淺談生物醫學的信號處理方法

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淺談生物醫學的信號處理方法:淺談現代生物醫學工程的發展現狀

【摘要】現代生物醫學工程是一門多學科的交叉學科，它作為一門獨立學科發展的歷史尚不足50年，但由于它在保障人類健康和為疾病的預防、診斷、治療、康復服務等方面所起的巨大作用?，F代生物醫學工程已經成為當前醫療保健性產業的重要基礎和支柱。本文主要介紹了國內現代生物醫學工程的發展現狀。

【關鍵詞】現代生物醫學工程；發展現狀

0.前言

一旦提及醫學，讓人第一時間想到的就是疾病，醫院，健康，病人等等?，F代生物醫學工程也不例外，作為一個多學科交叉的綜合性學科，現代生物醫學工程也在為人類的健康事業默默地奉獻著。

隨著社會水平的極大提高，人們把視角從生存轉移到生活上來，進而就是思考如何更好的生活。不言而喻，一個健康的身體是一切生活活動的前提和保證。如何健康的生活，如何準確及時地檢查出病人的疾病，如何將現有的醫療設備改進，如何開發出更具使用價值的醫療器械等等，都成為生物醫學工程所要考慮的問題。

生物醫學工程學是綜合生物學、醫學和工程學的理論和方法而發展起來的邊緣性學科，其基本任務是運用工程技術手段，研究和解決生物學和醫學中的有關問題。生物醫學工程學的研究是以應用基礎性研究為主，其領域十分廣泛，并在不斷擴展之中。就現階段而言，生物醫學工程學的研究主要涉及生物力學、生物材料學、人工器官、生物系統的建模與控制、物理因子的生物效應、生物系統的質量和能量傳遞、生物醫學信號的檢測與傳感器原理、生物醫學信號處理方法、醫學成像和圖像處理方法、治療與康復的工程方法等。

1.國內發展現狀

1.1發展還不完善

中國的現代生物醫學工程學科發展較晚，相對于國外一些發展較早的國家來說，我們對它的認識還很淺顯，跟國外一些技術先進國家的距離還很遠，很多人包括一些從事其研究的人對它都有或多或少負面的評價，他們普遍認為現代生物醫學工程是一個生物、醫學、工程學的交叉學科，但實際的培養計劃中生物、醫學學的很少，電子學得多些，學科廣而不專，就業不好。它尚未形成自己的獨立基礎理論與知識體系，以融合各交叉學科知識為自己的基礎 ，缺乏永恒的研究主題與固有的中心目標，隨交叉學科的發展和應用對象的需求而變化。很多學習現代生物醫學工程的人對自己的專業抱有消極的態度，對自己的前途感到渺茫，就業形勢不是很樂觀，這也反映了現代生物醫學工程發展不完善，沒有形成很好的體系，沒有在國內高校中產生普遍影響力。

1.2發展方向不夠全面

現代生物醫學工程就目前的情況來看，還主要將目光著眼于醫療器械的研發和使用，發展方向比較單一。僅僅著眼于醫療器械而不是全面的發展，就會產生很大的局限性。這也深深影響著在這一領域學習的學生，不能使他們從一開始就形成一種將自己的研究全面化的思想，使學生的學習變得保守，進而失去學習的動力，這樣就不利于生物醫學工程更好的發展。

1.3包含的學科多雜

我們知道，現代生物醫學工程是綜合了生命科學和工程技術，理、工、醫相結合的新興交叉學科，是一門多學科交融的邊緣學科，其中工程學又包括電子學，計算機科學，力學，材料科學，機械制造學等。生物醫學包括生物學，神經科學，內科學，外科學，矯形科學等。現代生物醫學工程學習的重點是生物醫學，但是在解決一些生物醫學問題的時候往往要借助于工程學的知識，掌握工程學的知識對于更好的掌握生物醫學又起著至關重要的指導意義。

1.4發展前景廣闊

正因為現代生物醫學工程在我國起步較晚，發展還不完善，他本身就有很多空白領域可以開拓。

21世紀是生命科學大發展的時代，工程技術與生命科學進一步地互相滲透結合，必將推動醫學跨入一個嶄新的時代。大家都知道看病治病離不開醫療器械，現在是，將來也是，但如何將未來的診療儀器實現智能化，檢查結果，治療程序均可實行人機對話都是我們所要研究的問題。另外中國目前大部分醫院設備陳舊，而且高端醫療設備更是幾乎全部進口，所以說市場是龐大的。更好地提高國內在生物醫學工程方面的研究水平和深度，增強人們尤其是大學生對生物醫學工程的了解程度，培養出一批在這方面的專業人才，具體來說就是能夠研發制造出屬于我們自己的高科技醫療器械也是有待發展的。

