生物醫(yī)學信號處理一體化實驗平臺設(shè)計與實踐

嵇曉強，張凌竹，龐春穎，付一喬，曹 秒，李景梅

（長春理工大學生命科學技術(shù)學院，長春 130022）

0 引 言

生物醫(yī)學信號的獲取和處理是生物醫(yī)學工程學科研究的重點方向，也是人工智能醫(yī)療的一個重要研究領(lǐng)域。先進的智能醫(yī)療終端、智能醫(yī)療機器人等研發(fā)，都需要生物醫(yī)學信號處理技術(shù)［1-3］。要想系統(tǒng)、全面掌握生物醫(yī)學信號處理知識與技能，必須學好生物醫(yī)學電子學和醫(yī)學信號處理這兩門實踐性很強的核心課，從電路的設(shè)計和調(diào)試、算法模型的搭建，到訓練參數(shù)的調(diào)節(jié)，只有經(jīng)過不斷實踐才能真正地掌握以及融會貫通。然而，大多數(shù)院校這兩門課程的實驗環(huán)節(jié)設(shè)置存在諸多問題。

（1）硬件資源方面。①硬件建設(shè)較落后，實驗硬件零散，有效利用率低，缺少集成的、一體化的實驗平臺［4］。每學期都需要重新購置實驗器件，造成實驗資源的浪費。②市面上的醫(yī)學電子教學儀器價格高、信號種類少，導(dǎo)致后續(xù)的醫(yī)學信號處理課程只能通過仿真軟件進行分析，學生無法將設(shè)計的算法直接應(yīng)用于實際提取到的生理信號上，缺乏實際體驗和感性認識，無法體會調(diào)試和誤差分析對于系統(tǒng)設(shè)計的重要性［5］。

（2）軟環(huán)境方面。對于生物醫(yī)學信息的獲取和處理而言，關(guān)乎生物醫(yī)學電子學、醫(yī)學信號處理、模式識別3 門課程內(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)致學生只能從局部層面（單門課程）了解實驗項目，無法形成系統(tǒng)的知識體系［6］。

（3）實驗內(nèi)容過于陳舊。內(nèi)容的深度不夠，廣度不足，重點不突出，實驗項目缺乏高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。實驗項目內(nèi)容并沒有跟蹤最新的行業(yè)研究動態(tài)，沒有引進人工智能相關(guān)知識，實驗數(shù)據(jù)資源如生理信號數(shù)據(jù)庫遠遠不夠，與行業(yè)需求脫節(jié)。

以上導(dǎo)致學生對于生物醫(yī)學信號處理技術(shù)的掌握不夠全面，零散的專業(yè)知識和實驗技能導(dǎo)致其對實際問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］。嚴重制約著學生工程實踐、科學研究以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［9］。

針對以上現(xiàn)狀和不足，結(jié)合當前人工智能醫(yī)療對生物醫(yī)學工程人才實踐、科研、創(chuàng)新能力的需求，緊緊圍繞培養(yǎng)學生解決復(fù)雜問題能力、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)、強實踐、重創(chuàng)新的設(shè)計思路和理念，開發(fā)了一套集教學、科研、創(chuàng)新實踐為一體的生物醫(yī)學信號處理一體化實驗平臺［10-11］。該平臺在教學實踐中取得了良好的效果，調(diào)動了學生的學習興趣，產(chǎn)出了大量的實驗成果。通過近3 年生物醫(yī)學工程專業(yè)畢業(yè)生追蹤反饋以及在校生問卷調(diào)查，顯示學生對平臺滿意度很高。

1 生物醫(yī)學信號處理一體化實驗平臺設(shè)計

以“三結(jié)合、三整合、三位一體”為設(shè)計理念，構(gòu)建基于一體化實驗平臺的學生創(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”一體化實驗平臺框圖

（1）三結(jié)合。指的是將生物醫(yī)學電子學與生物醫(yī)學信息獲取技術(shù)、人工智能技術(shù)相結(jié)合，將生物醫(yī)學知識與數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，將電路設(shè)計實驗與軟件算法研究相結(jié)合，是一個集軟硬件開發(fā)與資源共享的實驗平臺，為生物醫(yī)學工程專業(yè)學生提供一個良好、實用的實驗環(huán)境。

