數(shù)字信號(hào)處理第二課堂教學(xué)的探索與實(shí)踐

張 曄 張靜娜 邱明國(guó) 王 莉 桑林瓊

（中國(guó)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(guó) 重慶 400038）

隨著近代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號(hào)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(hào)處理課程具有其重要的理論和實(shí)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(hào)處理的實(shí)踐性訓(xùn)練。醫(yī)學(xué)信號(hào)例如心電、腦電等都是典型的數(shù)字信號(hào)，醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的實(shí)質(zhì)就是運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)，分析處理醫(yī)學(xué)中采集到的數(shù)字信號(hào)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(shí)際生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，不僅可以提升學(xué)生對(duì)這門課程的興趣，對(duì)于提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用能力以及獨(dú)立創(chuàng)新能力具有非常積極的意義。通過實(shí)際的第二課堂教學(xué)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)體會(huì)有以下幾個(gè)方面。

1 聯(lián)系實(shí)際醫(yī)學(xué)信號(hào)，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(hào)處理學(xué)到的知識(shí)，對(duì)實(shí)際的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行處理。通過數(shù)字信號(hào)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(duì)于工科知識(shí)在實(shí)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(cè)診斷中最為常見的四種醫(yī)學(xué)信號(hào)——心電、腦電、心音和肌電信號(hào)，將教學(xué)過程分為四個(gè)模塊，以專題的形式系統(tǒng)講解及現(xiàn)場(chǎng)操作演練。首先詳細(xì)介紹各種生理信號(hào)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(hào)采集分析系統(tǒng)采集自己的生理信號(hào)，例如采集兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)再進(jìn)行處理，這樣可以實(shí)際訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手操作能力。沒有采集條件時(shí)，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(duì)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(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，在講解中要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)特征信號(hào)的處理過程。以自發(fā)腦電信號(hào)（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(shí)。根據(jù)已知的腦電信號(hào)特征，可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)相應(yīng)的帶通濾波器，初步分離某一頻率的信號(hào)，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(hào)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(hào)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(duì)不同實(shí)際問題進(jìn)行分析、處理的能力。在實(shí)際的臨床應(yīng)用中，各種生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理方法一直都在發(fā)展與更新。數(shù)字信號(hào)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(shí)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(duì)新知識(shí)新方法的迫切需求。

心電信號(hào)處理課程中，利用教研室已有的多通道生理信號(hào)采集儀，由學(xué)生親自動(dòng)手采集心電信號(hào)。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(jì)方法如直接設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)，最后用Matlab-GUI進(jìn)行了軟件界面的設(shè)計(jì)。

腦電信號(hào)處理課程中，除去最基本的處理方法包括時(shí)域分析（波形特征參數(shù)、幅度峰值檢測(cè)、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(shí)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(dòng)力學(xué)和混沌理論應(yīng)用于腦電信號(hào)分析的非線性分析法。這些方法在課堂上簡(jiǎn)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(shí)際的醫(yī)學(xué)信號(hào)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(hào)對(duì)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(hào)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(hào)采集儀自己動(dòng)手采集心音信號(hào)，查閱文獻(xiàn)，自己編程實(shí)現(xiàn)小波去噪的過程，對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行去噪處理并與其他去噪方法進(jìn)行對(duì)比。

肌電信號(hào)處理課程中，不僅向?qū)W生介紹肌電的生理意義，同時(shí)介紹了目前肌電分析中常用的時(shí)域和頻域分析方法以及測(cè)量指標(biāo)，包括積分肌電值、均方根值、絕對(duì)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(shí)域和頻域分析方法中選擇感興趣的方法，對(duì)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(shí)驗(yàn)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(hào)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(yùn)算、靈活的程序設(shè)計(jì)流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計(jì)、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(yùn)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(yùn)用Matlab語言，并且在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)其強(qiáng)大的繪圖能力直接觀測(cè)程序設(shè)計(jì)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(hào)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(jiǎn)單地介紹軟件的基本功能，鼓勵(lì)學(xué)生自己摸索軟件的用法，并將軟件計(jì)算的結(jié)果與自己計(jì)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(shí)并掌握多種處理方法。在此基礎(chǔ)上，可以鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(bào)、專家點(diǎn)評(píng)

課程結(jié)束時(shí)，由各組學(xué)員代表集中進(jìn)行ppt匯報(bào)，對(duì)于所做的研究?jī)?nèi)容及成果進(jìn)行詳細(xì)的說明。邀請(qǐng)數(shù)字信號(hào)處理方面的專家聽取匯報(bào)并直接做出點(diǎn)評(píng)。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(shí)專家的當(dāng)面肯定對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性是一種鼓勵(lì)，而且專家的意見和建議對(duì)于學(xué)生今后在數(shù)字信號(hào)處理方面的學(xué)習(xí)具有很大的指導(dǎo)意義。

數(shù)字信號(hào)處理第二課堂的教學(xué)，在數(shù)字信號(hào)處理課程的基礎(chǔ)上，將醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)分解成4個(gè)模塊，包括心電信號(hào)、腦電信號(hào)、心音信號(hào)、肌電信號(hào)的采集及處理。以專題的形式系統(tǒng)講解及現(xiàn)場(chǎng)操作演練，介紹各種生理信號(hào)采集的基本方法，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)特征信號(hào)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(duì)不同實(shí)際問題進(jìn)行分析、處理。實(shí)踐證明，這種教學(xué)方法能夠有效培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)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(duì)于培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)復(fù)合型的實(shí)用人才具有重要的意義。

［1］程佩青.數(shù)字信號(hào)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(hào)分析[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2011,3:150-152.

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