由于現代生物醫學工程是一門多學科交叉的學科，我們就很容易理解，各個學科的發展都將影響到生物醫學工程的發展。因此生物醫學工程并不是一個學科在發展，其他學科，其他領域的發展，產生得一些成果都可以為生物醫學工程服務。這就好比各個學科，各個分支都在無形中為生物醫學工程的發展默默貢獻力量。由此可見，生物醫學工程匯集了各個領域的尖端技術，這也就為生物醫學工程更好更快的發展奠定了良好的基礎。

現代生物醫學工程在生物醫學研究、知識產生、轉化研究和衛生保健中扮演了許多重要角色，對提高醫學水平，促進醫學科學的現代化發揮著關鍵性的作用我們期待著我國能夠培養出一批生物醫學工程方面的人才，為我國的生物醫學工程事業貢獻力量，也期待著我國生物醫學工程的快速發展，在不久的將來展現出嶄新的面貌。

淺談生物醫學的信號處理方法:淺談現代生物醫學工程的發展現狀

摘要：現代醫學本質上是生物醫學。工程科學的原理和方法與生命科學的原理和方法相結合，認識生命運動的規律，并用以維持、促進人的健康。生物醫學工程已經深入于醫學，從臨床醫學到醫學基礎，并深刻地改變了醫學本身，而且預示著醫學變革的方向。本文通過對于現代生物醫學工程的現狀進行了分析，然后將現代生物醫學工程的發展做了介紹。

關鍵詞：生物醫學生物醫學工程發展現狀

1生物醫學工程簡述

1.1生物醫學工程。生物醫學工程是一門新興的邊緣學科，它綜合了工程學、生物學和醫學的理論和方法，并運用工程技術手段去控制這類變化。其目的是解決醫學中的有關問題。

生物醫學工程興起于20世紀中葉，生物醫學工程學與其他學科一樣，其發展也是由科技、社會、經濟諸多因素所決定的。生物醫學工程與醫學工程和生物技術有著十分密切的關系，成為世界各國競爭的主要領域之一。生物醫學工程是因醫學進步的需要而興起的一個學科，其內涵是將工程科學的原理和方法與生命科學的原理和方法相結合，認識生命運動的規律，以維持和提高人類的健康水平。

1.2生物醫學工程的貢獻。在過去的五十年中，生物醫學工程為醫學的發展與進步做出了很大的貢獻，可概括為以下兩點：第一、發展了一系列以疾病的診斷和治療為目標的醫學儀器和裝備；第二、從技術科學角度出發，追求技術的先進性，但總體來說忽略了療效價格比。

2生物醫學工程研究領域簡述

2.1生物醫學工程研究領域。當前生物醫學工程研究的重要領域包括結合生物學、醫學和生理學來研究生物體，特別是人體的生長、運動及消亡規律。第一、人工器官，主要研究模擬人體器官的結構和功能；第二、生物系統建模與仿真，并用計算機求解該模型以分析和預測各種條件下生物系統運行的機制和狀態；第三、生物醫學信號檢測與傳感技術，對生物體中含有的生命現象等信息的信號進行檢測和量化，從中獲取各種生物信息；第四、生物醫學信息處理技術，研究如何從被湮沒在干擾和噪聲背景里的生物醫學信號中提取有用信息的方法；第五、醫學成像與圖像處理技術，研究如何將人體有關生理、病理的信息提取出來并顯示為直觀的圖像、圖形方式。

2.2領域拓展。醫學的變革必然導致生物醫學工程發展方向的重大轉變，并大大拓展學科的領域范圍。據相關研究顯示，對人類健康、生命威脅最大的那些疾病的致病因素中，生物學因素并不占主導地位。即使是癌癥，包括基因組在內的全部生物學因素亦僅占29%；而生活方式和行為卻占主導地位；環境因素亦起重要作用。通過研究，進而使得生物醫學工程形成一個以提高人的健康和功能水平，增進人際和諧，強化群體效能為目標的多個學科領域――人類健康工程。這需要全新的理念、方法、技術和技術裝備。

3我國生物醫學工程存在的問題與不足

生物醫學工程是當代最受重視、最具吸引力的高科技領域之一。我國的生物醫學技術及產業與世界先進水平相比尚存在著很大差距，我國生物醫學工程與其他國家相比還存在以下幾點問題與不足之處。

