《生物医学信号处理》本科教学

【摘 要】《生物医学信号处理》是生物医学工程专业的一门主要的专业课程,文章通过分析该课程的特点,以及结合本专业该课程的实际情况,探讨从课堂教学、实践教学以及和其他专业课程联合三个方面进行课程教学改革.

【关 键 词】生物医学工程；信号处理；教学改革

生物医学工程是运用自然科学和工程技术的原理和方法,研究人体的结构、功能,并从工程角度解决防病、治病等问题的一门综合性高技术学科.而生物医学信号处理是生物医学工程的一个重要研究领域.

一、课程特点

生物医学信号处理是生物医学工程专业的重要专业课程,在生命科学基础研究、医学诊断和临床治疗等方面均起着重要的作用,已成为国内外大多数生物医学工程专业本科教学大纲中的专业基础课程,它为学生进一步学习及开展科研工作奠定了基础.该课程内容包含生物医学信号的测量、处理和定量描述；还有探测生物医学信号源,描述一个生物医学物理系统的输入与输出信号之间内在联系.通过这些内容的学习培养学生掌握生物信号处理的基本原理、方法和发展趋势,使学生具备获取、处理和解释生物医学信号的能力.该课程充分体现了生物医学与工程学的交叉性,其综合性、理论性和实验性都很强,因此其教学过程对于培养学生运用工程技术手段解决生物医学领域具体问题的能力具有重要意义.

从课程教学目标来看,目前讲授该课程的国内外情况并无太大差异,即：使学生学会生物医学信号处理的基本理论和方法,能够应用数字信号处理技术对检测到的心电、脑电和其他各类生理信号进行处理,学会数字滤波器的设计.生物医学信号处理课程涉及到大量的定理、公式、变换以及算法,与高等数学、复变函数、数理方程、模电等基础课程密切相关.由于教学内容上涉及到大量的算法理论与公式推导,且具有一定的难度,因而对于生物医学工程专业的学生来说,有些单调枯糙,理解起来也比较困难,因此该课程的课堂教学环节和实践教学环节需不断完善和改革,以期获得较好的教学效果.

二、教学改革内容

(一)针对生物医学信号处理课程的特点,改进课堂教学的形式

作为一门重要的生物医学工程学科专业课,生物医学信号处理随着科学研究的发展也在不停的变化和发展,因此必须把讲解经典方法和介绍最新发展动态结合起来.目前,课堂教学的内容主要有随机信号基础、随机信号检测、参数估计、功率谱估计、匹配滤波、维纳滤波、自适应滤波,涉及面广、数学公式多、理论概念抽象、实际应用知识较难掌握.为了充分调动学生的主动性,需采用各种教学手段克服学生的畏难情绪.首先,根据教学内容修改教学课件,调整理论推导与实际应用等内容的比例；另外在教学中更多地加入与MATLAB软件的互动以及教学演示软件的操作,让学生能更好的掌握相关知识.

MATLAB是一个主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的计算环境,可以绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序,在信号处理与通讯、信号检测中发挥很大的作用.其丰富的可修改的函数库也可给学生提供好的实践空间.通过MATLAB软件的调用可实现生医信号处理中常用的处理算法的直观化.教学课件中与MATLAB的交互主要采用函数调用的方式,简洁明了,让学生对各种算法处理的效果有直观的认识；

另外还采用基于MATLAB的图形用户界面（GUI）编写教学演示软件,教师或学生通过与软件界面的交互了解本课程中常见信号处理算法的功用,数据的导入导出,各种算法的软件实现方法等等,该软件目前已初步成形,还在不断改进和完善当中.

(二)改变实验教学的形式

任何一门与实际技术技能相关的课程都需要实验环节.实验教学是现代高等教育中必不可少的重要环节.通过实验,一方面可以加深学生对所学理论知识的理解和掌握,另一方面也是提高学生动手能力和将理论知识应用于实际问题的有效途径.为了更好的掌握知识点,生医信号处理的实验教学通过生医课程设计的实践环节来进行.根据教学内容设置了3-4个综合的生理信号处理的程序设计题目.如题目“心电信号的QRS复波检测”让学生了解了心电信号的特点,熟悉了低通、高通、带通等滤波器的设计与计算机实现以及熟悉使用MIT/BIH数据库；题目“维纳-霍夫方程”让学生对维纳滤波的知识进行巩固,熟悉其计算机实现,对寻找最小均方误差意义下的最优滤波器有更深的认识,且能观察维纳滤波对一些不同的常见的生理信号,如心电,脑电信号的处理效果；题目“Yule-Walker方程”让学生通过编程对实际生理信号（例如脑电）建立AR模型,从而对参数模型法估计功率谱有了更深的了解,且对使用白噪声驱动生成随机信号,脑电数据压缩等方面也有了更直观的感受.

生物医学信号处理课程设计内容设置多样化,既涉及到生医信号处理课程中的主要内容,如信号检测、最佳线性滤波器设计、现代功率谱估计方法等；同时又对数字信号处理的基本内容进行了复习和巩固.除了上述内容之外,还进一步锻炼了学生编程的能力.还训练了学生获取生理信号的能力,学生既可以利用实验室现有的医疗仪器如心电图机、脑电图仪等获取心电、脑电信号,亦可通过MIT/BIH数据库获得所需的生理信号.

在生物医学信号处理课程设计实践教学环节中鼓励学生共同完成实验任务并有不同的成果展示.在团队中每个学生担任不同的角色并负责不同的分工任务,他们在完成实验任务的同时也培养了团队合作精神并使每个学生在团队中充分发挥了自己的特长,体验到自己的价值.因此,既可以巩固所学理论知识,还可以提高学生动手能力和解决实际问题的能力.

(三)与其他相关课程联合

生物医学信号处理是一门综合性很强的课程,其流程为：生物医学信号及其特性→信号采集→信号处理→信号的识别诊断,目前的教学内容主要注重后两个环节,前两个涉及较少.通过综合实践环节,如课程设计,将本课程与其他专业课程联系起来,使得学生对前两个环节有较好的学习,从而对生物医学信号处理的整体流程有完整且深刻的理解.

如在课程设计中,所有的设计内容都涉及到了对生物医学信号及其特性的了解和信号采集这两个环节,学生利用生医实验室已有的设备器件,如心电图机、脑电图仪、多道生理数据采集系统、传感器平台获取相应的生理信号可实现对该两个环节的知识的巩固,同时也复习了《医学仪器》、《生物医学传感器》等专业课程的相关内容,将几门专业课程联系成一体,使得专业学习更加的系统化.在毕业设计环节中更是经常涉及到生理信号处理的完整系统流程,既提高了设备的利用率,又锻炼了学生解决实际问题的能力.

三、结语

在生物医学信号处理的教学过程中,通过教学方式的不断改革,使得学生能够更加容易的理解和掌握专业知识,同时更多地结合实际应用,引入更多具体的生物医学信号处理实例,将真实世界与理论研究联系起来,从而达到使学生能学好这门课程,并培养其解决实际问题能力的目的.