林 嵐 張柏雯 吳水才

北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院 北京 100124

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的多個(gè)領(lǐng)域都已獲得了極為成功的應(yīng)用，受到了廣泛的關(guān)注。近年來(lái)，隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，已發(fā)展較成熟的經(jīng)典生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理理論體系也在向現(xiàn)代理論演化，新理論和新算法層出不窮[1]。學(xué)習(xí)現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的理論、方法與應(yīng)用，緊跟學(xué)術(shù)前沿，已成為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)研究生的迫切需要[2]。為滿足學(xué)科發(fā)展的需要，北京工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系從21世紀(jì)初就開始對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)研究生開設(shè)了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)信號(hào)這一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。課程采用傳統(tǒng)現(xiàn)代信號(hào)處理的教材，基于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)，內(nèi)容兼顧了縱向的深度和橫向的廣度，涉及現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的多個(gè)主要方面及其熱點(diǎn)和難點(diǎn)。課程具有應(yīng)用范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)、專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)。課程強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐、原理與應(yīng)用相結(jié)合，通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解該信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)理論、方法應(yīng)用，是未來(lái)科研中的有力工具。

1 課程建設(shè)中的前期體會(huì)

此課程設(shè)立之初的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量很好，但由于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是一個(gè)高速發(fā)展的學(xué)科領(lǐng)域，隨著時(shí)間的推移在教學(xué)中出現(xiàn)了一些新的問題。針對(duì)這些問題，學(xué)院根據(jù)課程特點(diǎn)、教學(xué)系統(tǒng)以及學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，成立了以學(xué)院院長(zhǎng)吳水才教授帶頭、以中青年教師為主干的信號(hào)類課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)共有教師8人，其中教授1人，副教授3人，中級(jí)職稱教師4人，具有合理的老中青師資結(jié)構(gòu)和隊(duì)伍配置，并有著較高的教學(xué)和科研學(xué)術(shù)水平。在課程教師隊(duì)伍建設(shè)方面，注重培養(yǎng)中、青年教師，充分發(fā)揮“傳－幫－帶”的作用。根據(jù)既定的教學(xué)思想，共同制訂了教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃，并針對(duì)專業(yè)特色，確定教學(xué)內(nèi)容；定期進(jìn)行教學(xué)方法的分析與討論、教學(xué)成果總結(jié)，共同探討教學(xué)過程中出現(xiàn)的各種問題，從而使課程體系逐漸完備。在吳水才教授的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)前期針對(duì)我校學(xué)生的特點(diǎn)對(duì)此課程進(jìn)行了精品課程建設(shè)，并取得了一定成效。下面先對(duì)此課程前期建設(shè)及實(shí)施過程中取得的成果與經(jīng)驗(yàn)做簡(jiǎn)要回顧。

課程教材及教學(xué)內(nèi)容的選擇直接影響教學(xué)質(zhì)量。數(shù)字信號(hào)處理是一個(gè)相對(duì)完整的知識(shí)體系，而現(xiàn)代醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程體系具有多元化的特征。大部分經(jīng)典教材往往對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)側(cè)重不足，而且經(jīng)過幾年教學(xué)后內(nèi)容就會(huì)相對(duì)陳舊，因此重新編排教學(xué)內(nèi)容，突出教學(xué)重點(diǎn)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新整理和編排是非常重要的[3,4]。整個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在吳水才教授的領(lǐng)導(dǎo)下，根據(jù)本專業(yè)的特點(diǎn)和長(zhǎng)期的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在2016年將多年在現(xiàn)代信號(hào)處理領(lǐng)域的教案和科研工作的應(yīng)用整編成一套系統(tǒng)的教材[5]，并已在科學(xué)出版社出版。該教材系統(tǒng)的再現(xiàn)了現(xiàn)代信號(hào)處理的理論和方法，啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維，具有如下主要特點(diǎn)。

(1)教材緊緊抓住生物醫(yī)學(xué)信號(hào)這條主線，主要包括隨機(jī)信號(hào)的特點(diǎn)、參數(shù)估計(jì)理論、現(xiàn)代譜估計(jì)、維納濾波、卡爾曼濾波、自適應(yīng)濾波、時(shí)頻分析、小波分析、主成分分析、獨(dú)立成分分析等基礎(chǔ)理論和方法。

(2)兼顧專業(yè)特點(diǎn)，從現(xiàn)代信號(hào)處理的角度出發(fā)，很好地將經(jīng)典理論與生物醫(yī)學(xué)中的最新技術(shù)結(jié)合于實(shí)際的應(yīng)用，不但能夠擴(kuò)展學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)最新知識(shí)的了解。

(3)包含了基于MATLAB的信號(hào)分析與處理基礎(chǔ)，使廣大讀者在掌握了基本概念、方法的基礎(chǔ)上，能將信號(hào)的分析、仿真處理等重要知識(shí)運(yùn)用于計(jì)算機(jī)上。