3.1我國生物醫學工程國內市場處于被西方發達國家壟斷的狀態，我國生物醫學工程在發達國家跨國公司的強力沖擊下，生物醫學工程產品貿易逆差巨大。

3.2當前，我國國內在生物醫學工程技術標準、進口稅收等方面的滯后政策，很大程度上制約了我國生物醫學產業的發展進程。

3.3我國生物醫學技術及產業是知識密集、多學科交叉、競爭挑戰激烈的高科技領域，在當今國際經濟競爭嚴重激烈的大背景下生物醫學工程也不例外。

3.4我國的生物醫學技術及產業與世界先進水平相比存在著非常大的差距，主要產品的技術水平與世界先進水平相差近20年。在中國，生物醫學產品總產值僅占世界總銷售額的2%左右。

3.5我國國內生物醫學領域缺乏自主創新，存在著對引進國外產品全力仿制的行為。我國大多生物醫學工程是因循已有知識和技術，技術儲備匱乏；我國大多生物醫學工程往往寄希望于以市場換技術，結果丟了市場而未換到技術。

3.6我國國內生物醫學生產企業的數量雖多，但規模小、協作性差。加上市場信息滯后，出現了嚴重的低水平重復現象。

4解決我國生物醫學工程存在問題的對策建議

4.1調整進口稅收方面政策。調整進口稅收方面的工作，適當進口元部件研發的國產CT機制造成本。使本應以低成本為競爭優勢的國產醫療設備的優勢幾近喪失，而成了高價貨。因此，一定要加快調整生物醫學產品進口關稅結構，促進民族醫療設備產業的發展。

4.2提高生物醫學產品技術標準。由于技術標準落后，就技術貿易壁壘而言，在生物醫學產品領域我國幾乎處于不設防狀態。因而，要提高生物醫學產品技術標準，減緩并制約國外產品甚至二手設備的長驅直入。

4.3加緊實施生物醫學產品技術質量標準化戰略。在積極采用國際標準的同時，建立以行業管理為基礎的進口產品監管體系。進一步加快建立我國生物醫學產品技術質量標準體系。

4.4加大財政投入，優化科研成果轉化體系。一方面，在國家“973計劃”、“863計劃”、國家自然科學基金中增加生物醫學技術及產業立項和投入；另一方面，可以將生物醫學技術及產業列入國家高新技術產業管理范疇并放在突出地位，享受國家高新科技產業政策；此外，可以建立國家生物醫學技術及產業發展基金。

5對于生物醫學工程未來發展的預測

（1）生物醫學工程介入性微創，將來激光技術，納米技術和植入型超微機器人將在醫療各領域里發揮重要作用。

（2）各種生物醫學工程診療儀器、實驗裝置趨向智能化，遠程醫療信息網絡化。

（3）生物醫學工程解決了不能滿足疾病早期診斷的需要。隨著PET的問世和應用，形態和功能相結合的新型檢測系統將有大發展。非影像增顯劑型心血管、腦血管影像診查系統將被應用。

（4）生物醫學工程材料和藥物相結合的新發展，植入型藥物長效緩釋材料，可逆抗生育絕育材料、組織生長可降解材料、生物止血材料將有新突破。

（5）生物材料和組織工程將有較大發展，生物醫學工程中的生物機械結合型、人工器官將在臨床醫療中廣泛應用。

淺談生物醫學的信號處理方法:生物醫學信號處理方法概述

摘 要:生物醫學信號是人體生命信息的集中體現,深入進行生物醫學信號檢測與處理的理論與方法的研究對于認識生命運動的規律、探索疾病預防與治療的新方法都具有重要的意義。

關鍵詞:生物醫學信號 信號檢測 信號處理

1 概述

1.1 生物醫學信號及其特點

生物醫學信號是一種由復雜的生命體發出的不穩定的自然信號,屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號,信號本身特征、檢測方式和處理技術,都不同于一般的信號。生物醫學信號可以為源于一個生物系統的一類信號,這些信號通常含有與生物系統生理和結構狀態相關的信息。生物醫學信號種類繁多,其主要特點是:信號弱、隨機性大、噪聲背景比較強、頻率范圍一般較低,還有信號的統計特性隨時間而變,而且還是非先驗性的。

1.2 生物醫學信號分類

按性質生物信號可分為生物電信號(Bioelectric Signals),如腦電、心電、肌電、胃電、視網膜電等;生物磁信號(Biomagnetic Signals),如心磁場、腦磁場、神經磁場;生物化學信號(Biochemical Signals),如血液的pH值、血氣、呼吸氣體等;生物力學信號(Biomechanical Signals),如血壓、氣血和消化道內壓和心肌張力等;生物聲學信號(Bioacoustic Signal),如心音、脈搏、心沖擊等。

按來源生物醫學信號可大致分為兩類:(1)由生理過程自發產生的主動信號,例如心電(ECG)、腦電(EEG)、肌電(EMG)、眼電(EOG)、胃電(EGG)等電生理信號和體溫、血壓、脈博、呼吸等非電生信號;(2)外界施加于人體、把人體作為通道、用以進行探查的被動信號,如超聲波、同位素、X射線等。

