《生物医学信号分析与处理》教学大纲

《生物医学信号分析与处理》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：06151021课程性质：专业选修课学分：3学分学时：48学时（理论40学时，实验8学时）先修课程：信号与系统、数字信号处理等后续课程：无适用专业：医学信息工程开课单位：电子信息工程学院一、课程说明《生物医学信号分析与处理》是医学信息工程专业的一门专业选修课。本课程主要任务是使学生掌握离散时间信号和系统的基本理论和基本分析方法，熟悉常见生物医学信号的检测与预处理方法，了解如何应用数字频谱分析、最优滤波器等技术解决生物医学信号分析与处理领域中的具体问题。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：掌握生物医学信号的类型及其特点、医学信号处理算法的实现和各种数字滤波器设计方法和编程实现。课程目标2：培养学生的创新思维能力，提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生利用计算机信息技术处理生物医学信号的能力。课程目标3：具有团队协作精神，在复杂工程问题中能较好的运用个人专业背景，通过团队协作解决多学科交叉的工程问题。三、课程目标与毕业要求《生物医学信号分析与处理》课程教学目标对医学信息工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度2.问题分析2.2能够应用数学、自然科学基本原理，对复杂医学信息工程问题进行表述。课程目标1：掌握生物医学信号的类型及其特点、医学信号处理算法的实现和各种数字滤波器设计方法和编程实现。H4.研究4.3能够分析和解释实验数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。课程目标2：培养学生的创新思维能力，提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生利用计算机信息技术处理生物医学信号的能力。M9.个人和团队9.1理解团队合作的重要性，具有与团队成员或负责人协调合作的团队精神和能力，能够在多学科背景下的团队中独立或合作开展工作并发挥作用。课程目标3：具有团队协作精神，在复杂工程问题中能较好的运用个人专业背景，通过团队协作解决多学科交叉的工程问题。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.医学信号分析与处理概述1.1学习医学信号分析与处理的目的1.2信号及其类型1.3典型的医学信号简介1.4处理医学信号的目的教学要求：了解本课程背景，以及与其他课程之间的联系；掌握确定性、随机、分形和混沌等4种类型信号的定义以及相互之间的联系与差别；理解生理过程自发产生的信号；了解外界施加于人体的被动信号；掌握医学信号的主要特点。重点：信号及其类型；典型医学信号的特征。难点：典型医学信号的特征。41、2、32.数字信号处理基础2.1傅立叶变换及其意义2.2傅立叶变换的性质2.3频域分析和谱图表示2.4频域分辨率2.5数字滤波器的设计和实现教学要求：掌握傅立叶变换的意义及各种变换对、离散傅立叶变换；掌握傅立叶变换的性质；掌握信号的频域分析和谱图表示方法；正确理解频域分辨率的概念；了解常用的数字滤波器的设计和实现方法。重点：傅里叶变换的性质；数字滤波器的设计和实现。难点：数字滤波器的设计和实现。61、23.随机信号基础3.1随机信号的概念3.2随机信号的统计特征描述3.3几种典型的随机过程；3.4随机信号通过线性系统教学要求：了解随机信号的表示方法；掌握概率分布函数和各态遍历随机过程；掌握随机信号的统计特征量和样本数字特征；掌握高斯（正态）过程、理想白噪过程和限带白噪过程；理解随机信号通过线性系统的基本关系式。重点：随机信号的统计特征描述；典型的随机过程。难点：随机信号的统计特征描述。621、24.数字相关和卷积运算4.1线性相关与循环相关4.2线性卷积和循环卷积；4.3相关函数和功率谱估计4.4相关技术的生物医学应用教学要求：掌握线性相关与循环相关的定义、计算方法，了解二者的异同；掌握线性卷积和循环卷积的定义、计算方法，了解二者的异同；掌握相关函数和功率谱估计的计算方法；通过脑机接口应用实例，使学生初步了解相关技术解决生物医学问题的方法。重点：线性相关与循环相关；线性卷积和循环卷积；相关函数和功率谱估计。难点：相关函数和功率谱估计。821、25.维纳滤波5.1维纳滤波器的时域解5.2维纳预测器5.3维纳滤波器的应用教学要求：掌握最小均方误差准则的概念；理解维纳－霍夫方程的推导方法；了解纯预测器（N步）和一步线性预测器；掌握维纳滤波器去除心电信号中高斯噪声的原理和方法。重点：维纳滤波器的时域解；维纳预测器。难点：维纳滤波器的时域解。821、26.随机信号的参数建模法6.1AR、MA和ARMA三种参数模型6.2AR模型参数的估计6.3参数建模法的应用教学要求：掌握AR模型的定义和建模方法；了解MA模型和ARMA模型的定义和建模方法；理解三种参数模型的特点；掌握L-D算法估计AR模型参数的方法；了解基于AR模型的线性预测器原理；掌握AR模型技术建模生物医学信号的方法。