2 基于研究生實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的課程建設(shè)

2.1 課程教學(xué)中理論與實(shí)踐的脫節(jié)現(xiàn)象

該課程的另一個(gè)特點(diǎn)是課程內(nèi)容抽象且對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高。課程基礎(chǔ)不僅包含經(jīng)典數(shù)字信號(hào)處理，還會(huì)用到數(shù)理統(tǒng)計(jì)、微積分變換、矩陣論、最優(yōu)化方法、數(shù)值分析等許多工程數(shù)學(xué)，涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)[6]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是用抽象的數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述的[7]，傳統(tǒng)教學(xué)方法注重理論概念的教學(xué)而忽略實(shí)踐教學(xué)，在實(shí)際應(yīng)用中就會(huì)存在一定脫節(jié)的現(xiàn)象。這往往導(dǎo)致學(xué)生可以較好掌握其基礎(chǔ)理論，卻不知如何將其在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用，甚至不知道針對(duì)某種類型的生理信號(hào)應(yīng)如何選擇處理技術(shù)和工具。這里我們以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性為出發(fā)點(diǎn)，以改善教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，在實(shí)踐教學(xué)方面對(duì)本課程的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)。在講授過程中更偏重算法的設(shè)計(jì)思路，而非純粹的數(shù)學(xué)推導(dǎo)?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)信號(hào)處理很多算法都是根據(jù)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算。學(xué)生只需要掌握該算法的類型、特點(diǎn)與思路，而在課程理論教學(xué)中涉及具體實(shí)現(xiàn)過程中的大量公式推導(dǎo)并不是必要的，這些部分可以在具體實(shí)踐環(huán)節(jié)來(lái)學(xué)習(xí)和掌握。這種教學(xué)方式使得學(xué)生更容易接受，減少了對(duì)數(shù)學(xué)的畏懼感。這里我們采用了實(shí)踐教學(xué)與研究生工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)相結(jié)合的方法，使原本抽象的理論講解變得生動(dòng)具體，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 北京工業(yè)大學(xué)研究生工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

北京工業(yè)大學(xué)研究生工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)暨研究生創(chuàng)新實(shí)踐基地是教育部“研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目”之一，被列入“2005年教育部研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目”。此實(shí)訓(xùn)平臺(tái)一方面旨在培養(yǎng)和拓展研究生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，為研究生的各類創(chuàng)新競(jìng)賽提供了訓(xùn)練場(chǎng)所；另一方面旨在有針對(duì)性地進(jìn)行相關(guān)實(shí)訓(xùn)技能的訓(xùn)練，縮短研究生的就業(yè)適應(yīng)期，提高就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，平臺(tái)建成了10多個(gè)主題實(shí)驗(yàn)室，為研究生提供了參與工程訓(xùn)練與科技創(chuàng)新的舞臺(tái)，在提高研究生創(chuàng)新實(shí)踐能力方面發(fā)揮了積極的作用。該平臺(tái)自成立以來(lái)在工程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中獲得了豐富的成果，特別是每學(xué)年設(shè)立的研究生科技基金委托項(xiàng)目，為各實(shí)訓(xùn)室的創(chuàng)新起到了很好的推動(dòng)和鼓勵(lì)作用。

2.3 工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)與課程建設(shè)的結(jié)合

研究生工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)可以促進(jìn)學(xué)生更好理解教學(xué)內(nèi)容以及提高學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力。我們?cè)诖搜芯可こ虒?shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)了生物醫(yī)學(xué)電子與信息處理研究生實(shí)訓(xùn)室。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容以適應(yīng)實(shí)際的需求及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為依據(jù)，對(duì)學(xué)生的要求不僅僅局限在對(duì)課程所講授的理論進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)證，而且讓學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)去設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理分析系統(tǒng)[8]。盡可能多地采用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，引入現(xiàn)代醫(yī)學(xué)信號(hào)分析與處理技術(shù)的分析、設(shè)計(jì)方法。強(qiáng)調(diào)實(shí)訓(xùn)的整體性、系統(tǒng)性，以形成與新的課程體系相適應(yīng)的實(shí)訓(xùn)體系。實(shí)訓(xùn)室由睡眠試驗(yàn)區(qū)、運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)區(qū)、學(xué)生實(shí)訓(xùn)區(qū)和教師指導(dǎo)區(qū)等多個(gè)功能區(qū)域組成。實(shí)訓(xùn)室擁有64通道腦電圖機(jī)(Biosemi)以及心電、血壓、血氧、脈搏波等生物醫(yī)學(xué)傳感器和采集系統(tǒng)，以及穿戴式智慧衣用于幫助學(xué)生直接采集多種類型的生理信號(hào)，進(jìn)行生理信號(hào)處理與分析。同時(shí)實(shí)訓(xùn)室還擁有多臺(tái)服務(wù)器以及心電圖、脈搏波、醫(yī)學(xué)圖像等數(shù)據(jù)庫(kù)，幫助學(xué)生進(jìn)行以深度學(xué)習(xí)算法為基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)分析。實(shí)訓(xùn)室每年組織一次生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理方面的競(jìng)賽，以鼓勵(lì)學(xué)生在此課程方面的創(chuàng)新工作。在實(shí)訓(xùn)內(nèi)容上突出信號(hào)處理方法的現(xiàn)代化，通過現(xiàn)代信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種類型生理信號(hào)的綜合分析、處理。自成立以來(lái)，實(shí)訓(xùn)工作主要集中在多生理參數(shù)的信號(hào)采集與處理和基于深度學(xué)習(xí)的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的大數(shù)據(jù)兩方面。