2 生物醫學信號的檢測及方法

生物醫學信號檢測是對生物體中包含的生命現象、狀態、性質和成分等信息進行檢測和量化的技術,涉及到人機接口技術、低噪聲和抗干擾技術、信號拾取、分析與處理技術等工程領域,也依賴于生命科學研究的進展。信號檢測一般需要通過以下步驟(見圖1)。

①生物醫學信號通過電極拾取或通過傳感器轉換成電信號;②放大器及預處理器進行信號放大和預處理;③經A/D轉換器進行采樣,將模擬信號轉變為數字信號;④輸入計算機;⑤通過各種數字信號處理算法進行信號分析處理,得到有意義的結果。

生物醫學信號檢測技術包括:(1)無創檢測、微創檢測、有創檢測;(2)在體檢測、離體檢測;(3)直接檢測、間接檢測;(4)非接觸檢測、體表檢測、體內檢測;(5)生物電檢測、生物非電量檢測;(6)形態檢測、功能檢測;(7)處于拘束狀態下的生物體檢測、處于自然狀態下的生物體檢測;(8)透射法檢測、反射法檢測;(9)一維信號檢測、多維信號檢測;(10)遙感法檢測、多維信號檢測;(11)一次量檢測、二次量分析檢測;(12)分子級檢測、細胞級檢測、系統級檢測。

3 生物醫學信號的處理方法

生物醫學信號處理是研究從被干擾和噪聲淹沒的信號中提取有用的生物醫學信息的特征并作模式分類的方法。生物醫學信號處理的目的是要區分正常信號與異常信號,在此基礎上診斷疾病的存在。近年來隨著計算機信息技術的飛速發展,對生物醫學信號的處理廣泛地采用了數字信號分析處理方法:如對信號時域分析的相干平均算法;對信號頻域分析的快速傅立葉變換算法和各種數字濾波算法;對平穩隨機信號分析的功率譜估計算法和參數模型方法;對非平穩隨機信號分析的短時傅立葉變換、時頻分布(維格納分布)、小波變換、時變參數模型和自適應處理等算法;對信號的非線性處理方法如混沌與分形、人工神經網絡算法等。下面介紹幾種主要的處理方法。

3.1 頻域分析法

信號的頻域分析是采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f),從而將時間變量轉變成頻率變量,幫助人們了解信號隨頻率的變化所表現出的特性。信號頻譜X(f)描述了信號的頻率結構以及在不同頻率處分量成分的大小,直觀地提供了從時域信號波形不易觀察得到頻率域信息。頻域分析的一個典型應用即是對信號進行傅立葉變換,研究信號所包含的各種頻率成分,從而揭示信號的頻譜、帶寬,并用以指導最優濾波器的設計。

3.2 相干平均分析法

生物醫學信號常被淹沒在較強的噪聲中,且具有很大的隨機性,因此對這類信號的高效穩健提取比較困難。最常用的常規提取方法是相干平均法。相干平均(Coherent Average)主要應用于能多次重復出現的信號的提取。如果待檢測的醫學信號與噪聲重疊在一起,信號如果可以重復出現,而噪聲是隨機信號,可用疊加法提高信噪比,從而提取有用的信號。這種方法不但用在誘發腦電的提取,也用在近年來發展的心電微電勢(希氏束電、心室晚電位等)的提取中。

3.3 小波變換分析法

小波分析是傳統傅里葉變換的繼承和發展,是20世紀80年代末發展起來的一種新型的信號分析工具。目前,小波的研究受到廣泛的關注,特別是在信號處理、圖像處理、語音分析、模式識別、量子物理及眾多非線性科學等應用領域,被認為是近年來在工具及方法上的重大突破。小波分析有許多特性:多分辨率特性,保證非常好的刻畫信號的非平穩特征,如間斷、尖峰、階躍等;消失矩特性,保證了小波系數的稀疏性;緊支撐特性,保證了其良好的時頻局部定位特性;對稱性,保證了其相位的無損;去相關特性,保證了小波系數的弱相關性和噪聲小波系數的白化性;正交性,保證了變換域的能量守恒性;所有上述特性使小波分析成為解決實際問題的一個有效的工具。小波變換在心電、腦電、脈搏波等信號的噪聲去除、特征提取和自動分析識別中也已經取得了許多重要的研究成果。

3.4 人工神經網絡

人工神經網絡是一種模仿生物神經元結構和神經信息傳遞機理的信號處理方法。目前學者們提出的神經網絡模型種類繁多。概括起來,其共性是由大量的簡單基本單元(神經元)相互廣泛聯接構成的自適應非線性動態系統。其特點是:(1)并行計算,因此處理速度快;(2)分布式存貯,因此容錯能力較好;(3)自適應學習(有監督的或無監督的自組織學習)。

