張 曄 張靜娜 邱明國 王 莉 桑林瓊

（中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與影像學(xué)院醫(yī)學(xué)信息與醫(yī)學(xué)圖像學(xué)教研室 中國 重慶 400038）

隨著近代計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于通信、電子、生物醫(yī)學(xué)、電視媒體等領(lǐng)域[1]。作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)必修的專業(yè)課程之一，數(shù)字信號處理課程具有其重要的理論和實踐指導(dǎo)意義。然而學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課之后普遍反映不滿足于單純的理論學(xué)習(xí)，希望加強(qiáng)數(shù)字信號處理的實踐性訓(xùn)練。醫(yī)學(xué)信號例如心電、腦電等都是典型的數(shù)字信號，醫(yī)學(xué)信號處理的實質(zhì)就是運用數(shù)字信號處理的相關(guān)知識，分析處理醫(yī)學(xué)中采集到的數(shù)字信號以服務(wù)于臨床。因此通過開展第二課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自己處理實際生物醫(yī)學(xué)信號，不僅可以提升學(xué)生對這門課程的興趣，對于提高學(xué)生對理論知識的應(yīng)用能力以及獨立創(chuàng)新能力具有非常積極的意義。通過實際的第二課堂教學(xué)，總結(jié)經(jīng)驗體會有以下幾個方面。

1 聯(lián)系實際醫(yī)學(xué)信號，分模塊教學(xué)

第二課堂教學(xué)的主要內(nèi)容是應(yīng)用數(shù)字信號處理學(xué)到的知識，對實際的生物醫(yī)學(xué)信號進(jìn)行處理。通過數(shù)字信號處理課程的學(xué)生反饋，可以了解到生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生對于工科知識在實際醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用普遍有著濃厚的興趣，學(xué)習(xí)態(tài)度比較積極。因此我們選取臨床檢測診斷中最為常見的四種醫(yī)學(xué)信號——心電、腦電、心音和肌電信號，將教學(xué)過程分為四個模塊，以專題的形式系統(tǒng)講解及現(xiàn)場操作演練。首先詳細(xì)介紹各種生理信號的特征以及采集的基本方法。有條件的情況下，可以安排學(xué)生利用生理信號采集分析系統(tǒng)采集自己的生理信號，例如采集兩個導(dǎo)聯(lián)的心電信號再進(jìn)行處理，這樣可以實際訓(xùn)練學(xué)生的動手操作能力。沒有采集條件時，也可以從醫(yī)院直接獲取臨床病人數(shù)據(jù)和健康人數(shù)據(jù)，將兩組數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行對比。此外還可以介紹一些專業(yè)的數(shù)據(jù)下載網(wǎng)站供學(xué)生下載需要的數(shù)據(jù)。對采集到的信號進(jìn)行處理，在講解中要重點強(qiáng)調(diào)特征信號的處理過程。以自發(fā)腦電信號（EEG）為例，根據(jù)頻率的不同，EEG可以分為α波、β波、θ波、δ波以及中間快波等，不同頻率的波型種類又分別代表了大腦的不同狀態(tài)，例如α波主要出現(xiàn)在人處于清醒、放松、閉眼的狀態(tài)時。根據(jù)已知的腦電信號特征，可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計相應(yīng)的帶通濾波器，初步分離某一頻率的信號，觀察其分布及特征。分模塊教學(xué)放寬了學(xué)生的自主選擇權(quán)，4種信號的基本講解面向所有的學(xué)生，但是學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇某種信號進(jìn)行處理，貴精而不貴多，更有利于提高學(xué)生課程完成的質(zhì)量。

2 聯(lián)系科研前沿，介紹新方法

第二課堂的目的是培養(yǎng)學(xué)生選擇不同的方法對不同實際問題進(jìn)行分析、處理的能力。在實際的臨床應(yīng)用中，各種生物醫(yī)學(xué)信號的處理方法一直都在發(fā)展與更新。數(shù)字信號處理課堂上主要教給學(xué)生的是基礎(chǔ)理論以及最基本的數(shù)據(jù)處理方法，實際應(yīng)用中，這些方法明顯存在著不同程度的缺陷。將前沿的研究方法介紹給學(xué)生，不僅是第二課堂的重要任務(wù)，更滿足了學(xué)生對新知識新方法的迫切需求。

心電信號處理課程中，利用教研室已有的多通道生理信號采集儀，由學(xué)生親自動手采集心電信號。教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧了理論課中學(xué)習(xí)到的濾波器設(shè)計方法如直接設(shè)計法、雙線性變化法等，并介紹了目前較為前沿的小波分析方法[2]。學(xué)生自學(xué)之后，采用自己采集到的數(shù)據(jù)設(shè)計濾波器，并嘗試用小波分析方法濾波，之后進(jìn)行特征波形監(jiān)測，最后用Matlab-GUI進(jìn)行了軟件界面的設(shè)計。

