung der Studierenden durch regelmäßige eigenverantwortliche Vorbereitung durch die Studierenden

- höheres Wissensniveau als Ausgangsbasis gegeben durch Peer-Arbeiten der Studierenden

- erweiterte Feedbackmöglichkeiten und kollaborative Kursweiterentwicklung.

Übertragbarkeit/Nachhaltigkeit

Das Konzept lässt sich auf alle Lehrveranstaltungen mit einem praktischen Übungsteil anwenden, sofern die Anzahl der für das Labor benötigten Lehreeinheiten zur Verfügung gestellt werden können. Durch die Integration von Distance Learning Methoden ist dieses Konzept auch für andere Lehrsituationen (Vollzeit/Berufsbegleitend) anwendbar.

Das Konzept der Präsentation im Format einer wissenschaftlichen Konferenz lässt sich auf eine Vielzahl von Lehrveranstaltungen anwenden bzw. kann als Erweiterung des oft verwendeten einfachen Präsentationsformats gesehen werden. Das wissenschaftliche Setting und die zusätzliche Moderatorenrolle bieten den Studierenden Abwechslung und stärken ihre Kompetenzen.

Dieses Gesamtkonzept findet im Bachelor Biomedical Engineering bereits jetzt Anwendung und wird in weiteren Lehrveranstaltungsüberarbeitungen miteinbezogen.

Aufwand

Das Konzept dieser Lehrveranstaltung wurde partiell im Rahmen eines FH-weiten Studiengangs-Weiterentwicklungsprojekts erstellt und umgesetzt. Die dafür verwendete Zeit kann durch die nachhaltige Nutzbarkeit dieses Konzepts in anderen Lehrveranstaltungen wieder eingebracht werden. Die Aufwände, die durch die Pandemie-bedingten Umstellungen aufgebracht werden mussten, sind FH-weit zu betrachten und daher nicht unmittelbar diesem Projekt zuzuordnen.

Positionierung des Lehrangebots

Bachelorstudiengang Biomedical Engineering, 4. Semester, Spezialisierungsrichtung "Medical Imaging & Data Engineering"

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2021 nominiert.
Ars Docendi
2021
Kategorie: Methoden des Distance Learning und deren nachhaltiger Einsatz
Ansprechperson
Dipl.-Ing. Andrea Balz
Kompetenzfeld Medical Engineering & Integrated Healthcare
+43 1 333 40 77 - 8845
Nominierte Person(en)
Dipl.-Ing. Andrea Balz
Kompetenzfeld Medical Engineering & Integrated Healthcare
FH-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Lukas Traxler
Kompetenzfeld Medical Engineering & Integrated Healthcare
Themenfelder
  • Didaktische Methode
  • Sonstiges
  • Erfahrungslernen
  • Curriculagestaltung – Inhalt
  • Internationalisation@home
Fachbereiche
  • Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik/Ingenieurwissenschaften