《生物醫(yī)學(xué)信號分析與處理》教學(xué)大綱

《生物醫(yī)學(xué)信號分析與處理》教學(xué)大綱適用范圍：202X版本科人才培養(yǎng)方案課程代碼：06151021課程性質(zhì)：專業(yè)選修課學(xué)分：3學(xué)分學(xué)時：48學(xué)時（理論40學(xué)時，實驗8學(xué)時）先修課程：信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等后續(xù)課程：無適用專業(yè)：醫(yī)學(xué)信息工程開課單位：電子信息工程學(xué)院一、課程說明《生物醫(yī)學(xué)信號分析與處理》是醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)的一門專業(yè)選修課。本課程主要任務(wù)是使學(xué)生掌握離散時間信號和系統(tǒng)的基本理論和基本分析方法，熟悉常見生物醫(yī)學(xué)信號的檢測與預(yù)處理方法，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)信號分析與處理領(lǐng)域中的具體問題。二、課程目標通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達到如下目標：課程目標1：掌握生物醫(yī)學(xué)信號的類型及其特點、醫(yī)學(xué)信號處理算法的實現(xiàn)和各種數(shù)字濾波器設(shè)計方法和編程實現(xiàn)。課程目標2：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生利用計算機信息技術(shù)處理生物醫(yī)學(xué)信號的能力。課程目標3：具有團隊協(xié)作精神，在復(fù)雜工程問題中能較好的運用個人專業(yè)背景，通過團隊協(xié)作解決多學(xué)科交叉的工程問題。三、課程目標與畢業(yè)要求《生物醫(yī)學(xué)信號分析與處理》課程教學(xué)目標對醫(yī)學(xué)信息工程專業(yè)畢業(yè)要求的支撐見表1。表1課程教學(xué)目標與畢業(yè)要求關(guān)系畢業(yè)要求指標點課程目標支撐強度2.問題分析2.2能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)基本原理，對復(fù)雜醫(yī)學(xué)信息工程問題進行表述。課程目標1：掌握生物醫(yī)學(xué)信號的類型及其特點、醫(yī)學(xué)信號處理算法的實現(xiàn)和各種數(shù)字濾波器設(shè)計方法和編程實現(xiàn)。H4.研究4.3能夠分析和解釋實驗數(shù)據(jù)，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。課程目標2：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生利用計算機信息技術(shù)處理生物醫(yī)學(xué)信號的能力。M9.個人和團隊9.1理解團隊合作的重要性，具有與團隊成員或負責(zé)人協(xié)調(diào)合作的團隊精神和能力，能夠在多學(xué)科背景下的團隊中獨立或合作開展工作并發(fā)揮作用。課程目標3：具有團隊協(xié)作精神，在復(fù)雜工程問題中能較好的運用個人專業(yè)背景，通過團隊協(xié)作解決多學(xué)科交叉的工程問題。M注：表中“H（高）、M（中）”表示課程與相關(guān)畢業(yè)要求的關(guān)聯(lián)度。四、教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配1.理論部分理論部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表2。表2教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配教學(xué)內(nèi)容教學(xué)要求，教學(xué)重點難點理論學(xué)時實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標1.醫(yī)學(xué)信號分析與處理概述1.1學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)信號分析與處理的目的1.2信號及其類型1.3典型的醫(yī)學(xué)信號簡介1.4處理醫(yī)學(xué)信號的目的教學(xué)要求：了解本課程背景，以及與其他課程之間的聯(lián)系；掌握確定性、隨機、分形和混沌等4種類型信號的定義以及相互之間的聯(lián)系與差別；理解生理過程自發(fā)產(chǎn)生的信號；了解外界施加于人體的被動信號；掌握醫(yī)學(xué)信號的主要特點。重點：信號及其類型；典型醫(yī)學(xué)信號的特征。難點：典型醫(yī)學(xué)信號的特征。41、2、32.數(shù)字信號處理基礎(chǔ)2.1傅立葉變換及其意義2.2傅立葉變換的性質(zhì)2.3頻域分析和譜圖表示2.4頻域分辨率2.5數(shù)字濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)教學(xué)要求：掌握傅立葉變換的意義及各種變換對、離散傅立葉變換；掌握傅立葉變換的性質(zhì)；掌握信號的頻域分析和譜圖表示方法；正確理解頻域分辨率的概念；了解常用的數(shù)字濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)方法。