淺談生物醫學的信號處理方法:基于生物醫學信號處理技術的醫療檢測與診斷

摘要：二十一世紀是高新技術發達的世紀，許多的領域的引進了高新技術，信號的分析和處理技術在許多學術領域得到大量應用，許多學科都在關注這一技術的發展。而在生物醫學領域，生物醫學信號處理就是一個非常重要的角色。這些信號一般含有生物系統生理與結構狀態相關的信息，因此，這些信號在生物醫學領域具有非常重要的價值。這篇文章就從生物醫學信號處理的角度，重點探討生物醫學具有的特點、檢測方法、以及診斷意義。

關鍵詞：生物醫學信號 技術處理 醫療檢測 診斷

1 生物醫學信號特點

生物醫學信號其實就是人體內發出的光、電、聲的信號，但是基于人體內的特點，生物醫學信號與一般醫學信號相比，具有不同的特點，比如：信號不強，在母親體內得到胎兒心電信號就非常微弱[1]。噪聲較強，由于人體本身信號不強，加上人體是一個綜合的復雜體，所以，信號非常容易遭受噪音影響。頻率范圍通常不高，其中除了心音信號頻譜有一點高以外，別的電生理信號頻譜都不高。隨機性較強，生物醫學信號一方面是隨機的，同時也是平穩的。正是由于這些特點的存在，讓生物醫學信號具有廣泛的應用空間，對許多醫療診斷具有重要意義。

2 小波變換在醫學中的應用

2.1 在電腦信號方面的應用

在傳統的臨床電腦影像分析中，基本是采用目測標注的模式來進行，這種方法容易讓工作人員疲勞，并且誤差很大，造成臨床上多導EEG的“特征提取”與“數據壓縮”始終處于主觀處理上[2]。在分析過程中，窄窗口用于分析高頻，寬窗口用于分析低頻，這種分析方法體現了相對帶寬頻率分析與適應變分辨分析思想，有效的克服了上面的缺陷，有效的提升了信號及時處理途徑。（1）EEG信號檢測：在以往的瞬態檢測中，通常是利用傅立葉變變換和匹配濾波的方法來進行，但是，后者在檢測中需要相關信號的支持，前者一般只對有周期性并且能持續發出的信號有效。而小波變換檢測具有突出局部特征的能力，對短時瞬變的低能量較為有效，而且不需要提前先驗知識。利用小波變換中的多尺度分析，可以參照EEG中的棘慢波、偽差等不同尺度的表現來實現對異常波的檢測。（2）EP信號檢測：因為小波變換利用的基波的頻率分辨率和時間各不相同，因此小波變換也使用于別的非平衡信號。在進入2010年以來，采用小波多分辨分析來提取誘發電位，在提高信噪比、減少刺激回合數等方面都研究已經向前邁進了一大步，在不久的將來有實現誘發電位單詞提取的可能。

2.2 在心電信號處理中的應用

ECG作為生物醫學信號的重要組成部分，是非常適合利用時間尺度與時頻來進行分析的。眾所周知，P、T、QRS就是ECG信號的組成部分，在這個組成中，各波的頻率特性有所不同。通過以上的分析可以得出，ECG是一種具有明顯時間尺度與時頻特征的生物醫學信號。（1）ECG信號檢測。QRS波群的檢測方法多種多樣，常用的主要有：面積法、閾值法、斜率法等[3]，這些方法在使用過程中具有很多的弊端，如果遇見干擾嚴重等情況時，通常錯誤率較大。在最近的一些檢測中，有的工作人員將小波變換引入到了ECG信號特征值的獲取和識別中，而且對于解決上面的弊端起到了非常明顯的作用。 （2）ECG晚電位檢測。當下，在累加平均是許多晚電位分析儀器檢測采用的主要手段。Meste有效的利用了小波變換對晚電位獲取進行了討論。

2.3 生物醫學信號的處理方法

生物醫學信號處理是研究從被干擾和噪聲淹沒的信號中提取有用的生物醫學信息的特征并作模式分類的方法。生物醫學信號處理的目的是要區分正常信號與異常信號，在此基礎上診斷疾病的存在。近年來隨著計算機信息技術的飛速發展，對生物醫學信號的處理廣泛地采用了數字信號分析處理方法：如對信號時域分析的相干平均算法；對信號頻域分析的快速傅立葉變換算法和各種數字濾波算法；對平穩隨機信號分析的功率譜估計算法和參數模型方法；對非平穩隨機信號分析的短時傅立葉變換、時頻分布（維格納分布）、小波變換、時變參數模型和自適應處理等算法；對信號的非線性處理方法如混沌與分形、人工神經網絡算法等。

