《生物醫(yī)學(xué)信號處理》本科課程教學(xué)與改革探討

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【關(guān)鍵詞】生物醫(yī)學(xué)工程；信號處理；教學(xué)改革

生物醫(yī)學(xué)工程是運用自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理和方法，討論人體的結(jié)構(gòu)、功能，并從工程角度解決防病、治病等問題的一門綜合性高技術(shù)學(xué)科。而生物醫(yī)學(xué)信號處理是生物醫(yī)學(xué)工程的一個重要討論領(lǐng)域。

一、課程特點

生物醫(yī)學(xué)信號處理是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的重要專業(yè)課程，在生命科學(xué)基礎(chǔ)討論、醫(yī)學(xué)診斷和臨床治療等方面均起著重要的作用，已成為國內(nèi)外大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科教學(xué)大綱中的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它為同學(xué)進一步學(xué)習(xí)及開展科研工作奠定了基礎(chǔ)。該課程內(nèi)容包含生物醫(yī)學(xué)信號的測量、處理和定量描述；還有探測生物醫(yī)學(xué)信號源，描述一個生物醫(yī)學(xué)物理系統(tǒng)的輸入與輸出信號之間內(nèi)在聯(lián)系。通過這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)培育同學(xué)掌控生物信號處理的基本原理、方法和進展趨勢，使同學(xué)具備獵取、處理和說明生物醫(yī)學(xué)信號的技能。該課程充分表達了生物醫(yī)學(xué)與工程學(xué)的交叉性，其綜合性、理論性和試驗性都很強，因此其教學(xué)過程對于培育同學(xué)運用工程技術(shù)手段解決生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域詳細問題的技能具有重要意義。

從課程教學(xué)目標來看，目前講授該課程的國內(nèi)外狀況并無太大差異，即：使同學(xué)學(xué)會生物醫(yī)學(xué)信號處理的基本理論和方法，能夠應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)對檢測到的心電、腦電和其他各類生理信號進行處理，學(xué)會數(shù)字濾波器的設(shè)計。生物醫(yī)學(xué)信號處理課程涉及到大量的定理、公式、變換以及算法，與高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、數(shù)理方程、模電等基礎(chǔ)課程親密相關(guān)。由于教學(xué)內(nèi)容上涉及到大量的算法理論與公式推導(dǎo)，且具有肯定的難度，因而對于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的同學(xué)來說，有些單調(diào)枯糙，理解起來也比較困難，因此該課程的課堂教學(xué)環(huán)節(jié)和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)需不斷完善和改革，以期獲得較好的教學(xué)效果。

二、教學(xué)改革內(nèi)容

〔一〕針對生物醫(yī)學(xué)信號處理課程的特點，改進課堂教學(xué)的形式

作為一門重要的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科專業(yè)課，生物醫(yī)學(xué)信號處理隨著科學(xué)討論的進展也在不停的改變和進展，因此需要把講解經(jīng)典方法和介紹最新進展動態(tài)結(jié)合起來。目前，課堂教學(xué)的內(nèi)容主要有隨機信號基礎(chǔ)、隨機信號檢測、參數(shù)估量、功率譜估量、匹配濾波、維納濾波、自適應(yīng)濾波，涉及面廣、數(shù)學(xué)公式多、理論概念抽象、實際應(yīng)用知識較難掌控。為了充分調(diào)動同學(xué)的主動性，需采納各種教學(xué)手段克服同學(xué)的畏難心情。首先，依據(jù)教學(xué)內(nèi)容修改教學(xué)課件，調(diào)整理論推導(dǎo)與實際應(yīng)用等內(nèi)容的比例；另外在教學(xué)中更多地加入與MATLAB軟件的互動以及教學(xué)演示軟件的操作，讓同學(xué)能更好的掌控相關(guān)知識。

MATLAB是一個主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的計算環(huán)境，可以繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序，在信號處理與通訊、信號檢測中發(fā)揮很大的作用。其豐富的可修改的函數(shù)庫也可給同學(xué)提供好的實踐空間。通過MATLAB軟件的調(diào)用可實現(xiàn)生醫(yī)信號處理中常用的處理算法的直觀化。教學(xué)課件中與MATLAB的交互主要采納函數(shù)調(diào)用的方式，簡潔明白，讓同學(xué)對各種算法處理的效果有直觀的`認識；

另外還采納基于MATLAB的圖形用戶界面〔GUI〕編寫教學(xué)演示軟件，老師或同學(xué)通過與軟件界面的交互了解本課程中常見信號處理算法的功用，數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出，各種算法的軟件實現(xiàn)方法等等，該軟件目前已初步成形，還在不斷改進和完善當中。

