《生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理》課程教學(xué)大綱

1、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：適用專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程、生物信息學(xué)、生物信息技術(shù)以及相關(guān)專業(yè)學(xué) 時(shí) 數(shù)：48學(xué) 分 數(shù)：3先修課程：線性代數(shù)與空間解析幾何、人體解剖生理學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理等執(zhí) 筆 者：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程組編寫日期：2013年5月一、課程性質(zhì)和任務(wù) 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理是一門理論與實(shí)踐、原理與應(yīng)用緊密結(jié)合的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的基本理論和基本分析方法，使學(xué)生了解如何應(yīng)用數(shù)字頻譜分析、最優(yōu)濾波器等技術(shù)解決生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的具體問題。本課程對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程、生物信息學(xué)等專業(yè)的學(xué)生是必備的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。二、理論課程教學(xué)內(nèi)容和要求 （40

2、學(xué)時(shí)）第1章 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理概述1教學(xué)內(nèi)容（1）學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的理由（2）信號(hào)及其類型（3）一些典型的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)簡(jiǎn)介（4）處理生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的目的2教學(xué)要求（1）了解本課程背景，包括整個(gè)課程的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法、與其他課程之間的聯(lián)系、學(xué)習(xí)要求和考核要求；（2）掌握確定性、隨機(jī)、分形和混沌等4種類型信號(hào)的定義以及相互之間的聯(lián)系與差別；（3）理解生理過程自發(fā)產(chǎn)生的信號(hào)，如心電、腦電、肌電、眼電、胃電等電生理信號(hào)和血壓、體溫、脈搏、呼吸等非電生理信號(hào)；（4）了解外界施加于人體的被動(dòng)信號(hào)，如超聲波、同位素、X射線等；（5）掌握生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的主要特點(diǎn)。第2章 數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)1教學(xué)內(nèi)容（1）傅立

3、葉變換及其意義 （2）傅立葉變換的性質(zhì) （3）頻域分析和譜圖表示 （4）頻域分辨率 （5）數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 2教學(xué)要求（1）掌握傅立葉變換的意義及各種變換對(duì)、離散傅立葉變換；（2）掌握傅立葉變換的性質(zhì)；（3）掌握信號(hào)的頻域分析和譜圖表示方法；（4）正確理解頻域分辨率的概念；（5）了解常用的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。第3章 隨機(jī)信號(hào)基礎(chǔ)1教學(xué)內(nèi)容（1）隨機(jī)信號(hào)（2）隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征描述（3）幾種典型的隨機(jī)過程 （4）隨機(jī)信號(hào)通過線性系統(tǒng) 2教學(xué)要求（1）了解隨機(jī)信號(hào)的表示方法；（2）掌握概率分布函數(shù)和各態(tài)遍歷隨機(jī)過程；（3）掌握隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征量和樣本數(shù)字特征；（4）掌握高斯（正態(tài)）

4、過程、理想白噪過程和限帶白噪過程；（5）理解隨機(jī)信號(hào)通過線性系統(tǒng)的基本關(guān)系式。第4章 數(shù)字相關(guān)和卷積運(yùn)算1教學(xué)內(nèi)容（1）線性相關(guān)與循環(huán)相關(guān) （2）相干函數(shù)（3）線性卷積和循環(huán)卷積 （4）相關(guān)函數(shù)和功率譜估計(jì) （5）相關(guān)技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用 2教學(xué)要求（1）掌握線性相關(guān)與循環(huán)相關(guān)的定義、計(jì)算方法，了解二者的異同；（2）掌握相干函數(shù)的概念；（3）掌握線性卷積和循環(huán)卷積的定義、計(jì)算方法，了解二者的異同；（4）掌握相關(guān)函數(shù)和功率譜估計(jì)的計(jì)算方法；（5）通過腦機(jī)接口應(yīng)用實(shí)例，使學(xué)生初步了解相關(guān)技術(shù)解決生物醫(yī)學(xué)問題的方法。第5章 維納濾波1教學(xué)內(nèi)容（1）維納濾波器的時(shí)域解 （2）維納預(yù)測(cè)器 （3）維納濾波器

5、的應(yīng)用 2教學(xué)要求（1）掌握最小均方誤差準(zhǔn)則的概念；（2）理解維納霍夫方程的推導(dǎo)方法；（3）掌握有限脈沖響應(yīng)法求解維納霍夫方程的方法；（4）掌握預(yù)白化法求解維納霍夫方程的方法；（5）了解純預(yù)測(cè)器（N步）和一步線性預(yù)測(cè)器；（6）掌握維納濾波器去除心電信號(hào)中高斯噪聲的原理和方法。第6章 卡爾曼濾波1教學(xué)內(nèi)容（1）卡爾曼濾波信號(hào)模型（2）狀態(tài)方程和量測(cè)方程（3）卡爾曼濾波算法（4）卡爾曼濾波器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 2教學(xué)要求（1）了解卡爾曼濾波信號(hào)模型的概念；（2）理解卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和量測(cè)方程；（3）了解卡爾曼濾波算法，包括卡爾曼濾波的一步遞推法模型和卡爾曼濾波的遞推公式；（4）初步了解卡爾曼濾波在腦誘