重点：AR、MA和ARMA三种参数模型；AR模型参数的估计。难点：AR模型参数的估计。821、2合计4082.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.谱分析和随机信号分析实验内容：利用MATLAB生成的伪随机序列，编制一个程序，计算随机信号的数字特征。实验要求：掌握均匀分布的随机变量产生的常用方法；掌握高斯分布随机变量的仿真，并对其进行数字特征进行估计。21、22.数字相关和数字卷积程序设计与实现实验内容：编写函数实现两个随机序列的线性、循环相关和线性循环卷积。实验要求：掌握数字相关和数字卷积的实现方法。21、23.维纳-霍夫方程的计算机求解实验内容：编写函数解W-H方程，寻找最优的滤波器，并检验该程序的准确性和掌握用法。实验要求：掌握求解维纳-霍夫方程的方法，寻找最小均方误差意义下的最优滤波器。21、2、34.L-D算法的实现和AR模型的仿真实验内容：已知观测信号，编写函数解Y-W方程，寻找参数系数，并检验该程序的准确性和掌握用法。实验要求：掌握求解Y-W方程的方法和建立随机信号的AR模型。21、2、3合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，结合讨论、案例、视频资源共享、实验等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。学生应比较全面地理解生物医学信号分析与处理的基本原理与方法，在掌握经典数字信号分析与处理的方法基础上，具有进行随机信号处理与分析的初步能力。在实验教学环节中，通过启发式教学、讨论式教学培养学生生物医学信号处理与分析的基本理论、基本知识和基本技能。培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。六、课程资源1.推荐教材：（1）邱天爽著.医学信号分析与处理[M].北京：电子工业出版社.2020.03.2.参考书：（1）饶妮妮.生物医学信号处理[M].成都：电子科技大学出版社.2005年．（2）杨福生，高上凯.生物医学信号处理[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）医学信息学杂志,中国医学科学院.（2）中国生物医学工程学报,中国生物医学工程学会.（3）生物医学工程学杂志,四川大学华西医院,四川生物医学工程学会.（4）ComputersinBiologyandMedicine,Elsevier.（5）BiomedicalSignalProcessingandControl,Elsevier.4.网络资源：（1）生物医学信号处理，/course/bjut-1205699803（2）统计信号处理，/learn/NUDT08071000084/NUDT08071000084/4230647七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标123过程性考核课堂表现10（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√532实验10（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√532作业20（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√866期末考核60（1）大作业成绩100分，以大作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核随机信号的基本特点和分析方法、数字滤波器设计、时域和频域分析等技术和方法以及在生物医学信号处理与分析中的应用等内容。（3）大作业类型为综合项目设计。√√√252015合计：100分433225八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、作业、期末大作业等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末大作业和过程性考核成绩组成。其中：大作业成绩为100分（权重60%），大作业类型为综合项目设计；课堂表现、实验、作业等过程性考核成绩为100分（权重40%）。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100≥x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课堂表现25积极参与教学活动，踊跃回答问题，准确率大于90%。认真参与教学活动，回答问题准确率大于80%。偶尔参与教学活动，回答问题准确率大于70%。上课不认真，偶尔参与教学活动。上课不认真，不参与教学活动。实验25实验预习认真，能够熟练掌握方法与步骤，实验操作过程熟练、规范，遵规守纪、团结协作，实验结果详实、结论清晰、讨论合理实验前有预习，能够掌握方法与步骤，实验操作过程正确、规范，遵规守纪、团结协作，实验结果正