李曉歐，張 欣，白寶丹，司博宇，嚴加勇

（上海健康醫(yī)學院醫(yī)療器械學院，上海 201318）

數(shù)字信號處理是針對生物醫(yī)學工程專業(yè)本科生開設(shè)的一門重要專業(yè)課程，主要介紹數(shù)字信號處理的基本概念、基本分析方法和處理技術(shù)。該課程教學目標是培養(yǎng)學生思維能力和綜合應(yīng)用知識解決數(shù)字化工程問題的能力，并為進一步學習有關(guān)生物醫(yī)學信息處理方面的課程打下良好基礎(chǔ)。我們在教學中發(fā)現(xiàn)，學生完成該課程理論學習后，面對實際問題還是無從下手，例如，不能理解抽樣的意義以及FFT算法，不知如何設(shè)計IIR和FIR數(shù)字濾波器，不清楚如何處理電生理信號，這都不利于學習生物醫(yī)學信號的處理方法和設(shè)計流程。因此，要進行基于醫(yī)工結(jié)合的實驗教學設(shè)計，理實融合引導學生掌握數(shù)字信號處理課程的內(nèi)容[1-2]。

根據(jù)教育部“六卓越一拔尖”計劃以及《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司函 [2017]6號）等文件精神，貫穿“智能醫(yī)療”宗旨，對數(shù)字信號處理課程進行探究性實驗教學設(shè)計，補充智能醫(yī)學信號處理實驗內(nèi)容[3-4]，探索融知識傳授、能力進階、職業(yè)核心素養(yǎng)培養(yǎng)為一體的實驗教學方案，實現(xiàn)以“教”為主向以“學”和“練”為主的教學模式轉(zhuǎn)變，激發(fā)學生興趣和潛能，增加學生實戰(zhàn)信號處理體驗。使學生在數(shù)字化醫(yī)療實踐中完成從基礎(chǔ)理論到綜合提高的過渡、從書本知識到拓展創(chuàng)新的實現(xiàn)、從典型信號到醫(yī)學信號的應(yīng)用。

1 教學內(nèi)容

以問題為導向進行學習，針對課程內(nèi)容設(shè)計了6個實驗項目（見圖1），分別為連續(xù)時間信號抽樣及抽樣信號還原、快速傅里葉變換FFT、濾波器設(shè)計及實現(xiàn)、心電信號實驗、血氧信號實驗和便攜式腦電信號處理實驗。

所有實驗項目均在硬件平臺上完成。學生分組練習，在項目任務(wù)引導下拓展提高、交流討論，既可以在硬件平臺上實驗，也可以自行設(shè)計信號處理算法，完成智能分析與控制。

1.1 基礎(chǔ)訓練實驗內(nèi)容設(shè)計

圖1 數(shù)字信號處理課程實驗內(nèi)容

基礎(chǔ)訓練實驗內(nèi)容是從理論教學內(nèi)容中提煉的重點，指導學生在實驗的同時，利用數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)對連續(xù)時間信號的處理，將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，利用數(shù)字技術(shù)對其進行加工[2，5-6]。

（1）連續(xù)時間信號抽樣及抽樣信號還原。采樣是從連續(xù)到離散的橋梁，主要分析時域采樣對信號頻譜產(chǎn)生的影響及不失真條件。我們設(shè)計了連續(xù)時間信號抽樣及抽樣信號還原實驗（見圖2），以使學生掌握從連續(xù)到離散信號處理的采樣原理。

（2）快速傅里葉變換FFT。按時間抽取的基-2 FFT算法，加深學生對離散傅里葉變換定義和基本性質(zhì)的理解，學會計算離散傅里葉變換，實驗內(nèi)容如圖3。

（3）濾波器設(shè)計及實現(xiàn)。通過實驗使學生掌握巴特沃斯模擬低通濾波器、窗函數(shù)法數(shù)字濾波器的基本步驟，比較分析IIR和FIR數(shù)字濾波器，熟悉數(shù)字濾波器設(shè)計的基本步驟。

1.2 綜合提高實驗內(nèi)容設(shè)計

綜合提高實驗要求學生在掌握數(shù)字信號處理理論的基礎(chǔ)上，對實驗方法進行綜合提高訓練[7-8]。我們設(shè)計了心電信號和血氧信號采集分析實驗，讓學生了解心電信號和血氧信號的概念，熟悉心率、血氧飽和度的計算方法，進行光電容積脈搏波（Photo Plethysmo Graphy，PPG）測量。