3 光學技術在癌癥診斷中的應用

在癌癥診斷應用中，將光線安裝在可以自由轉動的儀器上，利用光在移動中碰見組織而反射的路徑，這時，光的許多特征就可以為觀察者提供許多的人體內在結構觀察窗口。光學人體掃描儀主要是為了定位、診斷、識別人體內部患處的問題，對患者內部相關部位進行照亮，讓觀察人員了解到患處與周圍內在結構之間的不同之處，進而實現有效的診斷。

自體熒光技術；在癌癥診斷中，光譜技術很早的已經得到了使用，主要起源于光動力學質量研究階段。在70年代左右，眾多癌癥專家都在嘗試著將光敏熒光法應用到癌癥診斷中，并且取得了理想的效果。但是，利用這種技術進行診斷時，患者必須提前注射抗光敏藥物，但是，這種藥物存在著很多副作用，所以，這種診斷方法不能大量使用。為了克服這種診斷的弊端，“自體熒光法”檢測激光誘導的腫瘤組織自體特征熒光的方法得到了許多人的關注。

國內一些專家進行了大量的共振喇曼光譜、血清自體熒光實驗研究、進行了許多的統計分析，通過波長激光對患者的血清處理變化，觀察自體熒光的信號變化與共振喇曼峰二者之間有無明顯差異性，進而對癌癥患者進行診斷。實驗結果說明：食道癌、胃癌、胰島癌等癌癥患者在經過血清激光作用治療后，喇曼光譜有明顯的差異性[4]， 并且熒光信號強度在降低，熒光峰發生了變化，變化幅度與正常人相比要大得多。

一些癌癥學者又通過自體熒光體側檢測系統在結腸鏡下測量獲取組織自體熒光光譜，在對光譜進行判別分類時，是采用的多元判別法。實驗的實驗結果顯示：所采用的多元判別法可以依靠很高的特異性與靈敏性來分別腫瘤組織和正常組織。

4 結語

綜上所述，伴隨著研究的深入，理論研究更加成熟、通信系統和醫學圖像歸檔相續出現、家庭醫療保健器材快速發展、遠程醫療診斷需求不斷提升，對醫學信號的圖像增強、分析處理、壓縮、去噪等多方面提出了相應的要求，在這種背景下，通過現代分析方法和傳統分析方法的結合，足以滿足未來發展的需要，而生物醫學信號技術的出現，對未來的醫療檢測與診斷具有非常重要的促進作用。

淺談生物醫學的信號處理方法:《生物醫學信號處理》本科教學探討

【摘 要】《生物醫學信號處理》是生物醫學工程專業的一門主要的專業課程，文章通過分析該課程的特點，以及結合本專業該課程的實際情況，探討從課堂教學、實踐教學以及和其他專業課程聯合三個方面進行課程教學改革。

【關鍵詞】生物醫學工程；信號處理；教學改革

生物醫學工程是運用自然科學和工程技術的原理和方法，研究人體的結構、功能，并從工程角度解決防病、治病等問題的一門綜合性高技術學科。而生物醫學信號處理是生物醫學工程的一個重要研究領域。

一、課程特點

生物醫學信號處理是生物醫學工程專業的重要專業課程，在生命科學基礎研究、醫學診斷和臨床治療等方面均起著重要的作用，已成為國內外大多數生物醫學工程專業本科教學大綱中的專業基礎課程，它為學生進一步學習及開展科研工作奠定了基礎。該課程內容包含生物醫學信號的測量、處理和定量描述；還有探測生物醫學信號源，描述一個生物醫學物理系統的輸入與輸出信號之間內在聯系。通過這些內容的學習培養學生掌握生物信號處理的基本原理、方法和發展趨勢，使學生具備獲取、處理和解釋生物醫學信號的能力。該課程充分體現了生物醫學與工程學的交叉性，其綜合性、理論性和實驗性都很強，因此其教學過程對于培養學生運用工程技術手段解決生物醫學領域具體問題的能力具有重要意義。

從課程教學目標來看，目前講授該課程的國內外情況并無太大差異，即：使學生學會生物醫學信號處理的基本理論和方法，能夠應用數字信號處理技術對檢測到的心電、腦電和其他各類生理信號進行處理，學會數字濾波器的設計。生物醫學信號處理課程涉及到大量的定理、公式、變換以及算法，與高等數學、復變函數、數理方程、模電等基礎課程密切相關。由于教學內容上涉及到大量的算法理論與公式推導，且具有一定的難度，因而對于生物醫學工程專業的學生來說，有些單調枯糙，理解起來也比較困難，因此該課程的課堂教學環節和實踐教學環節需不斷完善和改革，以期獲得較好的教學效果。

