齐齐哈尔医科大学生物医学信号处理教学大纲

《生物医学信号处理》课程教学大纲

课程编号：

适用专业：生物医学工程

总学时：64

课堂讲授：48

实验操作：16

学分数：4

考核方式：考试

先修课程：《工科数学分析》、《线性代数与空间解析几何》、《复变函数》、《模拟与数字电子技术》、《信号与系统》、《C语言程序设计》、《微机原理与接口技术》一、课程性质、目的和任务

《生物医学信号处理》是一门理论与实践、原理与应用紧密结合的重要专业基础课。本课程培养学生熟练掌握离散时间信号和系统的基本理论和基本分析方法，使学生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领域中的具体问题。本课程对于生物医学工程、生物信息学等专业的学生是必备的重要专业基础课。

二、教学基本要求

通过对本课程的学习，要求学生系统地掌握数字信号处理的基本原理和基本分析方法，能建立基本的数字信号处理模型。学会运用数字信号处理的两个主要工具—快速傅立叶变换（FFT）与数字滤波器，为后续课程的学习打下坚实的理论基础。

三、理论教学内容及要求（48学时，含8学时习题课）

第1章生物医学信号处理概述 (4学时)

1．教学内容

(1).学习生物医学信号处理的理由

(2).信号及其类型

(3).一些典型的生物医学信号简介

(4).处理生物医学信号的目的

2．教学要求

(1).了解本课程背景，包括整个课程的教学内容、学习方法、与其他课程之间的联系、学习要求和考核要求；

(2).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；

(3).理解生理过程自发产生的信号，如心电、脑电、肌电、眼电、胃电等电生理信号和血压、体温、脉搏、呼吸等非电生理信号；

(4).了解外界施加于人体的被动信号，如超声波、同位素、X射线等；

(5).掌握生物医学信号的主要特点；

第2章数字信号处理基础 (8学时)

1．教学内容

(1).傅立叶变换及其意义

(2).傅立叶变换的性质

(3).频域分析和频域分辨率

(4). Z变换及其性质

(5).线性卷积与循环卷积

2．教学要求

(1).掌握傅立叶变换的意义及各种变换对、离散傅立叶变换；

(2).掌握傅立叶变换的性质；

(3).掌握信号的频域分析和频域分辨率的概念；

(4).理解并掌握Z变换及其收敛域（ROC）的概念，Z变换和Z逆变换的计算方法；

(5).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；

第3章 FIR滤波器设计与应用 (8学时)

1．教学内容

(1).FIR滤波器的特性

(2).FIR滤波器的常见结构形式

(3).三类重要的FIR滤波器

(4).FIR滤波器的设计方法

2．教学要求

(1).了解FIR滤波器的特性；

(2).熟悉直接型和级联型两种FIR滤波器结构形式；

(3).掌握平滑滤波器、陷波器和微分器的结构特点和功能；

(4).掌握FIR数字滤波器的窗函数设计法和频率取样法；

第4章 IIR滤波器设计与应用 (8学时)

1．教学内容

(1).IIR滤波器的特性

(2).IIR滤波器的常见结构形式

(3).两类重要的IIR滤波器

(4). IIR滤波器的设计

2．教学要求

(1).了解IIR滤波器的特性和通带、阻带、阶数等的物理概念；

(2).熟悉直接型、级联型和并联型三种FIR滤波器结构形式；

(3).掌握积分器和双极点IIR滤波器的结构特点和功能；

(4).熟悉IIR数字滤波器的双线性法和冲击响应不变法；

第5章随机信号分析基础 (4学时)

1．教学内容

(1).随机信号

(2).随机信号的统计特征描述

(3).几种典型的随机过程

(4).随机信号通过线性系统

2．教学要求

(1).了解随机信号的表示方法；

(2).掌握概率分布函数和各态遍历随机过程及随机信号的统计特征量和样本数字特征；

(3).掌握高斯（正态）过程、理想白噪过程和限带白噪过程；

(4).理解随机信号通过线性系统的基本关系式。

第6章自适应滤波 (4学时)