圖2 連續(xù)時間信號采樣實驗

圖3 快速傅里葉變換實驗

圖4 心電信號實驗

圖5 血氧信號實驗

（1）心電信號實驗。該實驗采集電路主要包括傳感電路、放大電路、濾波電路、調(diào)制和解調(diào)電路。將從人體體表采集的心電信號放大、濾波，再進行調(diào)制與解調(diào)，由STM32F103VCT6微控制器處理后通過顯示屏顯示出來。該實驗可以計算心率，并在各種特殊心電波形下識別R峰，可實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗運行，預留的電流測試端口可用于功耗測量；心電波形和心率相關(guān)信息可通過藍牙發(fā)送至手機或其他設(shè)備，實驗內(nèi)容見圖4。

（2）血氧信號實驗。該實驗電路可進行雙波長PPG測量，包括LED的驅(qū)動與光電傳感器接口電路、交直流信號采集電路、雙波長信號分離電路，還可以計算血氧飽和度。主要實驗過程是微控制器發(fā)出周期脈沖信號，切換紅光與紅外光發(fā)光管狀態(tài)，血氧探頭采集數(shù)字信號，通過定時器捕獲通道上升沿，計算數(shù)字信號頻率，帶入計算公式求得血氧值與脈率值。實驗內(nèi)容見圖5。

1.3 拓展創(chuàng)新實驗內(nèi)容設(shè)計

拓展創(chuàng)新實驗要求學生運用已有知識解決實際電生理信號識別問題[9]。本文設(shè)計了腦電信號處理實驗（即腦機接口），通過便攜式腦電信號采集設(shè)備，提取腦電信號特征，分析其狀態(tài)。具體內(nèi)容是讓被試者觀察某個數(shù)字重復的次數(shù)，通過分析腦電信號，判斷被試者處于注意狀態(tài)還是非注意狀態(tài)。學生利用巴特沃斯濾波器去除干擾信號，利用快速傅里葉變換分析腦電信號各個頻段（α、β、θ、δ4個節(jié)律），然后求解4個節(jié)律的平均值、均方差，發(fā)現(xiàn)δ/α、δ/β特征最明顯，拓寬生物醫(yī)學信號分析思路。

2 教學方法

整合生物醫(yī)學信號和數(shù)字處理教學過程，形成“醫(yī)用導向思維工程訓練體系一體化構(gòu)建”方案，使學生從以理論教學為主的課堂學習階段進入以實踐教學為主的探究式學習階段，實現(xiàn)掌握生物醫(yī)學信號處理→如何應(yīng)用這些理論→動手驗證鞏固所學內(nèi)容→實現(xiàn)生物醫(yī)學系統(tǒng)設(shè)計→完成醫(yī)療器械創(chuàng)意實踐的過渡。

采用設(shè)置實例、提出問題、引導學生自主和協(xié)作學習、學生設(shè)計方案、引導學生通過實驗驗證、效果評價六步法。這個過程是學生提升能力的過程，學生在不斷的認識沖突中學習，將以往所學的理論通過實踐不斷強化，在自我評價和反思中加以鞏固。實踐機會的增加，提高了學生實戰(zhàn)能力。學生在實踐中，掌握了職業(yè)技能，從而構(gòu)建自身知識體系。

拓展創(chuàng)新實驗營造了良好的創(chuàng)新氛圍，嚴謹?shù)目蒲欣砟畋蝗谌胝鎸嵡榫?，增加了學生自主探究與合作交流的機會，而自我學習及提高能力、人際溝通技巧、職業(yè)精神等都有助于學生職業(yè)核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

3 考核方法

學生需要撰寫詳細的實驗報告，內(nèi)容涵蓋實驗目的及原理、完成實驗所需的源程序、繪制實驗中涉及的波形、報告實驗結(jié)果。最終成績不僅僅由實驗考核成績決定，而是突出實驗表現(xiàn)，強調(diào)過程性評價。實驗總成績由實驗考核和過程性評價成績組成，各占50%，見表1。

表1 實驗總成績構(gòu)成

4 結(jié)語

通過啟發(fā)、探究的方式，使學生從被動學習向探究式學習轉(zhuǎn)變，主動參與課堂教學，真正成為課堂的主人，改變了教師“滿堂灌”、學生被動學的局面。本文堅持以學生為主體、教師為主導教育理念，結(jié)合數(shù)字信號處理課程實驗教學特點，優(yōu)化教學內(nèi)容和模式，促使學生主動參與課堂教學，培養(yǎng)了學生探究意識，提升了學生探究能力。