基于人體心電信號(hào)采集的創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)課設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究

于丹洋，曹晶，滕丹，李樂(lè)

（遼寧何氏醫(yī)學(xué)院人工智能與大數(shù)據(jù)學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110163）

0 引言

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是利用工程學(xué)的手段方法解決醫(yī)學(xué)上的問(wèn)題，是一個(gè)應(yīng)用性較強(qiáng)的專業(yè)，其醫(yī)、工結(jié)合的顯著特點(diǎn)決定了專業(yè)人才培養(yǎng)的方式不能以傳統(tǒng)的理論課程講授為主，應(yīng)大幅度提升專業(yè)實(shí)踐課的學(xué)時(shí)比例。并在增加實(shí)踐課比例的同時(shí)，結(jié)合專業(yè)背景，嘗試將教師的科研項(xiàng)目引入實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生在實(shí)踐基本原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的應(yīng)用需求拓展實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，讓其對(duì)所學(xué)內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用有了直觀的認(rèn)識(shí)，達(dá)到活學(xué)活用的效果。以科研項(xiàng)目為基礎(chǔ)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，既可充分利用項(xiàng)目資源，又可培養(yǎng)學(xué)生的科研實(shí)踐能力，為其實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

1 原實(shí)訓(xùn)課的教學(xué)內(nèi)容

專業(yè)原有的中級(jí)實(shí)訓(xùn)課內(nèi)容，是對(duì)模擬電子技術(shù)、電路原理及單片機(jī)幾門課程實(shí)驗(yàn)的初步運(yùn)用，是采用光電傳感器采集人體指端的脈搏信號(hào)，基于單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析，計(jì)算出人體的心率，并在液晶屏上顯示數(shù)值，當(dāng)心率過(guò)高或過(guò)低時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警。心電信號(hào)是反映心臟興奮的電活動(dòng)過(guò)程，它對(duì)心臟的基本功能及臨床研究具有重要的參考價(jià)值，是最常見(jiàn)的臨床監(jiān)測(cè)的人體電生理信號(hào)，選取心電信號(hào)采集處理作為實(shí)訓(xùn)課的內(nèi)容，是符合專業(yè)背景并易于學(xué)生上手實(shí)現(xiàn)的。

學(xué)生根據(jù)電路原理圖，將各電子元器件焊接在覆銅板上，后利用C 語(yǔ)言通過(guò)Keil C51 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)單片機(jī)應(yīng)用程序。學(xué)生在實(shí)訓(xùn)課之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了專業(yè)基礎(chǔ)課C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，掌握了基本的語(yǔ)法規(guī)則和使用方法，但在其實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)部分，只是上機(jī)進(jìn)行基本練習(xí)和照搬代碼運(yùn)行，實(shí)踐與理論課教學(xué)之間存在脫節(jié)的問(wèn)題。而當(dāng)面對(duì)于一些具體的應(yīng)用性實(shí)例時(shí)，學(xué)生表現(xiàn)為無(wú)從下手，很難獨(dú)自進(jìn)行問(wèn)題的分析和解決[1]。

2 拓展實(shí)訓(xùn)的教學(xué)目標(biāo)

雖然實(shí)訓(xùn)課可使學(xué)生對(duì)課堂上所學(xué)的理論知識(shí)有所實(shí)踐驗(yàn)證，但對(duì)于如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)綜合地解決實(shí)際問(wèn)題，程度還不夠。新工科背景下的人才培養(yǎng)目標(biāo)，要充分考慮到社會(huì)及就業(yè)需求對(duì)人才的要求，要使學(xué)生具備與之相匹配的能力。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并結(jié)合現(xiàn)有科研項(xiàng)目的內(nèi)容，可將前端電信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)的接收保存等功能貫穿實(shí)現(xiàn)，在拓展了實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容的同時(shí)，又可讓學(xué)生直觀地了解到專業(yè)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(shí)訓(xùn)的教學(xué)方式