二、教學改革內容

（一）針對生物醫學信號處理課程的特點，改進課堂教學的形式

作為一門重要的生物醫學工程學科專業課，生物醫學信號處理隨著科學研究的發展也在不停的變化和發展，因此必須把講解經典方法和介紹最新發展動態結合起來。目前，課堂教學的內容主要有隨機信號基礎、隨機信號檢測、參數估計、功率譜估計、匹配濾波、維納濾波、自適應濾波，涉及面廣、數學公式多、理論概念抽象、實際應用知識較難掌握。為了充分調動學生的主動性，需采用各種教學手段克服學生的畏難情緒。首先，根據教學內容修改教學課件，調整理論推導與實際應用等內容的比例；另外在教學中更多地加入與MATLAB軟件的互動以及教學演示軟件的操作，讓學生能更好的掌握相關知識。

MATLAB是一個主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的計算環境，可以繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序，在信號處理與通訊、信號檢測中發揮很大的作用。其豐富的可修改的函數庫也可給學生提供好的實踐空間。通過MATLAB軟件的調用可實現生醫信號處理中常用的處理算法的直觀化。教學課件中與MATLAB的交互主要采用函數調用的方式，簡潔明了，讓學生對各種算法處理的效果有直觀的認識；

另外還采用基于MATLAB的圖形用戶界面（GUI）編寫教學演示軟件，教師或學生通過與軟件界面的交互了解本課程中常見信號處理算法的功用，數據的導入導出，各種算法的軟件實現方法等等，該軟件目前已初步成形，還在不斷改進和完善當中。

（二）改變實驗教學的形式

任何一門與實際技術技能相關的課程都需要實驗環節。實驗教學是現代高等教育中必不可少的重要環節。通過實驗，一方面可以加深學生對所學理論知識的理解和掌握，另一方面也是提高學生動手能力和將理論知識應用于實際問題的有效途徑。為了更好的掌握知識點，生醫信號處理的實驗教學通過生醫課程設計的實踐環節來進行。根據教學內容設置了3-4個綜合的生理信號處理的程序設計題目。如題目“心電信號的QRS復波檢測”讓學生了解了心電信號的特點，熟悉了低通、高通、帶通等濾波器的設計與計算機實現以及熟悉使用MIT/BIH數據庫；題目“維納-霍夫方程”讓學生對維納濾波的知識進行鞏固，熟悉其計算機實現，對尋找最小均方誤差意義下的最優濾波器有更深的認識，且能觀察維納濾波對一些不同的常見的生理信號，如心電，腦電信號的處理效果；題目“Yule-Walker方程”讓學生通過編程對實際生理信號（例如腦電）建立AR模型，從而對參數模型法估計功率譜有了更深的了解，且對使用白噪聲驅動生成隨機信號，腦電數據壓縮等方面也有了更直觀的感受。

生物醫學信號處理課程設計內容設置多樣化，既涉及到生醫信號處理課程中的主要內容，如信號檢測、最佳線性濾波器設計、現代功率譜估計方法等；同時又對數字信號處理的基本內容進行了復習和鞏固。除了上述內容之外，還進一步鍛煉了學生編程的能力。還訓練了學生獲取生理信號的能力，學生既可以利用實驗室現有的醫療儀器如心電圖機、腦電圖儀等獲取心電、腦電信號，亦可通過MIT/BIH數據庫獲得所需的生理信號。

在生物醫學信號處理課程設計實踐教學環節中鼓勵學生共同完成實驗任務并有不同的成果展示。在團隊中每個學生擔任不同的角色并負責不同的分工任務，他們在完成實驗任務的同時也培養了團隊合作精神并使每個學生在團隊中充分發揮了自己的特長，體驗到自己的價值。因此，既可以鞏固所學理論知識，還可以提高學生動手能力和解決實際問題的能力。

（三）與其他相關課程聯合

生物醫學信號處理是一門綜合性很強的課程，其流程為：生物醫學信號及其特性信號采集信號處理信號的識別診斷，目前的教學內容主要注重后兩個環節，前兩個涉及較少。通過綜合實踐環節，如課程設計，將本課程與其他專業課程聯系起來，使得學生對前兩個環節有較好的學習，從而對生物醫學信號處理的整體流程有完整且深刻的理解。

如在課程設計中，所有的設計內容都涉及到了對生物醫學信號及其特性的了解和信號采集這兩個環節，學生利用生醫實驗室已有的設備器件，如心電圖機、腦電圖儀、多道生理數據采集系統、傳感器平臺獲取相應的生理信號可實現對該兩個環節的知識的鞏固，同時也復習了《醫學儀器》、《生物醫學傳感器》等專業課程的相關內容，將幾門專業課程聯系成一體，使得專業學習更加的系統化。在畢業設計環節中更是經常涉及到生理信號處理的完整系統流程，既提高了設備的利用率，又鍛煉了學生解決實際問題的能力。

