嵇曉強(qiáng)，張凌竹，龐春穎，付一喬，曹 秒，李景梅

（長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引 言

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的獲取和處理是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究的重點(diǎn)方向，也是人工智能醫(yī)療的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。先進(jìn)的智能醫(yī)療終端、智能醫(yī)療機(jī)器人等研發(fā)，都需要生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)［1-3］。要想系統(tǒng)、全面掌握生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理知識(shí)與技能，必須學(xué)好生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)和醫(yī)學(xué)信號(hào)處理這兩門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的核心課，從電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試、算法模型的搭建，到訓(xùn)練參數(shù)的調(diào)節(jié)，只有經(jīng)過(guò)不斷實(shí)踐才能真正地掌握以及融會(huì)貫通。然而，大多數(shù)院校這兩門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置存在諸多問(wèn)題。

（1）硬件資源方面。①硬件建設(shè)較落后，實(shí)驗(yàn)硬件零散，有效利用率低，缺少集成的、一體化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［4］。每學(xué)期都需要重新購(gòu)置實(shí)驗(yàn)器件，造成實(shí)驗(yàn)資源的浪費(fèi)。②市面上的醫(yī)學(xué)電子教學(xué)儀器價(jià)格高、信號(hào)種類(lèi)少，導(dǎo)致后續(xù)的醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程只能通過(guò)仿真軟件進(jìn)行分析，學(xué)生無(wú)法將設(shè)計(jì)的算法直接應(yīng)用于實(shí)際提取到的生理信號(hào)上，缺乏實(shí)際體驗(yàn)和感性認(rèn)識(shí)，無(wú)法體會(huì)調(diào)試和誤差分析對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性［5］。

（2）軟環(huán)境方面。對(duì)于生物醫(yī)學(xué)信息的獲取和處理而言，關(guān)乎生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)、醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、模式識(shí)別3 門(mén)課程內(nèi)容，但是目前不同課程之間孤立，內(nèi)容之間相互脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生只能從局部層面（單門(mén)課程）了解實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，無(wú)法形成系統(tǒng)的知識(shí)體系［6］。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過(guò)于陳舊。內(nèi)容的深度不夠，廣度不足，重點(diǎn)不突出，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目缺乏高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容并沒(méi)有跟蹤最新的行業(yè)研究動(dòng)態(tài)，沒(méi)有引進(jìn)人工智能相關(guān)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資源如生理信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，與行業(yè)需求脫節(jié)。

以上導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)的掌握不夠全面，零散的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能導(dǎo)致其對(duì)實(shí)際問(wèn)題缺乏整體分析能力，而且不具備快速迭代與研發(fā)的能力［7-8］。嚴(yán)重制約著學(xué)生工程實(shí)踐、科學(xué)研究以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［9］。

針對(duì)以上現(xiàn)狀和不足，結(jié)合當(dāng)前人工智能醫(yī)療對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程人才實(shí)踐、科研、創(chuàng)新能力的需求，緊緊圍繞培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和科研素養(yǎng)的要求，以“三結(jié)合、三整合、三位一體”的厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、重創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路和理念，開(kāi)發(fā)了一套集教學(xué)、科研、創(chuàng)新實(shí)踐為一體的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［10-11］。該平臺(tái)在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好的效果，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，產(chǎn)出了大量的實(shí)驗(yàn)成果。通過(guò)近3 年生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生追蹤反饋以及在校生問(wèn)卷調(diào)查，顯示學(xué)生對(duì)平臺(tái)滿(mǎn)意度很高。

1 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

以“三結(jié)合、三整合、三位一體”為設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建基于一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，如圖1 所示。

圖1 基于“三結(jié)合、三整合、三位一體”一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框圖

（1）三結(jié)合。指的是將生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)與生物醫(yī)學(xué)信息獲取技術(shù)、人工智能技術(shù)相結(jié)合，將生物醫(yī)學(xué)知識(shí)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，將電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與軟件算法研究相結(jié)合，是一個(gè)集軟硬件開(kāi)發(fā)與資源共享的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供一個(gè)良好、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