（2）三整合。包括：①整合了生物醫(yī)學電子學、生物醫(yī)學信號處理、模式識別等實驗課程，打通原有課程實驗之間的壁壘（見圖2）；②整合不同知識點，包括醫(yī)學信號采集、醫(yī)學電子學設(shè)計、醫(yī)學信號處理、模式識別算法、生物醫(yī)學信號特征識別等內(nèi)容，使學生把專業(yè)知識和技能串聯(lián)起來，構(gòu)建完整的知識和實驗課程體系［12］。③整合不同教學方法，探索多元化的教學方法和手段，結(jié)合創(chuàng)新競賽和科研項目課題，開展基于項目式的混合式教學模式，以學生為主學習，教師指導(dǎo)學生完成，師生協(xié)同創(chuàng)新，實現(xiàn)項目驅(qū)動實踐育人。

圖2 課程之間邏輯關(guān)系

（3）三位一體。既包含基礎(chǔ)實驗、進階實驗以及高級實驗層次遞進式實驗教學內(nèi)容，也包含由實驗教材、電路板、數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的全方位教學資源，集“硬件設(shè)計-采集、算法開發(fā)-設(shè)計、數(shù)據(jù)庫集成-驗證”為一體，構(gòu)建了一體化、分層次、多通道、全方位的實驗教學體系［13-14］。

2 一體化實驗平臺硬件系統(tǒng)設(shè)計

生物醫(yī)學信號處理一體化實驗平臺的硬件系統(tǒng)主要包括醫(yī)學電子學開發(fā)板及其附件。設(shè)計遵循模塊化理念，由生物醫(yī)學傳感器（電極）模塊、信號模擬調(diào)制模塊、主控模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、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，實物圖如圖4 所示。為了提高平臺的使用率以及空間利用率，平臺在設(shè)計時兼顧了小型化和集成化特點，電路板尺寸僅為6 cm×6 cm，而且接口豐富，便于功能擴展。

圖3 一體化實驗平臺原理示意

圖4 一體化實驗平臺硬件實物

微處理器負責系統(tǒng)的整體控制，是信號處理的核心部件?？紤]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，能夠滿足整個平臺的功能需求。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。存儲模塊具有容量大，改寫速度快等優(yōu)點，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲，可以保證長時間健康數(shù)據(jù)監(jiān)護或睡眠數(shù)據(jù)監(jiān)測的存儲需求。

平臺通信接口包括藍牙5.0、串口、USB 3 種方式，實現(xiàn)系統(tǒng)與主機之間的通信。電源供電包括大容量電池購電和電源充電器通過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、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。信號模擬調(diào)制電路主要實現(xiàn)信號的放大、低通濾波、右腿驅(qū)動、導(dǎo)聯(lián)脫落檢測等，采用集成芯片ADS1292 來設(shè)計調(diào)理電路，其內(nèi)部具有多個24 位同步采集模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，單個芯片即可實現(xiàn)本設(shè)計的要求。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，ADS1292 內(nèi)部具有右腿驅(qū)動電路、電極脫落檢測電路、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。

一體化實驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對典型生理信號采集的需要，結(jié)合生理參數(shù)測量和電路性能參數(shù)計算等相關(guān)理論知識，可以完成電路的理論計算和仿真驗證，在面板上搭建電路進行測試，對關(guān)鍵參數(shù)進行調(diào)整，提高測量精度和系統(tǒng)性能。最后，在實驗平臺電路板上完成生理參數(shù)的測量和所設(shè)計電路的驗證。它將零散的專業(yè)知識和實驗技能串聯(lián)成系統(tǒng)，使學生對生理參數(shù)測量系統(tǒng)有一個整體的、宏觀的認識，有助于學生快速掌握生理參數(shù)的測量方法、電路設(shè)計與仿真、電路調(diào)試與優(yōu)化、PCB板圖設(shè)計與制作等，課程目標之一即學生能獨立設(shè)計出一個完整可行的生理參數(shù)測量電路板。

3 實驗教學內(nèi)容設(shè)計

針對生物醫(yī)學電子學、生物醫(yī)學信號處理、模式識別3 門課程相關(guān)的知識點，設(shè)計了基礎(chǔ)、進階、高級3大類實驗，共28 個典型的實驗項目，如表1 所示，構(gòu)建了層次遞進式實驗教學內(nèi)容體系。

表1 典型實驗項目

基礎(chǔ)實驗是對原理性的實踐知識的掌握和實際操作，內(nèi)容相對基礎(chǔ)簡單，主要包括幾種典型生理信號的采集電路設(shè)計。能完成電路的理論計算和仿真驗證，并且能通過不斷調(diào)整參數(shù)，在測量過程中對電路進行測試和驗證。