三、結語

在生物醫學信號處理的教學過程中，通過教學方式的不斷改革，使得學生能夠更加容易的理解和掌握專業知識，同時更多地結合實際應用，引入更多具體的生物醫學信號處理實例，將真實世界與理論研究聯系起來，從而達到使學生能學好這門課程，并培養其解決實際問題能力的目的。

淺談生物醫學的信號處理方法:醫學院校生物醫學信號處理雙語教學改革探討

摘要：針對醫學院校生物醫學工程專業必修課之一――生物醫學信號處理課程教學現狀，分析該課程實現雙語教學模式的優越性，淺析生物醫學信號處理實現雙語教學改革的重要性及途徑，從而為醫學院校生物醫學信號處理課程改革提供新方向。

關鍵詞：生物醫學信號處理;雙語教學;改革

生物醫學工程（BiomedicalEngineering）是各種工程學科同生物醫學相結合的新興交叉學科[1]。從1979年11月“國家科委生物醫學工程學科組”成立至今，中國的生物醫學工程的發展已有30余年的歷史。隨著生物醫學工程專業建設的完善，生物醫學信號處理已成為許多有生物醫學工程專業高校的必修課之一。生物醫學信號處理是繼“信號與系統”“數字信號處理”和“生理系統建?！钡日n程之后開設的面向數字信號處理應用的課程。該課程作為生物與醫學工程專業的核心課程，充分體現了生物醫學與工程學的交叉性，其綜合性、理論性和實驗性都很強，對培養學生從工程角度解決生物醫學領域具體問題的能力具有重要意義。

醫學院校課程改革主要緣于醫學科學的發展和進步。在最初的單一研究、精細分析、高度分化的基礎上，出現了多學科高度綜合、融合的基本態勢，既要求在醫學理論構成上融合，又要求在診斷治療技術應用上融合[2]。按照醫學發展的要求，將更多與自然科學、社會科學等多學科相互滲透、互相融合，從而要求醫學專業課程體系的設置隨之變化。因此，醫學院校中生物醫學工程專業的課程改革也要適應整個醫學專業課程的整體進步。這樣，課程改革要求熟悉國內外新科技的動態，不斷地掌握新的相關科學技術，吸收新知識和新技術。雙語教學是目前高校教育改革的方向之一，利用雙語教學和專業的融合，既能充分發揮雙語教學方式對學生掌握專業英語詞匯的促進作用，又能提高學生查找原文學習資源等實際能力。

本文結合筆者幾年從事生物醫學信號處理和雙語教學經驗，淺析生物醫學信號處理教學現狀及實現雙語教學改革與實踐的途徑。

1.

課程設置

天津醫科大學生物醫學工程專業建立于1986年，由神經工程、醫學儀器、物理醫學和生物信息學等方向構成。針對自身學科特點，“生物醫學信號處理”課程體系提出理論聯系實踐，因此課程學時包括36學時理論課程和18學時實驗課程。由于“生物醫學信號處理”課程含有較多定理、公式、變換以及算法，因此該課程的理論教學必然分配較多學時;同時培養學生運用工程方法解決實際問題的能力至關重要，因此實踐環節必不可少。

2.

雙語教學

雙語教學包括教材語言和授課語言兩方面。使用原文教材能夠使學生系統地了解掌握原文專業知識的表述。但由于語言等文化差異，全部利用原文教材還存在一定困難。因此合理刪減原文教材重組后編寫方式較為適宜。專業教師知識豐富，但英語授課尚有一定難度。當前高校注重人才培養和引進。許多具有博士學位的人才或留學歸國人員具備“外語+專業”的基本條件。這將有利于雙語教學，而且也易實現教學相長。

3.

教學方式

雙語課程主要目的是培養學生專業文獻的閱讀、翻譯及寫作能力。增加師生的互動能夠提高學生的積極性，如課堂上開展小應用討論，并輪流推選代表發言，鼓勵英文口頭報告;課下布置相關文獻題目，以小組形式共同完成，鼓勵用英文撰寫報告等方式。

4.

同行學習

雙語專業教師要有豐富的專業理論知識及扎實的外語基礎。但是雙語教學或偏重英文教學并不容易，因此加強雙語專業教師與英語專業教師的相互學習，進而提高雙語專業教師雙語教學的素質和水平，提高英語專業教師理解其他學科專業術語的能力。

5.

總結

在“生物醫學信號處理”雙語課程改革中，要把握理論聯系實踐的原則;根據實際情況，合理刪減重組原文教材;鼓勵師生互動;雙語專業教師與英語專業教師要互相學習和交流。