（2）三整合。包括：①整合了生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、模式識(shí)別等實(shí)驗(yàn)課程，打通原有課程實(shí)驗(yàn)之間的壁壘（見(jiàn)圖2）；②整合不同知識(shí)點(diǎn)，包括醫(yī)學(xué)信號(hào)采集、醫(yī)學(xué)電子學(xué)設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、模式識(shí)別算法、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特征識(shí)別等內(nèi)容，使學(xué)生把專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能串聯(lián)起來(lái)，構(gòu)建完整的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)課程體系［12］。③整合不同教學(xué)方法，探索多元化的教學(xué)方法和手段，結(jié)合創(chuàng)新競(jìng)賽和科研項(xiàng)目課題，開(kāi)展基于項(xiàng)目式的混合式教學(xué)模式，以學(xué)生為主學(xué)習(xí)，教師指導(dǎo)學(xué)生完成，師生協(xié)同創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐育人。

圖2 課程之間邏輯關(guān)系

（3）三位一體。既包含基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)階實(shí)驗(yàn)以及高級(jí)實(shí)驗(yàn)層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，也包含由實(shí)驗(yàn)教材、電路板、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成的全方位教學(xué)資源，集“硬件設(shè)計(jì)-采集、算法開(kāi)發(fā)-設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)集成-驗(yàn)證”為一體，構(gòu)建了一體化、分層次、多通道、全方位的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系［13-14］。

2 一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件系統(tǒng)主要包括醫(yī)學(xué)電子學(xué)開(kāi)發(fā)板及其附件。設(shè)計(jì)遵循模塊化理念，由生物醫(yī)學(xué)傳感器（電極）模塊、信號(hào)模擬調(diào)制模塊、主控模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、電源模塊、顯示模塊以及按鍵、發(fā)光二極管LED燈、嗡鳴器及接口模塊構(gòu)成，示意圖如圖3 所示，實(shí)物圖如圖4 所示。為了提高平臺(tái)的使用率以及空間利用率，平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)兼顧了小型化和集成化特點(diǎn)，電路板尺寸僅為6 cm×6 cm，而且接口豐富，便于功能擴(kuò)展。

圖3 一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理示意

圖4 一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件實(shí)物

微處理器負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體控制，是信號(hào)處理的核心部件。考慮到接口數(shù)量、處理速度及外圍設(shè)備等綜合因素，使用STM32 系列芯片作為核心處理器，具有體積小、功耗低、處理速度快等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足整個(gè)平臺(tái)的功能需求。其最小系統(tǒng)包括晶振電路、調(diào)試電路、復(fù)位電路等。芯片內(nèi)部自帶的12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。存儲(chǔ)模塊具有容量大，改寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可以保證長(zhǎng)時(shí)間健康數(shù)據(jù)監(jiān)護(hù)或睡眠數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的存儲(chǔ)需求。

平臺(tái)通信接口包括藍(lán)牙5.0、串口、USB 3 種方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與主機(jī)之間的通信。電源供電包括大容量電池購(gòu)電和電源充電器通過(guò)USB 接口直接給電路板供電。其他輸入輸出電路包括LED 燈、LCD 顯示屏、按鍵、蜂鳴器等，用于顯示、指示、控制系統(tǒng)工作狀態(tài)。

平臺(tái)的傳感器模塊可以直接與核心板連接，包括心電電極、加速度計(jì)、指夾式脈搏波探頭、皮膚電反應(yīng)（Galvanic Skin Response，GSR）指套、體溫探頭等。信號(hào)模擬調(diào)制電路主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大、低通濾波、右腿驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)等，采用集成芯片ADS1292 來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)理電路，其內(nèi)部具有多個(gè)24 位同步采集模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，單個(gè)芯片即可實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求。而且體積小、功耗低、精度高，非常適合電路板向可穿戴設(shè)備移植的技術(shù)要求。同時(shí)，ADS1292 內(nèi)部具有右腿驅(qū)動(dòng)電路、電極脫落檢測(cè)電路、振蕩器、參考電壓以及SPI數(shù)據(jù)接口，極大方便了硬件電路的設(shè)計(jì)。

一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)典型生理信號(hào)采集的需要，結(jié)合生理參數(shù)測(cè)量和電路性能參數(shù)計(jì)算等相關(guān)理論知識(shí)，可以完成電路的理論計(jì)算和仿真驗(yàn)證，在面板上搭建電路進(jìn)行測(cè)試，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高測(cè)量精度和系統(tǒng)性能。最后，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路板上完成生理參數(shù)的測(cè)量和所設(shè)計(jì)電路的驗(yàn)證。它將零散的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能串聯(lián)成系統(tǒng)，使學(xué)生對(duì)生理參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)有一個(gè)整體的、宏觀的認(rèn)識(shí)，有助于學(xué)生快速掌握生理參數(shù)的測(cè)量方法、電路設(shè)計(jì)與仿真、電路調(diào)試與優(yōu)化、PCB板圖設(shè)計(jì)與制作等，課程目標(biāo)之一即學(xué)生能獨(dú)立設(shè)計(jì)出一個(gè)完整可行的生理參數(shù)測(cè)量電路板。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

