基于人體心電信號采集的創新實訓課設計與實踐研究

于丹洋，曹晶，滕丹，李樂

（遼寧何氏醫學院人工智能與大數據學院，遼寧沈陽 110163）

0 引言

生物醫學工程專業是利用工程學的手段方法解決醫學上的問題，是一個應用性較強的專業，其醫、工結合的顯著特點決定了專業人才培養的方式不能以傳統的理論課程講授為主，應大幅度提升專業實踐課的學時比例。并在增加實踐課比例的同時，結合專業背景，嘗試將教師的科研項目引入實踐教學，使學生在實踐基本原理的基礎上，結合具體的應用需求拓展實訓內容，讓其對所學內容的實際應用有了直觀的認識，達到活學活用的效果。以科研項目為基礎的實訓內容，既可充分利用項目資源，又可培養學生的科研實踐能力，為其實習、畢業設計打下了良好的基礎。

1 原實訓課的教學內容

專業原有的中級實訓課內容，是對模擬電子技術、電路原理及單片機幾門課程實驗的初步運用，是采用光電傳感器采集人體指端的脈搏信號，基于單片機對信號進行處理分析，計算出人體的心率，并在液晶屏上顯示數值，當心率過高或過低時，發出聲音報警。心電信號是反映心臟興奮的電活動過程，它對心臟的基本功能及臨床研究具有重要的參考價值，是最常見的臨床監測的人體電生理信號，選取心電信號采集處理作為實訓課的內容，是符合專業背景并易于學生上手實現的。

學生根據電路原理圖，將各電子元器件焊接在覆銅板上，后利用C 語言通過Keil C51 系統開發單片機應用程序。學生在實訓課之前，已經學習了專業基礎課C語言程序設計，掌握了基本的語法規則和使用方法，但在其實驗學時部分，只是上機進行基本練習和照搬代碼運行，實踐與理論課教學之間存在脫節的問題。而當面對于一些具體的應用性實例時，學生表現為無從下手，很難獨自進行問題的分析和解決[1]。

2 拓展實訓的教學目標

雖然實訓課可使學生對課堂上所學的理論知識有所實踐驗證，但對于如何運用所學知識綜合地解決實際問題，程度還不夠。新工科背景下的人才培養目標，要充分考慮到社會及就業需求對人才的要求，要使學生具備與之相匹配的能力。根據現有的實驗基礎，并結合現有科研項目的內容，可將前端電信號的采集、數據的無線傳輸、數據的接收保存等功能貫穿實現，在拓展了實訓課程內容的同時，又可讓學生直觀地了解到專業是如何從工程方面入手獲取有助于臨床診斷信息的。

3 拓展實訓的教學方式

根據原實訓內容的完成情況，將擅長硬件電路調試及程序開發的學生搭配分組，以團隊的方式完成后續任務。要充分體現多樣化的過程教學，改變以老師講解帶領為主的方式，以學生為中心，引導其主動學習，使學生成為教學的主體。分組進行，可兼顧到不同層次和水平學生的差異性，大家可在交流中尋求解決思路，編寫代碼，提升解決問題的能力，增強自信心，也培養了其鉆研問題的興趣。為了保證電路及程序調試的連貫性，實訓課嘗試將課程學時集中地安排在一個教學周內，使學生可集中精力參與并完成課程內容。

4 拓展實訓的教學內容

實訓課后續的拓展內容為，實現前端人體心電信號的采集，通過無線傳輸模式將數據發送至后端的PC 機上，完成對數據的存儲分析及顯示。拓展實驗整體的結構設計如圖1所示。

圖1 拓展實驗整體結構框圖

4.1 心電信號的采集

前端是以Arduino UNO開發板為主控模塊的心電信號采集部分，心電信號的采集模塊選用AD8232。Arduino UNO 是適合單片機入門的開發板，采用單片機ATmega328 芯片作為主控制器，集成開發環境為Arduino IDE，工作電壓DC+5V。AD8232 是一款用于ECG及其他生物電測量應用的集成信號調理模塊，該器件設計用于在具有運動或遠程電極放置產生的噪聲的情況下提取、放大及過濾微弱的生物電信號。采用標準I型導聯，使用導電良好的一次性Ag/Agcl電極片。心電信號的幅值范圍50μV-5mV，頻率范圍0.05-100Hz，典 型 幅 值 為1mV[2]。Arduino UNO 與AD8232的連接如圖2所示。

