基于電生理信號的生物醫(yī)學工程專業(yè)課程體系建設

任杰 , 田福英

上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院（上海，200093）

0 引言

生理電信號是人體重要的信號之一，通過對其的研究判斷神經(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)學工程學科中，對生理電信號的獲取和處理是學生需要掌握的一門重要技能。而如何能夠從生理電信號的產(chǎn)生根源、處理方法、判斷依據(jù)等方面掌握信號特別是微弱信號的獲取和處理方法，是生物醫(yī)學工程專業(yè)學習中很重要的一項工作，通過對生理電信號的掌握，學生可以更深入地了解信號與系統(tǒng)的理論知識，更熟練地掌握關于信號獲取和處理的軟硬件知識。

因此，針對這種情況，本研究提出在本科教育階段，在相關課程中均圍繞著生物電信號設置了相關的學習內容，并在實踐課程中前后銜接，最后讓學生能夠完成一個較為完整的生理電信號處理系統(tǒng)，促進生物醫(yī)學工程專業(yè)學生掌握較全面的信號與系統(tǒng)方面的知識，加強其以工程手段解決醫(yī)學問題的能力。

1 醫(yī)學電生理課程闡述信號來源

在我校的生物醫(yī)學工程專業(yè)學生在大學一年級開設生理解剖課程。該課程中設置了生理電信號內容的講解，主要內容包括：1）從細胞層面上講解生理電信號的產(chǎn)生及作用機理。如靜息電位、動作電位和動作電位的傳播；2）從醫(yī)學應用角度闡述特殊電信號的產(chǎn)生和應用，比如心電信號、肌電信號和腦電信號等；3）從采集方法和結果分析上描述生理電信號的獲取技術和手段，以及如何利用電生理信號判斷生理機能的狀態(tài)。由此，學生可以從生理學角度理解和認識人體比較基礎但重要的電現(xiàn)象和 其發(fā)生過程及機理。

在這部分教學中，會利用動畫、仿真等手段加強教學效果，以便于學生能夠更深入地理解電生理相關的分子、細胞層次的知識，比如細胞膜、離子通道和離子泵等基礎知識。同時，利用學院的心電、肌電設備通過社區(qū)或學生活動的形式，讓學生進一步理解電生理信號的意義，為后期的信號處理打下基礎。

2 醫(yī)學儀器課程設計信號采集電路

醫(yī)學儀器課程是在電路、傳感器相關課程學習之后進行的實踐類課程，是一門綜合性、開放性、設計性的課程，主要是為了培養(yǎng)學生對于醫(yī)學儀器的研發(fā)能力，提高其實際工作能力。在這門課程中，以心電監(jiān)護儀的設計為主線，將心電監(jiān)護儀分為采集、濾波、顯示三個部分設計了三個階段性實驗。采集部分主要涉及微弱信號的采集，通過導聯(lián)或者傳感器的方式將生理電信號引出，主要熟悉傳感器、信號的采樣和AD 轉換及信號放大等電路特征。濾波部分實驗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計，包括一些基本按鍵的規(guī)劃和設計。

通過這些實驗，學生可以了解作為微弱信號的生理電信號，如何根據(jù)信號的特點完成從采集到濾波到顯示整個設計過程，如何在設計中融合電子電路、嵌入式、FPGA 等課程內容，初步培養(yǎng)了學生的研發(fā)能力，讓學生懂得開發(fā)醫(yī)療設備應該遵循的原則和注意的事項。因此，在這部分教學中，主要利用的引導啟發(fā)的教學手法，將總的原則和實驗目的告知學生，引導學生自我學習、自主設計。

3 信號與系統(tǒng)課程處理和分析生理電信號

生理電信號是屬于強噪聲背景下不穩(wěn)定的微弱信號，其信號特點是噪聲強、信號弱、頻率低，而且隨機性強，其復雜性是其它信號所不能相比的。利用信號與系統(tǒng)課程分析和實現(xiàn)生理電信號的常見的處理過程，使用Matlab 軟件對信號進行進一步處理和分析，例如數(shù)字濾波器的設計等。還可以對處理后的生理電信號進行模型的建立和進一步的分析，例如功率譜的分析、時域和頻域的特征分析等。

在這個課程體系中，可以利用前期采集電路設計時所收集的信號，將生理電信號進行頻譜分析，指導學生調整采樣頻率、特征判斷條件等，觀察調整前后的分析結果，明確采樣頻率、特征判斷條件等關鍵技術指標的選擇方法。后期學有余力的學生可以根據(jù)信號的特點設計低通高通濾波或者分析電信號指標，從而實現(xiàn)對生理電信號的自動化處理過程，或者獲得更準確更具有臨床價值的信號。

基于以上三部分課程建設，以生理電信號為主線，完整地涵蓋了生物醫(yī)學工程課程中的醫(yī)學、電學、信號學的相關課程，形成完整的課程體系。教師可以以生理電信號為主線，講述各門課程不同的內容以及與前后期課程之間的聯(lián)系。學生也可以以生理電信號為學習目標，將相關課程關聯(lián)起來，從信號的起源、處理到后期的判斷，了解整個信號與系統(tǒng)的過程，從而清楚地認識生理電信號的相關知識及處理電信號的軟硬件方法。