(1)多生理參數(shù)的信號(hào)采集與處理實(shí)訓(xùn)主要集中在穿戴式設(shè)備，如穿戴式心電圖、心音及胎兒心電信號(hào)的采集與信號(hào)處理[9]。研究生將課堂所學(xué)到的基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)訓(xùn)內(nèi)容相結(jié)合，申請(qǐng)了多項(xiàng)研究生科技基金支持。如穿戴式心音監(jiān)測(cè)設(shè)備研究，開發(fā)了一款24小時(shí)監(jiān)測(cè)的心音信號(hào)采集設(shè)備，并對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行處理?！皨雰核哌^程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒生理信息，當(dāng)監(jiān)測(cè)到異常時(shí)會(huì)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)?！爸悄芴盒碾娪布到y(tǒng)”圍繞胎兒心電信號(hào)信噪比極低這一問題，研究了如何通過現(xiàn)代信號(hào)處理算法進(jìn)行胎兒心電的實(shí)時(shí)性提取。

(2)深度學(xué)習(xí)的本質(zhì)是計(jì)算觀測(cè)信號(hào)的分層特征或表示，采用海量數(shù)據(jù)訓(xùn)練，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成低層特征，之后經(jīng)過多個(gè)隱藏層形成抽象的高層特征，使得數(shù)據(jù)得到更加具體有效的特征表達(dá)，是目前不可知域最好的算法[10]。研究生基于實(shí)訓(xùn)平臺(tái)科技基金委托項(xiàng)目的支持，申請(qǐng)了“深度學(xué)習(xí)在12導(dǎo)聯(lián)心電自動(dòng)分析中的應(yīng)用研究”“深度學(xué)習(xí)在神經(jīng)影像中的應(yīng)用”等項(xiàng)目。心電圖的解讀一般需要心電圖醫(yī)生進(jìn)行，傳統(tǒng)的用于波形分析的自動(dòng)化判讀方法存在大量的誤判和漏判，算法精度難以進(jìn)一步提高。研究生利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)12導(dǎo)聯(lián)的心電圖進(jìn)行了自動(dòng)分析?；谏疃葘W(xué)習(xí)方法建立一套神經(jīng)影像大數(shù)據(jù)的智能分析平臺(tái)，并將其應(yīng)用于阿爾茲海默癥的早期預(yù)測(cè)及腦年齡預(yù)測(cè)的研究中。

學(xué)生的創(chuàng)新精神是通過創(chuàng)新的教育、教學(xué)以及實(shí)踐活動(dòng)來(lái)培養(yǎng)的。通過實(shí)訓(xùn)平臺(tái)對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力，使學(xué)生一方面牢固、系統(tǒng)地掌握課程的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)發(fā)展他們的創(chuàng)新能力。實(shí)訓(xùn)模式可以培養(yǎng)學(xué)生從多種不同的角度實(shí)現(xiàn)同一目的，讓他們突破教學(xué)的限制，更多地加入自己的思想。從實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的結(jié)果來(lái)看，很多的學(xué)生都能在課程的內(nèi)容上有一定延伸，更好掌握課程得基礎(chǔ)內(nèi)容。

3 結(jié)語(yǔ)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)知識(shí)體系中必不可少的知識(shí)領(lǐng)域，因此，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)建設(shè)的重點(diǎn)課程之一。在本課程的建設(shè)中，我們努力做到通過授課與實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，開闊學(xué)生思路，提升學(xué)生的創(chuàng)新性思維?？傮w來(lái)說(shuō)，通過實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的促進(jìn)，教學(xué)質(zhì)量明顯提升，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也有很大提高，應(yīng)用現(xiàn)代信號(hào)處理解決實(shí)際問題的能力也大大提升，掌握現(xiàn)代信號(hào)處理的前沿性研究，為學(xué)生今后的深入研究和應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

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