基于電生理信號的生物醫學工程專業課程體系建設

任杰 , 田福英

上海理工大學醫療器械與食品學院（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或者肌肉的功能和狀態，為臨床診斷提供了豐富的可用信息。在生物醫學工程學科中，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生根源、處理方法、判斷依據等方面掌握信號特別是微弱信號的獲取和處理方法，是生物醫學工程專業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，促進生物醫學工程專業學生掌握較全面的信號與系統方面的知識，加強其以工程手段解決醫學問題的能力。

1 醫學電生理課程闡述信號來源

在我校的生物醫學工程專業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）從醫學應用角度闡述特殊電信號的產生和應用，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。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象和 其發生過程及機理。

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 醫學儀器課程設計信號采集電路

醫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，主要是為了培養學生對于醫學儀器的研發能力，提高其實際工作能力。在這門課程中，以心電監護儀的設計為主線，將心電監護儀分為采集、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，初步培養了學生的研發能力，讓學生懂得開發醫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。利用信號與系統課程分析和實現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學工程課程中的醫學、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系。學生也可以以生理電信號為學習目標，將相關課程關聯起來，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。