6、發(fā)電位提取中的應(yīng)用。第7章 隨機(jī)信號(hào)的參數(shù)建模法1教學(xué)內(nèi)容（1）三種參數(shù)模型 （2）AR模型參數(shù)的估計(jì) （3）參數(shù)建模法的應(yīng)用 2教學(xué)要求（1）掌握AR模型的定義和建模方法；了解MA模型和ARMA模型的定義和建模方法；理解三種參數(shù)模型的特點(diǎn)；（2）掌握L-D算法估計(jì)AR模型參數(shù)的方法；（3）了解基于AR模型的線性預(yù)測(cè)器原理；（4）掌握AR模型技術(shù)建模生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的方法。第8章 自適應(yīng)濾波1教學(xué)內(nèi)容（1）LMS自適應(yīng)維納濾波器 （2）自適應(yīng)噪聲抵消器 （3）生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用 2教學(xué)要求（1）掌握LMS自適應(yīng)維納濾波器原理和參數(shù)選擇方法；（2）自適應(yīng)噪聲抵消器原理和設(shè)計(jì)方法；（3）了解自適應(yīng)噪聲抵消技

7、術(shù)增強(qiáng)ECG監(jiān)護(hù)的方法；（4）了解自適應(yīng)噪聲抵消技術(shù)增強(qiáng)EGG信號(hào)的方法。 三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和要求 （8學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1 1、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：譜分析和隨機(jī)信號(hào)分析 2、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和任務(wù)：了解隨機(jī)信號(hào)的特征。 3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：利用MATLAB中的偽隨機(jī)序列產(chǎn)生函數(shù)randn()產(chǎn)生多段1000點(diǎn)的序列，編制一個(gè)程序，計(jì)算隨機(jī)信號(hào)的數(shù)字特征，包括均值、方差、均方值、最后把計(jì)算結(jié)果平均，繪制數(shù)字特征圖形。 4、項(xiàng)目需用儀器設(shè)備名稱：計(jì)算機(jī)、Matlab軟件。 5、所需主要元器件及耗材：無。 6、學(xué)時(shí)數(shù)：1.5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2 1、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：數(shù)字相關(guān)和數(shù)字卷積程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和任務(wù)：熟

8、悉數(shù)字相關(guān)和數(shù)字卷積運(yùn)算。 3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：編寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)隨機(jī)序列的線性、循環(huán)相關(guān)和線性、循環(huán)卷積。 4、項(xiàng)目需用儀器設(shè)備名稱：計(jì)算機(jī)、Matlab軟件 5、所需主要元器件及耗材：無 6、學(xué)時(shí)數(shù)：1.5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目3 1、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：維納霍夫方程的計(jì)算機(jī)求解2、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和任務(wù)：學(xué)習(xí)使用Matlab實(shí)現(xiàn)W-H程序的編寫。 3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：編寫函數(shù)解W-H方程，尋找最優(yōu)的濾波器，并檢驗(yàn)該程序的準(zhǔn)確性和掌握用法。 4、項(xiàng)目需用儀器設(shè)備名稱：計(jì)算機(jī)、Matlab軟件。 5、所需主要元器件及耗材：無 6、學(xué)時(shí)數(shù)：1.5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目4 1、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：L-D算法的實(shí)現(xiàn)和AR模型的仿真2、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的

9、和任務(wù)：學(xué)習(xí)使用Matlab實(shí)現(xiàn)Y-W程序的編寫。 3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：已知觀測(cè)信號(hào)，編寫函數(shù)解Y-W方程，尋找參數(shù)系數(shù)，并檢驗(yàn)該程序的準(zhǔn)確性和掌握用法。 4、項(xiàng)目需用儀器設(shè)備名稱：計(jì)算機(jī)、Matlab軟件。 5、所需主要元器件及耗材：無 6、學(xué)時(shí)數(shù)：1.5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目5 1、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：自適應(yīng)噪聲抵消算法的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和任務(wù)：學(xué)習(xí)使用MATLAB編寫LMS自適應(yīng)濾波器，以及如何在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)中進(jìn)行應(yīng)用。 3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：已知觀測(cè)信號(hào)，編寫LMS自適應(yīng)濾波器算法，應(yīng)用于增強(qiáng)胎兒ECG的處理，檢驗(yàn)該程序的準(zhǔn)確性和掌握Matlab自帶函數(shù)的用法。4、項(xiàng)目需用儀器設(shè)備名稱：計(jì)算機(jī)、Ma

10、tlab軟件 5、所需主要元器件及耗材：無 6、學(xué)時(shí)數(shù)：2四、考核方式：平時(shí)成績(jī)占20%（含期中考核、科研小論文、考勤、作業(yè)和單元測(cè)練）；實(shí)驗(yàn)占20%：上機(jī)實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告；期末考核占60%：閉卷筆試。五、建議教材和參考資料：1. 教材：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理，饒妮妮，李凌，電子科技大學(xué)出版社，2005年；2參考資料：1 楊福生，高上凱. 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理. 北京: 高等教育出版社,19882 D. C. Reddy. Biomedical Signal Processing: Principles and McGraw Hill Publishing Company Limited, 20053 聶能、堯德中、謝正祥、李凌等. 生物醫(yī)