進階實驗是在基礎(chǔ)實驗上引入單片機課程內(nèi)容，體現(xiàn)生理信號采集的全過程?；A(chǔ)實驗采集到的模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換交由單片機處理，信號可通過串口、藍牙、USB等方式傳輸?shù)接嬎銠C進一步分析，也可以存儲，從而實現(xiàn)基于微處理器的人體生理參數(shù)測量系統(tǒng)的設(shè)計，同時還要對關(guān)鍵參數(shù)進行調(diào)整，提高測量精度和系統(tǒng)性能。

高階實驗將部分科研課題孵化為可操作的創(chuàng)新實踐項目，著力提升實驗內(nèi)容的深度和難度，更好地詮釋出實驗內(nèi)容的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度［15-16］。實驗項目專注于智能醫(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)療機構(gòu)等應(yīng)用場景，進一步推進人才培養(yǎng)和科技創(chuàng)新有機融合。該部分項目全面考察學生生理信號采集、數(shù)據(jù)庫選擇、生理信號預(yù)處理、生物信號特征提取、分類與識別算法開發(fā)、模型測試與優(yōu)化等知識和技能的掌握程度。通過高階項目的訓練，能夠熟練掌握人工智能生物識別方法框架和流程，以及一些基本的經(jīng)典的模式識別算法。

4 實踐教學案例設(shè)計

一體化實驗平臺在教學應(yīng)用上以項目為案例，側(cè)重于實操性，將信號采集電路設(shè)計、信號處理、模式識別算法開發(fā)，通過項目串接起來，做出具有實際功能的生物信號獲取及分析系統(tǒng)［12］。

睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥（Sleep Apnea Hypopnea Syndrome，SAHS）是一種常見的睡眠疾病，嚴重危害人的生命健康，睡眠呼吸暫停綜合癥的檢測意義非常重大。本案例包括心電信號采集、心電信號預(yù)處理、心電信號特征提取、ECG-SAHS 篩查模型構(gòu)建、可穿戴睡眠呼吸暫停檢測終端以及模型遷移學習與測試幾個關(guān)鍵模塊。首先搭建和設(shè)計心電信號采集電路，正確采集到信號后，存貯或者傳輸?shù)诫娔X端，并與一體化實驗平臺采集結(jié)果相比較，不斷修正電路；接下來選擇合適的數(shù)據(jù)庫，進行信號預(yù)處理，提取特征，訓練機器學習模型。最后通過實驗平臺采集人體睡眠期間的心電信號，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，進行信號預(yù)處理，將機器學習算法模型進行實際驗證，不斷修正和優(yōu)化模型，從而設(shè)計出篩查睡眠呼吸暫停綜合癥檢測系統(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案例的處理框架

（1）心電信號采集模塊。心電電極采取兩種方案，一種是傳統(tǒng)的貼片式電極，其特點是價格低，但是長時間使用會導(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，通過涂鍍將導(dǎo)電材料黏附在紗線或者織物上。特點是價格昂貴，但是舒適性強，適合長期使用。

一體化實驗平臺電路板設(shè)計了基于高精度醫(yī)療芯片ADS1292 的心電信號采集電路，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。通過其CH2 通道輸入心電信號后，ADS1292 將放大心電信號并通過內(nèi)部調(diào)制電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，增益設(shè)置為1 000。系統(tǒng)將右腿驅(qū)動的輸出直接反饋給兩個檢測電極，以實現(xiàn)右腿驅(qū)動電路的功能。SPI 通信接口在模數(shù)轉(zhuǎn)換之后將心電信號傳輸?shù)轿⑻幚砥鱏TM32。STM32負責系統(tǒng)的總體控制，包括初始化、配置藍牙、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及讀取和存儲心電數(shù)據(jù)。

（2）心電信號預(yù)處理模塊。訓練和評估數(shù)據(jù)使用在睡眠疾病診斷領(lǐng)域公認的權(quán)威數(shù)據(jù)庫-Apnea-ECG數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包括35 個訓練組和35 個測試組，數(shù)據(jù)時長8～10 h，總呼吸暫停時間均值約為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。

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

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

（4）ECG-SAS 判別模型設(shè)計模塊。采用不同的機器學習分類算法進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（Support Vector Machine，SVM）以及長短期記憶-循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Long Short-term Memory-Recurrent Neural Network，LSTM-RNN）。為了評估分類器，應(yīng)用Se、Sp、＋Pv、Acc和F＿score 作為判斷類別，其中：Se表示SAHS 的正確識別率；Sp表示正常樣本的檢測率；＋Pv表示確定為SAHS時的實際響應(yīng)率；Acc表示任何樣本的檢測準確度；F＿score 是對模型分類性能的綜合評估。針對Apnea-ECG數(shù)據(jù)庫分別得到82.3%，84.2%和86.5%的測試集準確率。