圖2 Arduino UNO與AD8232的管腳接線圖

4.2 數據的轉換與傳輸

在Arduino UNO 開發板上添加通信模塊HC-06，其為主從一體的藍牙模塊，工作電壓為3.3-3.6V，內置PCB 天線，采用藍牙2.0 協議標準[3]。Arduino UNO將前端采集的心電信號經過A/D轉換后，以無線的方式傳輸到后端PC 機上。將與Arduino UNO 連接的HC-06 設置成從模式，后端PC 機上的藍牙設置為主模式，與前端建立連接，實現數據的無線傳輸。

4.3 心電波形的顯示及數據的存儲

在實訓課的前期，學生可在單片機外接的LED顯示屏上看到心率數值，內容拓展后，可先利用Arduino IDE的串口繪圖器，看到繪制出的心電圖，但在實際應用中，不僅需要波形的顯示，更重要的是實現對數據的進一步處理、分析、保存等要求，從而獲取到可用于疾病診斷的重要信息，提供有價值的診斷依據。實訓課后期，應用LabView 來實現后續的拓展內容。Lab-View是具有圖形化的編程語言和簡易的開發環境，具有調試方便、易學習開發的特點，支持串口、USB等多種通訊協議，可開發對于心電信號的采集分析系統，即可實時顯示心電波形，又可將數據存儲用于后續的分析[4]。在LabView中，可調用VISA庫函數，執行選擇配置串口、打開、讀取緩沖區字符串、關閉等操作，并將數據存儲為文件格式[5]。

本實訓課的拓展內容也有助于后續畢業設計的開展，可對前端采集到的人體心電、眼電等電生理信號進行數字信號處理方法的選題；開發醫學信息系統實現對數據的存儲和進一步的分析；可結合應用廣泛的Android 系統手機，開發移動App 實現數據的傳輸及智能應用等[6]。

5 考核方式

課程考核是檢測學生學習效果的手段和標準，是檢驗教學效果的重要依據，但考核的方式可根據課程的性質和教學目標靈活設置。實訓課重在考查學生的參與程度和實踐中逐步解決問題的過程，依據學校設置的課程成績構成，主要包含平時表現（20%）、項目考核（50%）、實驗報告（30%）的撰寫等。平時表現包含了學生的參與程度和積極性，在課程的進行中，老師會及時地反饋給學生，讓其調整自己的狀態；項目考核中不僅包含了最終成果的展示，更重要的是讓學生在課程中記錄所遇到的各種問題以及解決問題的方法和過程，形式以視頻記錄為主，也可上交文字記錄；實驗報告則側重在分析各環節的重點問題、注意事項及未能成功實現心電采集的失敗原因。規范地撰寫實驗報告，可使學生認真地回顧總結整個實訓過程，有利于培養其實事求是的態度和經驗的積累。

6 拓展實訓課的總結及后續探索

專業基礎課的實驗課，都是每門課程獨立開展的實踐教學，通常學時數至多只占全課時的1/3，內容均是單一的實驗，學生只是為了獲得實驗學分而機械地完成實驗內容，并不知該如何將所學知識運用到實際中去。為了解決該問題，結合工科專業的特點，專門開設了專業的中級實訓課，為的就是讓學生能親身實踐地去解決一個實際問題，了解一個工程項目該如何去設計、實施，從而獲得學以致用的成就感。

但實訓課只是從單一的實驗課到畢業設計之間的過渡，內容雖有拓展，但要避免內容過多或難度太大，課程達到的效果是學生的實踐動手能力有了一定的提升，對專業實踐感興趣，避免因其內容過多加大了完成的難度，而使學生對專業學習產生畏難情緒。而對于在實訓課實施過程中完成比較順利、出色的學生，若對項目感興趣，可后續直接參與到科研項目中來，以科研助理的方式參與實際工作，可使得自身的專業能力、實踐能力均得到鍛煉和提升。

創新實訓課通過設計符合專業背景的案例，將枯燥的理論原理與實際應用有效地結合起來，顯著地提高了實驗教學效果，使學生在專業學習中獲得堅實的實踐技能，并在實踐能力上有所創新和突破。教學是科研的基礎和支撐，科研反饋于教學，二者教學相長[7]。創新實訓課依托科研過程，對提高本科教學質量和人才培養質量有著重要的指導、促進作用，該教學模式應可持續地發展下去。