針對(duì)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、模式識(shí)別3 門(mén)課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)、進(jìn)階、高級(jí)3大類(lèi)實(shí)驗(yàn)，共28 個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如表1 所示，構(gòu)建了層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系。

表1 典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是對(duì)原理性的實(shí)踐知識(shí)的掌握和實(shí)際操作，內(nèi)容相對(duì)基礎(chǔ)簡(jiǎn)單，主要包括幾種典型生理信號(hào)的采集電路設(shè)計(jì)。能完成電路的理論計(jì)算和仿真驗(yàn)證，并且能通過(guò)不斷調(diào)整參數(shù)，在測(cè)量過(guò)程中對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

進(jìn)階實(shí)驗(yàn)是在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)上引入單片機(jī)課程內(nèi)容，體現(xiàn)生理信號(hào)采集的全過(guò)程?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換交由單片機(jī)處理，信號(hào)可通過(guò)串口、藍(lán)牙、USB等方式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)一步分析，也可以存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)基于微處理器的人體生理參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)還要對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高測(cè)量精度和系統(tǒng)性能。

高階實(shí)驗(yàn)將部分科研課題孵化為可操作的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，著力提升實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和難度，更好地詮釋出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度［15-16］。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目專(zhuān)注于智能醫(yī)療電子設(shè)備和軟件系統(tǒng)的研發(fā)，關(guān)注心理健康、康復(fù)養(yǎng)老、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)一步推進(jìn)人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新有機(jī)融合。該部分項(xiàng)目全面考察學(xué)生生理信號(hào)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)選擇、生理信號(hào)預(yù)處理、生物信號(hào)特征提取、分類(lèi)與識(shí)別算法開(kāi)發(fā)、模型測(cè)試與優(yōu)化等知識(shí)和技能的掌握程度。通過(guò)高階項(xiàng)目的訓(xùn)練，能夠熟練掌握人工智能生物識(shí)別方法框架和流程，以及一些基本的經(jīng)典的模式識(shí)別算法。

4 實(shí)踐教學(xué)案例設(shè)計(jì)

一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)應(yīng)用上以項(xiàng)目為案例，側(cè)重于實(shí)操性，將信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、模式識(shí)別算法開(kāi)發(fā)，通過(guò)項(xiàng)目串接起來(lái)，做出具有實(shí)際功能的生物信號(hào)獲取及分析系統(tǒng)［12］。

睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥（Sleep Apnea Hypopnea Syndrome，SAHS）是一種常見(jiàn)的睡眠疾病，嚴(yán)重危害人的生命健康，睡眠呼吸暫停綜合癥的檢測(cè)意義非常重大。本案例包括心電信號(hào)采集、心電信號(hào)預(yù)處理、心電信號(hào)特征提取、ECG-SAHS 篩查模型構(gòu)建、可穿戴睡眠呼吸暫停檢測(cè)終端以及模型遷移學(xué)習(xí)與測(cè)試幾個(gè)關(guān)鍵模塊。首先搭建和設(shè)計(jì)心電信號(hào)采集電路，正確采集到信號(hào)后，存貯或者傳輸?shù)诫娔X端，并與一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集結(jié)果相比較，不斷修正電路；接下來(lái)選擇合適的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，提取特征，訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集人體睡眠期間的心電信號(hào)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，將機(jī)器學(xué)習(xí)算法模型進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，不斷修正和優(yōu)化模型，從而設(shè)計(jì)出篩查睡眠呼吸暫停綜合癥檢測(cè)系統(tǒng)。圖5為案例的流程與框架。

圖5 基于ECG的睡眠呼吸暫停綜合征檢測(cè)案例的處理框架

（1）心電信號(hào)采集模塊。心電電極采取兩種方案，一種是傳統(tǒng)的貼片式電極，其特點(diǎn)是價(jià)格低，但是長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致人皮膚不適；另一種是柔性織物電極代，其由導(dǎo)電材料和常規(guī)紡織材料構(gòu)造而成，通過(guò)涂鍍將導(dǎo)電材料黏附在紗線(xiàn)或者織物上。特點(diǎn)是價(jià)格昂貴，但是舒適性強(qiáng)，適合長(zhǎng)期使用。