腦電信號處理課程中，除去最基本的處理方法包括時域分析（波形特征參數(shù)、幅度峰值檢測、直方圖分析等）和頻域分析（功率譜分析等），向?qū)W生介紹更新的時頻分析方法，包括目前應(yīng)用比較廣泛的小波變換，高階譜分析方法以及將非線性動力學(xué)和混沌理論應(yīng)用于腦電信號分析的非線性分析法。這些方法在課堂上簡單介紹給學(xué)生之后，由學(xué)生自己查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并將這些方法初步應(yīng)用于實際的醫(yī)學(xué)信號處理，得到了很多有意義的結(jié)果，例如有學(xué)生將樣本熵的方法引入癲癇病人和正常人的腦電信號對比，發(fā)現(xiàn)癲癇患者腦電的樣本熵明顯低于正常人。

心音信號處理課程中，教師向?qū)W生講解了心音的組成及各部分心音的特征，主要介紹了小波去噪的方法。學(xué)生利用多通道生理信號采集儀自己動手采集心音信號，查閱文獻(xiàn)，自己編程實現(xiàn)小波去噪的過程，對心音信號進(jìn)行去噪處理并與其他去噪方法進(jìn)行對比。

肌電信號處理課程中，不僅向?qū)W生介紹肌電的生理意義，同時介紹了目前肌電分析中常用的時域和頻域分析方法以及測量指標(biāo)，包括積分肌電值、均方根值、絕對值積分、平均功率頻率、中位頻率等。學(xué)生在自學(xué)之后，分別從時域和頻域分析方法中選擇感興趣的方法，對正常人的肌電和患者的肌電進(jìn)行比較，也得到了有意義的結(jié)果。

在這一過程中，指導(dǎo)老師只是起到引導(dǎo)的作用，更多地鍛煉了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并進(jìn)行創(chuàng)新實驗的能力。

3 加強(qiáng)數(shù)學(xué)軟件（MATLAB等）在解決問題中的作用

目前Matlab軟件在數(shù)字信號處理課程中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。這一數(shù)學(xué)軟件提供了強(qiáng)大的科學(xué)運算、靈活的程序設(shè)計流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計、便捷的與其他程序和語言接口等功能[3]。通過之前的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)具備了運用Matlab進(jìn)行編程的能力并掌握了相關(guān)函數(shù)的應(yīng)用。第二課堂的程序?qū)崿F(xiàn)，仍然需要學(xué)生運用Matlab語言，并且在設(shè)計過程中，根據(jù)其強(qiáng)大的繪圖能力直接觀測程序設(shè)計的效果。在教學(xué)過程中，還可以給學(xué)生介紹一些常用的生理信號處理軟件，例如在腦電處理中可以應(yīng)用的基于Matlab環(huán)境的EEGlab軟件包。簡單地介紹軟件的基本功能，鼓勵學(xué)生自己摸索軟件的用法，并將軟件計算的結(jié)果與自己計算的結(jié)果比較，有利于學(xué)生更深刻地理解相關(guān)理論知識并掌握多種處理方法。在此基礎(chǔ)上，可以鼓勵學(xué)生自己設(shè)計簡單的軟件，進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)。

4 考核方式：集中匯報、專家點評

課程結(jié)束時，由各組學(xué)員代表集中進(jìn)行ppt匯報，對于所做的研究內(nèi)容及成果進(jìn)行詳細(xì)的說明。邀請數(shù)字信號處理方面的專家聽取匯報并直接做出點評。這種考核方式直觀地將學(xué)生的工作呈現(xiàn)在了教師面前。同時專家的當(dāng)面肯定對學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性是一種鼓勵，而且專家的意見和建議對于學(xué)生今后在數(shù)字信號處理方面的學(xué)習(xí)具有很大的指導(dǎo)意義。

數(shù)字信號處理第二課堂的教學(xué)，在數(shù)字信號處理課程的基礎(chǔ)上，將醫(yī)學(xué)信號處理的相關(guān)知識分解成4個模塊，包括心電信號、腦電信號、心音信號、肌電信號的采集及處理。以專題的形式系統(tǒng)講解及現(xiàn)場操作演練，介紹各種生理信號采集的基本方法，重點強(qiáng)調(diào)特征信號的處理過程，加強(qiáng)Matlab軟件等在解決問題中的作用，并聯(lián)系前沿介紹新方法，使學(xué)生能選擇相應(yīng)處理方法對不同實際問題進(jìn)行分析、處理。實踐證明，這種教學(xué)方法能夠有效培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和自主學(xué)習(xí)能力，對于培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)復(fù)合型的實用人才具有重要的意義。

［1］程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

［2］管玲玲,柳忠校,張善心.基于小波的信號分析[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化,2011,3:150-152.

［3］鞏萍,趙杰.MATLAB在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用[J].長沙大學(xué)學(xué)報,2009,23(5):78-79.