〔二〕轉(zhuǎn)變試驗教學(xué)的形式

任何一門與實際技術(shù)技能相關(guān)的課程都需要試驗環(huán)節(jié)。試驗教學(xué)是現(xiàn)代高等教育中必不可少的重要環(huán)節(jié)。通過試驗，一方面可以加深同學(xué)對所學(xué)理論知識的理解和掌控，另一方面也是提高同學(xué)動手技能和將理論知識應(yīng)用于實際問題的有效途徑。為了更好的掌控知識點，生醫(yī)信號處理的試驗教學(xué)通過生醫(yī)課程設(shè)計的實踐環(huán)節(jié)來進行。依據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置了3-4個綜合的生理信號處理的程序設(shè)計題目。如題目“心電信號的QRS復(fù)波檢測”讓同學(xué)了解了心電信號的特點，熟識了低通、高通、帶通等濾波器的設(shè)計與計算機實現(xiàn)以及熟識運用MIT/BIH數(shù)據(jù)庫；題目“維納-霍夫方程”讓同學(xué)對維納濾波的知識進行鞏固，熟識其計算機實現(xiàn)，對查找最小均方誤差意義下的最優(yōu)濾波器有更深的認識，且能觀測維納濾波對一些不同的常見的生理信號，如心電，腦電信號的處理效果；題目“Yule-Walker方程”讓同學(xué)通過編程對實際生理信號〔例如腦電〕建立AR模型，從而對參數(shù)模型法估量功率譜有了更深的了解，且對運用白噪聲驅(qū)動生成隨機信號，腦電數(shù)據(jù)壓縮等方面也有了更直觀的感受。

生物醫(yī)學(xué)信號處理課程設(shè)計內(nèi)容設(shè)置多樣化，既涉及到生醫(yī)信號處理課程中的主要內(nèi)容，如信號檢測、最正確線性濾波器設(shè)計、現(xiàn)代功率譜估量方法等；同時又對數(shù)字信號處理的基本內(nèi)容進行了復(fù)習(xí)和鞏固。除了上述內(nèi)容之外，還進一步熬煉了同學(xué)編程的技能。還訓(xùn)練了同學(xué)獵取生理信號的技能，同學(xué)既可以利用試驗室現(xiàn)有的醫(yī)療儀器如心電圖機、腦電圖儀等獵取心電、腦電信號，亦可通過MIT/BIH數(shù)據(jù)庫獲得所需的生理信號。

在生物醫(yī)學(xué)信號處理課程設(shè)計實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中鼓舞同學(xué)共同完成試驗任務(wù)并有不同的成果展示。在團隊中每個同學(xué)擔負不同的角色并負責不同的分工任務(wù)，他們在完成試驗任務(wù)的同時也培育了團隊合作精神并使每個同學(xué)在團隊中充分發(fā)揮了自己的特長，體驗到自己的價值。因此，既可以鞏固所學(xué)理論知識，還可以提高同學(xué)動手技能和解決實際問題的技能。

〔三〕與其他相關(guān)課程聯(lián)合

生物醫(yī)學(xué)信號處理是一門綜合性很強的課程，其流程為：生物醫(yī)學(xué)信號及其特性→信號采集→信號處理→信號的識別診斷，目前的教學(xué)內(nèi)容主要著重后兩個環(huán)節(jié)，前兩個涉及較少。通過綜合實踐環(huán)節(jié)，如課程設(shè)計，將本課程與其他專業(yè)課程聯(lián)系起來，使得同學(xué)對前兩個環(huán)節(jié)有較好的學(xué)習(xí)，從而對生物醫(yī)學(xué)信號處理的整體流程有完整且深刻的理解。

如在課程設(shè)計中，全部的設(shè)計內(nèi)容都涉及到了對生物醫(yī)學(xué)信號及其特性的了解和信號采集這兩個環(huán)節(jié)，同學(xué)利用生醫(yī)試驗室已有的設(shè)備器件，如心電圖機、腦電圖儀、多道生理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器平臺獵取相應(yīng)的生理信號可實現(xiàn)對該兩個環(huán)節(jié)的知識的鞏固，同時也復(fù)習(xí)了《醫(yī)學(xué)儀器》、《生物醫(yī)學(xué)傳感器》等專業(yè)課程的相關(guān)內(nèi)容，將幾門專業(yè)課程聯(lián)系成一體，使得專業(yè)學(xué)習(xí)更加的系統(tǒng)化。在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中更是常常涉及到生理信號處理的完整系統(tǒng)流程，既提高了設(shè)備的利用率，又熬煉了同學(xué)解決實際問題的技能。