一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路板設(shè)計(jì)了基于高精度醫(yī)療芯片ADS1292 的心電信號(hào)采集電路，具有內(nèi)置放大器電路和高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以減少共模干擾。通過(guò)其CH2 通道輸入心電信號(hào)后，ADS1292 將放大心電信號(hào)并通過(guò)內(nèi)部調(diào)制電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，增益設(shè)置為1 000。系統(tǒng)將右腿驅(qū)動(dòng)的輸出直接反饋給兩個(gè)檢測(cè)電極，以實(shí)現(xiàn)右腿驅(qū)動(dòng)電路的功能。SPI 通信接口在模數(shù)轉(zhuǎn)換之后將心電信號(hào)傳輸?shù)轿⑻幚砥鱏TM32。STM32負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體控制，包括初始化、配置藍(lán)牙、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及讀取和存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)。

（2）心電信號(hào)預(yù)處理模塊。訓(xùn)練和評(píng)估數(shù)據(jù)使用在睡眠疾病診斷領(lǐng)域公認(rèn)的權(quán)威數(shù)據(jù)庫(kù)-Apnea-ECG數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包括35 個(gè)訓(xùn)練組和35 個(gè)測(cè)試組，數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)8～10 h，總呼吸暫停時(shí)間均值約為6 h，16 843條數(shù)據(jù)，采樣頻率100 Hz。30 位男性和5 位女性，平均年齡46 歲。

由于心電信號(hào)存在一定噪聲，不能直接使用，根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)，采取中值濾波法去除基線(xiàn)漂移，以bior3.5小波作為小波基進(jìn)行5 層小波分解，采用小波閾值法去除信號(hào)中的工頻干擾和肌電干擾，通過(guò)降噪過(guò)程，信號(hào)的心電特征變得更明顯。選取PT算法精準(zhǔn)定位心電信號(hào)的QRS波，并提取到RR間期（RRI）。

（3）心電信號(hào)特征提取模塊。基于心電信號(hào)RR間期進(jìn)行心率變異性（HeartRateVariability，HRV）分析，采用HRV時(shí)域和頻域參數(shù)作為特征值，時(shí)域特征為：RRmean、SDNN、MSD、SDANN、rMSSD、NN50、PNN50、CV、HR，頻域特征為L(zhǎng)F和HF。

（4）ECG-SAS 判別模型設(shè)計(jì)模塊。采用不同的機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)算法進(jìn)行睡眠呼吸暫停的篩查，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation，BP）、支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）以及長(zhǎng)短期記憶-循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Long Short-term Memory-Recurrent Neural Network，LSTM-RNN）。為了評(píng)估分類(lèi)器，應(yīng)用Se、Sp、＋Pv、Acc和F＿score 作為判斷類(lèi)別，其中：Se表示SAHS 的正確識(shí)別率；Sp表示正常樣本的檢測(cè)率；＋Pv表示確定為SAHS時(shí)的實(shí)際響應(yīng)率；Acc表示任何樣本的檢測(cè)準(zhǔn)確度；F＿score 是對(duì)模型分類(lèi)性能的綜合評(píng)估。針對(duì)Apnea-ECG數(shù)據(jù)庫(kù)分別得到82.3%，84.2%和86.5%的測(cè)試集準(zhǔn)確率。

（5）可穿戴睡眠呼吸暫停檢測(cè)終端設(shè)計(jì)模塊。為了一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路板的實(shí)際應(yīng)用，將一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路板進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了可穿戴的硬件終端。①優(yōu)化了心電傳感器，采用具有更高的信噪比和更高的穩(wěn)定性的柔性織物電極代替穿戴的濕電極片，其導(dǎo)電傳感層由鍍銅導(dǎo)電織物制成，并通過(guò)各種涂層工藝將導(dǎo)電材料附著到織物上，構(gòu)成心電信號(hào)的單導(dǎo)聯(lián)采集電路。②進(jìn)一步優(yōu)化電路，縮小電路板尺寸，將電源、通信模塊、信號(hào)處理模塊、主控制芯片和存儲(chǔ)器所構(gòu)成的電路板，集成在控制器盒內(nèi)，通過(guò)電極按鈕與織物電極連接。所設(shè)計(jì)可穿戴的睡眠呼吸暫停檢測(cè)終端，如圖6（a）所示。

