任杰 , 田福英

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院（上海，200093）

0 引言

生理電信號(hào)是人體重要的信號(hào)之一，通過對(duì)其的研究判斷神經(jīng)或者肌肉的功能和狀態(tài)，為臨床診斷提供了豐富的可用信息。在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科中，對(duì)生理電信號(hào)的獲取和處理是學(xué)生需要掌握的一門重要技能。而如何能夠從生理電信號(hào)的產(chǎn)生根源、處理方法、判斷依據(jù)等方面掌握信號(hào)特別是微弱信號(hào)的獲取和處理方法，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)習(xí)中很重要的一項(xiàng)工作，通過對(duì)生理電信號(hào)的掌握，學(xué)生可以更深入地了解信號(hào)與系統(tǒng)的理論知識(shí)，更熟練地掌握關(guān)于信號(hào)獲取和處理的軟硬件知識(shí)。

因此，針對(duì)這種情況，本研究提出在本科教育階段，在相關(guān)課程中均圍繞著生物電信號(hào)設(shè)置了相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，并在實(shí)踐課程中前后銜接，最后讓學(xué)生能夠完成一個(gè)較為完整的生理電信號(hào)處理系統(tǒng)，促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生掌握較全面的信號(hào)與系統(tǒng)方面的知識(shí)，加強(qiáng)其以工程手段解決醫(yī)學(xué)問題的能力。

1 醫(yī)學(xué)電生理課程闡述信號(hào)來源

在我校的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生在大學(xué)一年級(jí)開設(shè)生理解剖課程。該課程中設(shè)置了生理電信號(hào)內(nèi)容的講解，主要內(nèi)容包括：1）從細(xì)胞層面上講解生理電信號(hào)的產(chǎn)生及作用機(jī)理。如靜息電位、動(dòng)作電位和動(dòng)作電位的傳播；2）從醫(yī)學(xué)應(yīng)用角度闡述特殊電信號(hào)的產(chǎn)生和應(yīng)用，比如心電信號(hào)、肌電信號(hào)和腦電信號(hào)等；3）從采集方法和結(jié)果分析上描述生理電信號(hào)的獲取技術(shù)和手段，以及如何利用電生理信號(hào)判斷生理機(jī)能的狀態(tài)。由此，學(xué)生可以從生理學(xué)角度理解和認(rèn)識(shí)人體比較基礎(chǔ)但重要的電現(xiàn)象和 其發(fā)生過程及機(jī)理。

在這部分教學(xué)中，會(huì)利用動(dòng)畫、仿真等手段加強(qiáng)教學(xué)效果，以便于學(xué)生能夠更深入地理解電生理相關(guān)的分子、細(xì)胞層次的知識(shí)，比如細(xì)胞膜、離子通道和離子泵等基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)，利用學(xué)院的心電、肌電設(shè)備通過社區(qū)或?qū)W生活動(dòng)的形式，讓學(xué)生進(jìn)一步理解電生理信號(hào)的意義，為后期的信號(hào)處理打下基礎(chǔ)。

2 醫(yī)學(xué)儀器課程設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路

醫(yī)學(xué)儀器課程是在電路、傳感器相關(guān)課程學(xué)習(xí)之后進(jìn)行的實(shí)踐類課程，是一門綜合性、開放性、設(shè)計(jì)性的課程，主要是為了培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于醫(yī)學(xué)儀器的研發(fā)能力，提高其實(shí)際工作能力。在這門課程中，以心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)為主線，將心電監(jiān)護(hù)儀分為采集、濾波、顯示三個(gè)部分設(shè)計(jì)了三個(gè)階段性實(shí)驗(yàn)。采集部分主要涉及微弱信號(hào)的采集，通過導(dǎo)聯(lián)或者傳感器的方式將生理電信號(hào)引出，主要熟悉傳感器、信號(hào)的采樣和AD 轉(zhuǎn)換及信號(hào)放大等電路特征。濾波部分實(shí)驗(yàn)主要涉及常見性干擾源的濾波，比如工頻干擾等。顯示部分主要涉及觸摸屏或者顯示屏的設(shè)計(jì)，包括一些基本按鍵的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

通過這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解作為微弱信號(hào)的生理電信號(hào)，如何根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)完成從采集到濾波到顯示整個(gè)設(shè)計(jì)過程，如何在設(shè)計(jì)中融合電子電路、嵌入式、FPGA 等課程內(nèi)容，初步培養(yǎng)了學(xué)生的研發(fā)能力，讓學(xué)生懂得開發(fā)醫(yī)療設(shè)備應(yīng)該遵循的原則和注意的事項(xiàng)。因此，在這部分教學(xué)中，主要利用的引導(dǎo)啟發(fā)的教學(xué)手法，將總的原則和實(shí)驗(yàn)?zāi)康母嬷獙W(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生自我學(xué)習(xí)、自主設(shè)計(jì)。

3 信號(hào)與系統(tǒng)課程處理和分析生理電信號(hào)

生理電信號(hào)是屬于強(qiáng)噪聲背景下不穩(wěn)定的微弱信號(hào)，其信號(hào)特點(diǎn)是噪聲強(qiáng)、信號(hào)弱、頻率低，而且隨機(jī)性強(qiáng)，其復(fù)雜性是其它信號(hào)所不能相比的。利用信號(hào)與系統(tǒng)課程分析和實(shí)現(xiàn)生理電信號(hào)的常見的處理過程，使用Matlab 軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析，例如數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)等。還可以對(duì)處理后的生理電信號(hào)進(jìn)行模型的建立和進(jìn)一步的分析，例如功率譜的分析、時(shí)域和頻域的特征分析等。

在這個(gè)課程體系中，可以利用前期采集電路設(shè)計(jì)時(shí)所收集的信號(hào)，將生理電信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，指導(dǎo)學(xué)生調(diào)整采樣頻率、特征判斷條件等，觀察調(diào)整前后的分析結(jié)果，明確采樣頻率、特征判斷條件等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的選擇方法。后期學(xué)有余力的學(xué)生可以根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)低通高通濾波或者分析電信號(hào)指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生理電信號(hào)的自動(dòng)化處理過程，或者獲得更準(zhǔn)確更具有臨床價(jià)值的信號(hào)。

基于以上三部分課程建設(shè)，以生理電信號(hào)為主線，完整地涵蓋了生物醫(yī)學(xué)工程課程中的醫(yī)學(xué)、電學(xué)、信號(hào)學(xué)的相關(guān)課程，形成完整的課程體系。教師可以以生理電信號(hào)為主線，講述各門課程不同的內(nèi)容以及與前后期課程之間的聯(lián)系。學(xué)生也可以以生理電信號(hào)為學(xué)習(xí)目標(biāo)，將相關(guān)課程關(guān)聯(lián)起來，從信號(hào)的起源、處理到后期的判斷，了解整個(gè)信號(hào)與系統(tǒng)的過程，從而清楚地認(rèn)識(shí)生理電信號(hào)的相關(guān)知識(shí)及處理電信號(hào)的軟硬件方法。