基于人体心电信号采集的创新实训课设计与实践研究

于丹洋，曹晶，滕丹，李乐

（辽宁何氏医学院人工智能与大数据学院，辽宁沈阳 110163）

0 引言

生物医学工程专业是利用工程学的手段方法解决医学上的问题，是一个应用性较强的专业，其医、工结合的显著特点决定了专业人才培养的方式不能以传统的理论课程讲授为主，应大幅度提升专业实践课的学时比例。并在增加实践课比例的同时，结合专业背景，尝试将教师的科研项目引入实践教学，使学生在实践基本原理的基础上，结合具体的应用需求拓展实训内容，让其对所学内容的实际应用有了直观的认识，达到活学活用的效果。以科研项目为基础的实训内容，既可充分利用项目资源，又可培养学生的科研实践能力，为其实习、毕业设计打下了良好的基础。

1 原实训课的教学内容

专业原有的中级实训课内容，是对模拟电子技术、电路原理及单片机几门课程实验的初步运用，是采用光电传感器采集人体指端的脉搏信号，基于单片机对信号进行处理分析，计算出人体的心率，并在液晶屏上显示数值，当心率过高或过低时，发出声音报警。心电信号是反映心脏兴奋的电活动过程，它对心脏的基本功能及临床研究具有重要的参考价值，是最常见的临床监测的人体电生理信号，选取心电信号采集处理作为实训课的内容，是符合专业背景并易于学生上手实现的。

学生根据电路原理图，将各电子元器件焊接在覆铜板上，后利用C 语言通过Keil C51 系统开发单片机应用程序。学生在实训课之前，已经学习了专业基础课C语言程序设计，掌握了基本的语法规则和使用方法，但在其实验学时部分，只是上机进行基本练习和照搬代码运行，实践与理论课教学之间存在脱节的问题。而当面对于一些具体的应用性实例时，学生表现为无从下手，很难独自进行问题的分析和解决[1]。

2 拓展实训的教学目标

虽然实训课可使学生对课堂上所学的理论知识有所实践验证，但对于如何运用所学知识综合地解决实际问题，程度还不够。新工科背景下的人才培养目标，要充分考虑到社会及就业需求对人才的要求，要使学生具备与之相匹配的能力。根据现有的实验基础，并结合现有科研项目的内容，可将前端电信号的采集、数据的无线传输、数据的接收保存等功能贯穿实现，在拓展了实训课程内容的同时，又可让学生直观地了解到专业是如何从工程方面入手获取有助于临床诊断信息的。

3 拓展实训的教学方式

根据原实训内容的完成情况，将擅长硬件电路调试及程序开发的学生搭配分组，以团队的方式完成后续任务。要充分体现多样化的过程教学，改变以老师讲解带领为主的方式，以学生为中心，引导其主动学习，使学生成为教学的主体。分组进行，可兼顾到不同层次和水平学生的差异性，大家可在交流中寻求解决思路，编写代码，提升解决问题的能力，增强自信心，也培养了其钻研问题的兴趣。为了保证电路及程序调试的连贯性，实训课尝试将课程学时集中地安排在一个教学周内，使学生可集中精力参与并完成课程内容。

4 拓展实训的教学内容

实训课后续的拓展内容为，实现前端人体心电信号的采集，通过无线传输模式将数据发送至后端的PC 机上，完成对数据的存储分析及显示。拓展实验整体的结构设计如图1所示。

图1 拓展实验整体结构框图

4.1 心电信号的采集

前端是以Arduino UNO开发板为主控模块的心电信号采集部分，心电信号的采集模块选用AD8232。Arduino UNO 是适合单片机入门的开发板，采用单片机ATmega328 芯片作为主控制器，集成开发环境为Arduino IDE，工作电压DC+5V。AD8232 是一款用于ECG及其他生物电测量应用的集成信号调理模块，该器件设计用于在具有运动或远程电极放置产生的噪声的情况下提取、放大及过滤微弱的生物电信号。采用标准I型导联，使用导电良好的一次性Ag/Agcl电极片。心电信号的幅值范围50μV-5mV，频率范围0.05-100Hz，典 型 幅 值 为1mV[2]。Arduino UNO 与AD8232的连接如图2所示。