根據(jù)原實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的完成情況，將擅長(zhǎng)硬件電路調(diào)試及程序開(kāi)發(fā)的學(xué)生搭配分組，以團(tuán)隊(duì)的方式完成后續(xù)任務(wù)。要充分體現(xiàn)多樣化的過(guò)程教學(xué)，改變以老師講解帶領(lǐng)為主的方式，以學(xué)生為中心，引導(dǎo)其主動(dòng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生成為教學(xué)的主體。分組進(jìn)行，可兼顧到不同層次和水平學(xué)生的差異性，大家可在交流中尋求解決思路，編寫(xiě)代碼，提升解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)自信心，也培養(yǎng)了其鉆研問(wèn)題的興趣。為了保證電路及程序調(diào)試的連貫性，實(shí)訓(xùn)課嘗試將課程學(xué)時(shí)集中地安排在一個(gè)教學(xué)周內(nèi)，使學(xué)生可集中精力參與并完成課程內(nèi)容。

4 拓展實(shí)訓(xùn)的教學(xué)內(nèi)容

實(shí)訓(xùn)課后續(xù)的拓展內(nèi)容為，實(shí)現(xiàn)前端人體心電信號(hào)的采集，通過(guò)無(wú)線傳輸模式將數(shù)據(jù)發(fā)送至后端的PC 機(jī)上，完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析及顯示。拓展實(shí)驗(yàn)整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 拓展實(shí)驗(yàn)整體結(jié)構(gòu)框圖

4.1 心電信號(hào)的采集

前端是以Arduino UNO開(kāi)發(fā)板為主控模塊的心電信號(hào)采集部分，心電信號(hào)的采集模塊選用AD8232。Arduino UNO 是適合單片機(jī)入門的開(kāi)發(fā)板，采用單片機(jī)ATmega328 芯片作為主控制器，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為Arduino IDE，工作電壓DC+5V。AD8232 是一款用于ECG及其他生物電測(cè)量應(yīng)用的集成信號(hào)調(diào)理模塊，該器件設(shè)計(jì)用于在具有運(yùn)動(dòng)或遠(yuǎn)程電極放置產(chǎn)生的噪聲的情況下提取、放大及過(guò)濾微弱的生物電信號(hào)。采用標(biāo)準(zhǔn)I型導(dǎo)聯(lián)，使用導(dǎo)電良好的一次性Ag/Agcl電極片。心電信號(hào)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(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳輸

在Arduino UNO 開(kāi)發(fā)板上添加通信模塊HC-06，其為主從一體的藍(lán)牙模塊，工作電壓為3.3-3.6V，內(nèi)置PCB 天線，采用藍(lán)牙2.0 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[3]。Arduino UNO將前端采集的心電信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，以無(wú)線的方式傳輸?shù)胶蠖薖C 機(jī)上。將與Arduino UNO 連接的HC-06 設(shè)置成從模式，后端PC 機(jī)上的藍(lán)牙設(shè)置為主模式，與前端建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

4.3 心電波形的顯示及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

在實(shí)訓(xùn)課的前期，學(xué)生可在單片機(jī)外接的LED顯示屏上看到心率數(shù)值，內(nèi)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(shí)際應(yīng)用中，不僅需要波形的顯示，更重要的是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)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(jià)值的診斷依據(jù)。實(shí)訓(xùn)課后期，應(yīng)用LabView 來(lái)實(shí)現(xiàn)后續(xù)的拓展內(nèi)容。Lab-View是具有圖形化的編程語(yǔ)言和簡(jiǎn)易的開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有調(diào)試方便、易學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，支持串口、USB等多種通訊協(xié)議，可開(kāi)發(fā)對(duì)于心電信號(hào)的采集分析系統(tǒng)，即可實(shí)時(shí)顯示心電波形，又可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用于后續(xù)的分析[4]。在LabView中，可調(diào)用VISA庫(kù)函數(shù)，執(zhí)行選擇配置串口、打開(kāi)、讀取緩沖區(qū)字符串、關(guān)閉等操作，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文件格式[5]。

本實(shí)訓(xùn)課的拓展內(nèi)容也有助于后續(xù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的開(kāi)展，可對(duì)前端采集到的人體心電、眼電等電生理信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理方法的選題；開(kāi)發(fā)醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和進(jìn)一步的分析；可結(jié)合應(yīng)用廣泛的Android 系統(tǒng)手機(jī)，開(kāi)發(fā)移動(dòng)App 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸及智能應(yīng)用等[6]。