圖6 基于一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的部分成果

（6）模型遷移學(xué)習(xí)與測(cè)試模塊。將A／N 判別模型遷移學(xué)習(xí)到可穿戴終端進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。選擇了18 名成年志愿者在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬睡眠呼吸暫停實(shí)驗(yàn)。受試者佩戴所設(shè)計(jì)的可穿戴設(shè)備，進(jìn)行3 h 的呼吸正常和呼吸暫停睡眠實(shí)驗(yàn)。通過(guò)可穿戴終端采集睡眠過(guò)程中的心電數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和人工A／N標(biāo)記，用以上3 個(gè)識(shí)別模型測(cè)試標(biāo)記好的心電數(shù)據(jù)集，分別得到80.1%，82.4%和84.5%的準(zhǔn)確率。

5 面向產(chǎn)出的教學(xué)成果評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)的一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)在長(zhǎng)春理工大學(xué)、吉林醫(yī)藥大學(xué)等高校的生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果。根據(jù)教學(xué)反饋，絕大部分學(xué)生能掌握醫(yī)學(xué)電子學(xué)電路設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、生物特征識(shí)別等相關(guān)知識(shí)，能以3～5 人為1 組，完成電路設(shè)計(jì)、原理圖繪制、PCB板圖設(shè)計(jì)、焊接、程序設(shè)計(jì)、電路調(diào)試、一般的信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)、識(shí)別模型構(gòu)建等。該平臺(tái)能幫助學(xué)生建立宏觀和總體的思維，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力［17-18］。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中獲得了更大的學(xué)習(xí)空間，對(duì)本專(zhuān)業(yè)的認(rèn)可度大大提升，對(duì)醫(yī)學(xué)電子學(xué)儀器、生物醫(yī)學(xué)特征識(shí)別以及人工智能醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展有了一定的認(rèn)識(shí)，具備了一定的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。

圖6 還展示了學(xué)生基于一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的部分成果，包括智能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)腰帶及APP、帕金森病患者手運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量和評(píng)估系統(tǒng)、基于表面肌電信號(hào)的無(wú)線(xiàn)控制鼠標(biāo)、基于PPG信號(hào)的精神壓力評(píng)估系統(tǒng)。

依托本教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生完成了多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，參與多項(xiàng)學(xué)科競(jìng)賽，近幾年獲得國(guó)家級(jí)競(jìng)賽獎(jiǎng)勵(lì)13 項(xiàng)，省級(jí)項(xiàng)目16 項(xiàng)。

為了全面調(diào)查學(xué)生對(duì)一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的評(píng)價(jià)，針對(duì)2017 級(jí)、2018 級(jí)、2019 級(jí)3 個(gè)年級(jí)學(xué)生開(kāi)展問(wèn)卷調(diào)查（見(jiàn)圖7），問(wèn)卷內(nèi)容涉及到理論知識(shí)的理解程度、電路設(shè)計(jì)掌握程度、醫(yī)學(xué)信號(hào)處理掌握程度、編程語(yǔ)言的掌握程度、硬件電路板滿(mǎn)足度等多個(gè)維度，調(diào)查結(jié)果顯示學(xué)生對(duì)一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)評(píng)價(jià)很高。同時(shí)，通過(guò)建立師生之間的效果反饋評(píng)價(jià)機(jī)制，授課教師能及時(shí)調(diào)整授課方式，形成良性、動(dòng)態(tài)、有效的教學(xué)互動(dòng)。

圖7 學(xué)生滿(mǎn)意度調(diào)查

6 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合當(dāng)前人工智能醫(yī)療對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程人才實(shí)踐、科研、創(chuàng)新能力的需求，針對(duì)目前生物醫(yī)學(xué)信號(hào)獲取與處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，緊緊圍繞培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和科研素養(yǎng)的要求，開(kāi)發(fā)了一套集教學(xué)、科研、創(chuàng)新實(shí)踐為一體的生物醫(yī)學(xué)信息處理一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。分析了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)思路與理念，開(kāi)發(fā)了一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了三位一體層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合案例闡述了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。以學(xué)生成果展示、學(xué)科競(jìng)賽獲獎(jiǎng)、參與教師科研課題情況、考研就業(yè)去向等成果輸出方式，并結(jié)合問(wèn)卷調(diào)查，對(duì)一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)成果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。該平臺(tái)將生物醫(yī)學(xué)工程核心知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，使學(xué)生形成了宏觀思維，提升了學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)知度，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了實(shí)踐和創(chuàng)新能力，具備快速迭代與研發(fā)的能力。