重點：傅里葉變換的性質(zhì)；數(shù)字濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)。難點：數(shù)字濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)。61、23.隨機信號基礎(chǔ)3.1隨機信號的概念3.2隨機信號的統(tǒng)計特征描述3.3幾種典型的隨機過程；3.4隨機信號通過線性系統(tǒng)教學(xué)要求：了解隨機信號的表示方法；掌握概率分布函數(shù)和各態(tài)遍歷隨機過程；掌握隨機信號的統(tǒng)計特征量和樣本數(shù)字特征；掌握高斯（正態(tài)）過程、理想白噪過程和限帶白噪過程；理解隨機信號通過線性系統(tǒng)的基本關(guān)系式。重點：隨機信號的統(tǒng)計特征描述；典型的隨機過程。難點：隨機信號的統(tǒng)計特征描述。621、24.數(shù)字相關(guān)和卷積運算4.1線性相關(guān)與循環(huán)相關(guān)4.2線性卷積和循環(huán)卷積；4.3相關(guān)函數(shù)和功率譜估計4.4相關(guān)技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用教學(xué)要求：掌握線性相關(guān)與循環(huán)相關(guān)的定義、計算方法，了解二者的異同；掌握線性卷積和循環(huán)卷積的定義、計算方法，了解二者的異同；掌握相關(guān)函數(shù)和功率譜估計的計算方法；通過腦機接口應(yīng)用實例，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。重點：線性相關(guān)與循環(huán)相關(guān)；線性卷積和循環(huán)卷積；相關(guān)函數(shù)和功率譜估計。難點：相關(guān)函數(shù)和功率譜估計。821、25.維納濾波5.1維納濾波器的時域解5.2維納預(yù)測器5.3維納濾波器的應(yīng)用教學(xué)要求：掌握最小均方誤差準則的概念；理解維納－霍夫方程的推導(dǎo)方法；了解純預(yù)測器（N步）和一步線性預(yù)測器；掌握維納濾波器去除心電信號中高斯噪聲的原理和方法。重點：維納濾波器的時域解；維納預(yù)測器。難點：維納濾波器的時域解。821、26.隨機信號的參數(shù)建模法6.1AR、MA和ARMA三種參數(shù)模型6.2AR模型參數(shù)的估計6.3參數(shù)建模法的應(yīng)用教學(xué)要求：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；掌握L-D算法估計AR模型參數(shù)的方法；了解基于AR模型的線性預(yù)測器原理；掌握AR模型技術(shù)建模生物醫(yī)學(xué)信號的方法。重點：AR、MA和ARMA三種參數(shù)模型；AR模型參數(shù)的估計。難點：AR模型參數(shù)的估計。821、2合計4082.實驗部分實驗部分的教學(xué)內(nèi)容、基本要求與學(xué)時分配見表3。表3實驗項目、實驗內(nèi)容與學(xué)時實驗項目實驗內(nèi)容和要求實驗學(xué)時對應(yīng)的課程目標1.譜分析和隨機信號分析實驗內(nèi)容：利用MATLAB生成的偽隨機序列，編制一個程序，計算隨機信號的數(shù)字特征。實驗要求：掌握均勻分布的隨機變量產(chǎn)生的常用方法；掌握高斯分布隨機變量的仿真，并對其進行數(shù)字特征進行估計。21、22.數(shù)字相關(guān)和數(shù)字卷積程序設(shè)計與實現(xiàn)實驗內(nèi)容：編寫函數(shù)實現(xiàn)兩個隨機序列的線性、循環(huán)相關(guān)和線性循環(huán)卷積。實驗要求：掌握數(shù)字相關(guān)和數(shù)字卷積的實現(xiàn)方法。21、23.維納-霍夫方程的計算機求解實驗內(nèi)容：編寫函數(shù)解W-H方程，尋找最優(yōu)的濾波器，并檢驗該程序的準確性和掌握用法。實驗要求：掌握求解維納-霍夫方程的方法，尋找最小均方誤差意義下的最優(yōu)濾波器。21、2、34.L-D算法的實現(xiàn)和AR模型的仿真實驗內(nèi)容：已知觀測信號，編寫函數(shù)解Y-W方程，尋找參數(shù)系數(shù)，并檢驗該程序的準確性和掌握用法。實驗要求：掌握求解Y-W方程的方法和建立隨機信號的AR模型。21、2、3合計8五、教學(xué)方法及手段本課程以課堂講授為主，結(jié)合討論、案例、視頻資源共享、實驗等教學(xué)手段完成課程教學(xué)任務(wù)和相關(guān)能力的培養(yǎng)。學(xué)生應(yīng)比較全面地理解生物醫(yī)學(xué)信號分析與處理的基本原理與方法，在掌握經(jīng)典數(shù)字信號分析與處理的方法基礎(chǔ)上，具有進行隨機信號處理與分析的初步能力。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過啟發(fā)式教學(xué)、討論式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生生物醫(yī)學(xué)信號處理與分析的基本理論、基本知識和基本技能。