5 考核方式

課程考核是檢測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的手段和標(biāo)準(zhǔn)，是檢驗(yàn)教學(xué)效果的重要依據(jù)，但考核的方式可根據(jù)課程的性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo)靈活設(shè)置。實(shí)訓(xùn)課重在考查學(xué)生的參與程度和實(shí)踐中逐步解決問(wèn)題的過(guò)程，依據(jù)學(xué)校設(shè)置的課程成績(jī)構(gòu)成，主要包含平時(shí)表現(xiàn)（20%）、項(xiàng)目考核（50%）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（30%）的撰寫(xiě)等。平時(shí)表現(xiàn)包含了學(xué)生的參與程度和積極性，在課程的進(jìn)行中，老師會(huì)及時(shí)地反饋給學(xué)生，讓其調(diào)整自己的狀態(tài)；項(xiàng)目考核中不僅包含了最終成果的展示，更重要的是讓學(xué)生在課程中記錄所遇到的各種問(wèn)題以及解決問(wèn)題的方法和過(guò)程，形式以視頻記錄為主，也可上交文字記錄；實(shí)驗(yàn)報(bào)告則側(cè)重在分析各環(huán)節(jié)的重點(diǎn)問(wèn)題、注意事項(xiàng)及未能成功實(shí)現(xiàn)心電采集的失敗原因。規(guī)范地撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可使學(xué)生認(rèn)真地回顧總結(jié)整個(gè)實(shí)訓(xùn)過(guò)程，有利于培養(yǎng)其實(shí)事求是的態(tài)度和經(jīng)驗(yàn)的積累。

6 拓展實(shí)訓(xùn)課的總結(jié)及后續(xù)探索

專業(yè)基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)課，都是每門課程獨(dú)立開(kāi)展的實(shí)踐教學(xué)，通常學(xué)時(shí)數(shù)至多只占全課時(shí)的1/3，內(nèi)容均是單一的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只是為了獲得實(shí)驗(yàn)學(xué)分而機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并不知該如何將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中去。為了解決該問(wèn)題，結(jié)合工科專業(yè)的特點(diǎn)，專門開(kāi)設(shè)了專業(yè)的中級(jí)實(shí)訓(xùn)課，為的就是讓學(xué)生能親身實(shí)踐地去解決一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，了解一個(gè)工程項(xiàng)目該如何去設(shè)計(jì)、實(shí)施，從而獲得學(xué)以致用的成就感。

但實(shí)訓(xùn)課只是從單一的實(shí)驗(yàn)課到畢業(yè)設(shè)計(jì)之間的過(guò)渡，內(nèi)容雖有拓展，但要避免內(nèi)容過(guò)多或難度太大，課程達(dá)到的效果是學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力有了一定的提升，對(duì)專業(yè)實(shí)踐感興趣，避免因其內(nèi)容過(guò)多加大了完成的難度，而使學(xué)生對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏難情緒。而對(duì)于在實(shí)訓(xùn)課實(shí)施過(guò)程中完成比較順利、出色的學(xué)生，若對(duì)項(xiàng)目感興趣，可后續(xù)直接參與到科研項(xiàng)目中來(lái)，以科研助理的方式參與實(shí)際工作，可使得自身的專業(yè)能力、實(shí)踐能力均得到鍛煉和提升。

創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)課通過(guò)設(shè)計(jì)符合專業(yè)背景的案例，將枯燥的理論原理與實(shí)際應(yīng)用有效地結(jié)合起來(lái)，顯著地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，使學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)中獲得堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐技能，并在實(shí)踐能力上有所創(chuàng)新和突破。教學(xué)是科研的基礎(chǔ)和支撐，科研反饋于教學(xué)，二者教學(xué)相長(zhǎng)[7]。創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)課依托科研過(guò)程，對(duì)提高本科教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量有著重要的指導(dǎo)、促進(jìn)作用，該教學(xué)模式應(yīng)可持續(xù)地發(fā)展下去。