（5）可穿戴睡眠呼吸暫停檢測終端設(shè)計模塊。為了一體化實驗平臺電路板的實際應(yīng)用，將一體化實驗平臺電路板進行了優(yōu)化，設(shè)計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)成心電信號的單導(dǎo)聯(lián)采集電路。②進一步優(yōu)化電路，縮小電路板尺寸，將電源、通信模塊、信號處理模塊、主控制芯片和存儲器所構(gòu)成的電路板，集成在控制器盒內(nèi)，通過電極按鈕與織物電極連接。所設(shè)計可穿戴的睡眠呼吸暫停檢測終端，如圖6（a）所示。

圖6 基于一體化實驗平臺開發(fā)的部分成果

（6）模型遷移學習與測試模塊。將A／N 判別模型遷移學習到可穿戴終端進行實際應(yīng)用測試。選擇了18 名成年志愿者在實驗室環(huán)境下模擬睡眠呼吸暫停實驗。受試者佩戴所設(shè)計的可穿戴設(shè)備，進行3 h 的呼吸正常和呼吸暫停睡眠實驗。通過可穿戴終端采集睡眠過程中的心電數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和人工A／N標記，用以上3 個識別模型測試標記好的心電數(shù)據(jù)集，分別得到80.1%，82.4%和84.5%的準確率。

5 面向產(chǎn)出的教學成果評價

設(shè)計的一體化實驗平臺已經(jīng)在長春理工大學、吉林醫(yī)藥大學等高校的生物醫(yī)學工程專業(yè)應(yīng)用，取得了良好的教學效果。根據(jù)教學反饋，絕大部分學生能掌握醫(yī)學電子學電路設(shè)計、醫(yī)學信號處理、生物特征識別等相關(guān)知識，能以3～5 人為1 組，完成電路設(shè)計、原理圖繪制、PCB板圖設(shè)計、焊接、程序設(shè)計、電路調(diào)試、一般的信號處理算法設(shè)計、識別模型構(gòu)建等。該平臺能幫助學生建立宏觀和總體的思維，鍛煉學生的創(chuàng)新思維和動手能力［17-18］。學生在項目實施過程中獲得了更大的學習空間，對本專業(yè)的認可度大大提升，對醫(yī)學電子學儀器、生物醫(yī)學特征識別以及人工智能醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展有了一定的認識，具備了一定的專業(yè)素養(yǎng)。

圖6 還展示了學生基于一體化實驗平臺開發(fā)的部分成果，包括智能運動監(jiān)測腰帶及APP、帕金森病患者手運動學測量和評估系統(tǒng)、基于表面肌電信號的無線控制鼠標、基于PPG信號的精神壓力評估系統(tǒng)。

依托本教學平臺，學生完成了多個實驗項目，參與多項學科競賽，近幾年獲得國家級競賽獎勵13 項，省級項目16 項。

為了全面調(diào)查學生對一體化實驗平臺的評價，針對2017 級、2018 級、2019 級3 個年級學生開展問卷調(diào)查（見圖7），問卷內(nèi)容涉及到理論知識的理解程度、電路設(shè)計掌握程度、醫(yī)學信號處理掌握程度、編程語言的掌握程度、硬件電路板滿足度等多個維度，調(diào)查結(jié)果顯示學生對一體化實驗平臺評價很高。同時，通過建立師生之間的效果反饋評價機制，授課教師能及時調(diào)整授課方式，形成良性、動態(tài)、有效的教學互動。

圖7 學生滿意度調(diào)查

6 結(jié) 語

結(jié)合當前人工智能醫(yī)療對生物醫(yī)學工程人才實踐、科研、創(chuàng)新能力的需求，針對目前生物醫(yī)學信號獲取與處理實驗教學存在的問題，緊緊圍繞培養(yǎng)學生解決復(fù)雜問題能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和科研素養(yǎng)的要求，開發(fā)了一套集教學、科研、創(chuàng)新實踐為一體的生物醫(yī)學信息處理一體化實驗平臺。分析了實驗平臺開發(fā)思路與理念，開發(fā)了一體化實驗平臺硬件系統(tǒng)，設(shè)計了三位一體層次遞進式實驗教學內(nèi)容，結(jié)合案例闡述了實驗教學過程。以學生成果展示、學科競賽獲獎、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)合問卷調(diào)查，對一體化實驗平臺教學成果進行了評價。該平臺將生物醫(yī)學工程核心知識點串聯(lián)起來，使學生形成了宏觀思維，提升了學生對專業(yè)的認知度，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了實踐和創(chuàng)新能力，具備快速迭代與研發(fā)的能力。