培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實際動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。六、課程資源1.推薦教材：（1）邱天爽著.醫(yī)學(xué)信號分析與處理[M].北京：電子工業(yè)出版社.2020.03.2.參考書：（1）饒妮妮.生物醫(yī)學(xué)信號處理[M].成都：電子科技大學(xué)出版社.2005年．（2）楊福生，高上凱.生物醫(yī)學(xué)信號處理[M].北京：高等教育出版社.1988年.（3）D.C.Reddy.BiomedicalSignalProcessing:PrinciplesandTechniques[M].HillPublishingCompanyLimited.2005.（4）A.V.Oppenheim.Discretetime

Signal

Processing[M].1988.3.期刊：（1）醫(yī)學(xué)信息學(xué)雜志,中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院.（2）中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會.（3）生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,四川大學(xué)華西醫(yī)院,四川生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會.（4）ComputersinBiologyandMedicine,Elsevier.（5）BiomedicalSignalProcessingandControl,Elsevier.4.網(wǎng)絡(luò)資源：（1）生物醫(yī)學(xué)信號處理，/course/bjut-1205699803（2）統(tǒng)計信號處理，/learn/NUDT08071000084/NUDT08071000084/4230647七、課程考核對課程目標的支撐課程成績由過程性考核成績和期末考核成績兩部分構(gòu)成，具體考核/評價細則及對課程目標的支撐關(guān)系見表4。表4課程考核對課程目標的支撐考核環(huán)節(jié)占比考核/評價細則課程目標123過程性考核課堂表現(xiàn)10（1）根據(jù)課堂出勤情況和課堂回答問題情況進行考核，滿分100分。（2）以平時考核成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?32實驗10（1）根據(jù)每個實驗的實驗操作完成情況和實驗報告質(zhì)量單獨評分，滿分100分；（2）每次實驗單獨評分，取各次實驗成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以實驗成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?32作業(yè)20（1）主要考核學(xué)生對各章節(jié)知識點的復(fù)習(xí)、理解和掌握程度，滿分100分；（2）每次作業(yè)單獨評分，取各次成績的平均值作為此環(huán)節(jié)的最終成績。（3）以作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績?！獭獭?66期末考核60（1）大作業(yè)成績100分，以大作業(yè)成績乘以其在總評成績中所占的比例計入課程總評成績。（2）主要考核隨機信號的基本特點和分析方法、數(shù)字濾波器設(shè)計、時域和頻域分析等技術(shù)和方法以及在生物醫(yī)學(xué)信號處理與分析中的應(yīng)用等內(nèi)容。（3）大作業(yè)類型為綜合項目設(shè)計。√√√252015合計：100分433225八、考核與成績評定1.考核方式及成績評定考核方式：本課程主要以課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)、期末大作業(yè)等方式對學(xué)生進行考核評價?？己嘶疽螅嚎己丝偝煽冇善谀┐笞鳂I(yè)和過程性考核成績組成。其中：大作業(yè)成績?yōu)?00分（權(quán)重60%），大作業(yè)類型為綜合項目設(shè)計；課堂表現(xiàn)、實驗、作業(yè)等過程性考核成績?yōu)?00分（權(quán)重40%）。2.過程性考核成績的標準過程性考核方式重點考核內(nèi)容、評價標準、所占比重見表5。表5過程性考核方式評價標準考核方式所占比重(%)100≥x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60課堂表現(xiàn)25積極參與教學(xué)活動，踴躍回答問題，準確率大于90%。認真參與教學(xué)活動，回答問題準確率大于80%。偶爾參與教學(xué)活動，回答問題準確率大于70%。上課不認真，偶爾參與教學(xué)活動。上課不認真，不參與教學(xué)活動。實驗25實驗預(yù)習(xí)認真，能夠熟練掌握方法與步驟，實驗操作過程熟練、規(guī)范，遵規(guī)守紀、團結(jié)協(xié)作，實驗結(jié)果詳實、結(jié)論清晰、討論合理實驗前有預(yù)習(xí)，能夠掌握方法與步驟，實驗操作過程正確、規(guī)范，遵規(guī)守紀、團結(jié)協(xié)作，實驗結(jié)果正