1．教学内容

(1).LMS自适应维纳滤波器

(2).自适应噪声抵消器

(3).生物医学应用

2．教学要求

(1).掌握LMS自适应维纳滤波器原理和参数选择方法；

(2).自适应噪声抵消器原理和设计方法；

(3).了解自适应噪声抵消技术增强ECG监护信号的方法；

第7章维纳滤波和卡尔曼滤波 (4学时)

1．教学内容

(1).维纳滤波器的时域解

(2).维纳预测器

(3).维纳滤波器的应用

(4).卡尔曼滤波信号模型

(5).状态方程和量测方程

(6).卡尔曼滤波算法

(7).卡尔曼滤波器的医学应用

2．教学要求

(1).掌握最小均方误差准则的概念；

(2).理解维纳－霍夫方程的推导方法；

(3).掌握维纳滤波器去除心电信号中高斯噪声的原理和方法。

(4).了解卡尔曼滤波信号模型的概念；

(5).理解卡尔曼滤波的状态方程和量测方程；

(6).了解卡尔曼滤波算法，包括卡尔曼滤波的一步递推法模型和卡尔曼滤波的递推公式；

(7).初步了解卡尔曼滤波在脑诱发电位提取中的应用。

四、实验教学内容及要求（16学时）

实验项目1 (4学时)

1、实验项目名称：信号频谱分析

2、实验项目的目的和任务：掌握FFT分析信号的方法。

3、实验内容：利用MATLAB中的伪随机序列产生函数randn()产生多段1000点的序列，编制一个程序，计算随机信号的数字特征，包括均值、方差、均方值、最后把计算结果平

均，绘制数字特征图形。

4、项目需用仪器设备名称：计算机、Matlab软件。

5、所需主要元器件及耗材：无。

实验项目2 (4学时)

1、实验项目名称：线性卷积程序设计与实现

2、实验项目的目的和任务：熟悉线性卷积与循环卷积运算。

3、实验内容：编写函数实现两个随机序列的线性、循环卷积。

4、项目需用仪器设备名称：计算机、Matlab软件

5、所需主要元器件及耗材：无

实验项目3 (4学时)

1、实验项目名称：FIR滤波器结构的实现

2、实验项目的目的和任务：掌握FIR滤波器二种结构的编程方法。

3、实验内容：

(1).编制FIR滤波器二种结构（直接型和级联型）的程序；

(2).对给定二个传递函数选择合适的结构实现之；

(3).使信号通过滤波器，观察输出序列及滤波器的频域响应。

4、项目需用仪器设备名称：计算机、Matlab软件

5、所需主要元器件及耗材：无

实验项目4 (4学时)

1、实验项目名称：IIR滤波器结构的实现

2、实验项目的目的和任务：掌握IIR滤波器二种结构的编程方法。

3、实验内容：

(1).编制IIR滤波器三种结构（直接型、级联型和并联型）的程序；

(2).对给定三个传递函数选择合适的结构实现之；

(3).使信号通过滤波器，观察输出序列及滤波器的频域响应。

4、项目需用仪器设备名称：计算机、Matlab软件

5、所需主要元器件及耗材：无

五、教学方法与手段

方法：讲授法、讨论法、演示法等方法。

手段：板书与多媒体混合教学。

六、各教学环节学时分配

七、考核方式

考核形式：笔试。

八、推荐教材和教学参考书

教材：

[1]吴水才著.《生物医学信号处理及应用》，北京：北京工业大学出版社，2014年版. 参考书：

[1]饶妮妮、李凌著.《生物医学信号处理》，成都：电子科技大学出版社，2005年版.

[2]聂能、尧德中、谢正祥、李凌等. 《生物医学信号数字处理技术及应用》，北京：科学出版社，2005年版.

[3] D. C. Reddy. Biomedical Signal Processing: Principles and Techniques. TaTa McGraw –Hill Publishing Company Limited, 2005.

执笔者：《生物医学信号处理》课程组

编写日期：2015年7月