图2 Arduino UNO与AD8232的管脚接线图

4.2 数据的转换与传输

在Arduino UNO 开发板上添加通信模块HC-06，其为主从一体的蓝牙模块，工作电压为3.3-3.6V，内置PCB 天线，采用蓝牙2.0 协议标准[3]。Arduino UNO将前端采集的心电信号经过A/D转换后，以无线的方式传输到后端PC 机上。将与Arduino UNO 连接的HC-06 设置成从模式，后端PC 机上的蓝牙设置为主模式，与前端建立连接，实现数据的无线传输。

4.3 心电波形的显示及数据的存储

在实训课的前期，学生可在单片机外接的LED显示屏上看到心率数值，内容拓展后，可先利用Arduino IDE的串口绘图器，看到绘制出的心电图，但在实际应用中，不仅需要波形的显示，更重要的是实现对数据的进一步处理、分析、保存等要求，从而获取到可用于疾病诊断的重要信息，提供有价值的诊断依据。实训课后期，应用LabView 来实现后续的拓展内容。Lab-View是具有图形化的编程语言和简易的开发环境，具有调试方便、易学习开发的特点，支持串口、USB等多种通讯协议，可开发对于心电信号的采集分析系统，即可实时显示心电波形，又可将数据存储用于后续的分析[4]。在LabView中，可调用VISA库函数，执行选择配置串口、打开、读取缓冲区字符串、关闭等操作，并将数据存储为文件格式[5]。

本实训课的拓展内容也有助于后续毕业设计的开展，可对前端采集到的人体心电、眼电等电生理信号进行数字信号处理方法的选题；开发医学信息系统实现对数据的存储和进一步的分析；可结合应用广泛的Android 系统手机，开发移动App 实现数据的传输及智能应用等[6]。

5 考核方式

课程考核是检测学生学习效果的手段和标准，是检验教学效果的重要依据，但考核的方式可根据课程的性质和教学目标灵活设置。实训课重在考查学生的参与程度和实践中逐步解决问题的过程，依据学校设置的课程成绩构成，主要包含平时表现（20%）、项目考核（50%）、实验报告（30%）的撰写等。平时表现包含了学生的参与程度和积极性，在课程的进行中，老师会及时地反馈给学生，让其调整自己的状态；项目考核中不仅包含了最终成果的展示，更重要的是让学生在课程中记录所遇到的各种问题以及解决问题的方法和过程，形式以视频记录为主，也可上交文字记录；实验报告则侧重在分析各环节的重点问题、注意事项及未能成功实现心电采集的失败原因。规范地撰写实验报告，可使学生认真地回顾总结整个实训过程，有利于培养其实事求是的态度和经验的积累。

6 拓展实训课的总结及后续探索

专业基础课的实验课，都是每门课程独立开展的实践教学，通常学时数至多只占全课时的1/3，内容均是单一的实验，学生只是为了获得实验学分而机械地完成实验内容，并不知该如何将所学知识运用到实际中去。为了解决该问题，结合工科专业的特点，专门开设了专业的中级实训课，为的就是让学生能亲身实践地去解决一个实际问题，了解一个工程项目该如何去设计、实施，从而获得学以致用的成就感。

但实训课只是从单一的实验课到毕业设计之间的过渡，内容虽有拓展，但要避免内容过多或难度太大，课程达到的效果是学生的实践动手能力有了一定的提升，对专业实践感兴趣，避免因其内容过多加大了完成的难度，而使学生对专业学习产生畏难情绪。而对于在实训课实施过程中完成比较顺利、出色的学生，若对项目感兴趣，可后续直接参与到科研项目中来，以科研助理的方式参与实际工作，可使得自身的专业能力、实践能力均得到锻炼和提升。

创新实训课通过设计符合专业背景的案例，将枯燥的理论原理与实际应用有效地结合起来，显著地提高了实验教学效果，使学生在专业学习中获得坚实的实践技能，并在实践能力上有所创新和突破。教学是科研的基础和支撑，科研反馈于教学，二者教学相长[7]。创新实训课依托科研过程，对提高本科教学质量和人才培养质量有着重要的指导、促进作用，该教学模式应可持续地发展下去。