生物医学数字信号处理：C语言实例与IBM PC实验

引用

Tompkins, W. J. (Ed.). (1993). Biomedical Digital Signal Processing: C Language Examples and Laboratory Experiments for the IBM PC. Prentice Hall.

章节概要

本书是一部较早的、以实验为导向的生物医学数字信号处理入门书，1993 年出版，共 368 页。出版社称其涵盖生物医学领域数字信号处理的全部范围：既讲这一学科的基础，也提供用于设计和实现简单数字滤波器的 C 语言程序。书随附一张软盘，内含 UW DigiScope 程序，它提供一个环境，可用来做实验、设计不同类型的数字滤波器，并在屏幕上查看处理结果。实验既可以使用真实的模数转换器，也可以使用软件模拟的虚拟转换器。目录共有二十二项；下面的标题按各项的作用归并。

医学中的计算机、心电图与信号转换

全书以“Introduction to Computers in Medicine”和“Electrocardiography”开篇，交代临床背景和信号背景，心电图在后面的 QRS 与监护条目中还会再次出现；随后是“Signal Conversion”，即从模拟生理信号到计算机可处理的采样值的一步。

数字滤波

全书的核心是一组关于滤波器的条目：“Basics of Digital Filtering”“Finite Impulse Response Filters”“Infinite Impulse Response Filters”“Integer Filters”和“Adaptive Filters”。出版社说，其中的 C 语言程序用于设计和实现简单的数字滤波器，而 UW DigiScope 是用于设计不同类型滤波器的环境。

信号平均、数据压缩及其他技术

“Signal Averaging”“Data Reduction Techniques”和“Other Time and Frequency Domain Techniques”把工具箱从滤波器扩展到改善信号质量、压缩数据，以及在时域和频域中分析信号。

QRS 滤波器、心电监护系统与 VLSI

主线的应用端是“QRS Filters”和“ECG Monitoring Systems”，把滤波方法用于心搏检测与监护；还有“VLSI in Digital Signal Processing”，讨论用硬件实现处理。

软件与实验材料

其余条目支持实验部分：“Configuring the PC for UW DigiScope”“Data Acquisition and Control Routines”“Data Acquisition and Control: Some Hints”以及“UW DigiScope User's Manual”。另外三项“Signal Generation”“Finite Length Register Effects”和“Commercial DSP Systems”，涉及信号发生、有限字长（寄存器长度）的影响，以及商用数字信号处理系统。

核心概念

信号转换与数字滤波

• 模数转换：把生理信号变成采样值；实验中可用真实或虚拟的转换器。
• FIR 与 IIR 滤波器：数字滤波器的两大类，各占一个条目。
• 整数滤波器：在 IIR 与自适应滤波器之间单独列出的一类滤波器。
• 自适应滤波器：其行为随信号调整的滤波器。

分析技术与应用

• 信号平均：合并重复记录以改善信号。
• 数据压缩：用更少的数据表示信号的技术。
• QRS 滤波器：以检测心电图 QRS 波群为目的的滤波。
• 心电监护系统：应用这些方法的完整系统。

实现

• 有限字长效应：单独成项的主题，涉及数字处理中的有限字长。
• UW DigiScope：随书程序，用于设计滤波器和开展实验。

评析

优点

• **动手设计。**出版社强调实验和 C 语言程序，读者要自己实现滤波器，而不只是读而已。
• **虚拟仪器选项。**实验既可在真实硬件上运行，也可使用软件模拟的转换器，因此没有采集设备的课程也能完成实验。
• **注重应用。**目录从信号转换，经由各类滤波器，到 QRS 滤波和心电监护系统，最后是 VLSI、有限字长和商用数字信号处理系统等实现方面的主题。

局限

• **绑定于 1993 年的 PC 环境。**书名和图书馆目录记录显示，软件运行于 IBM PC 兼容机，需 640K 内存和 VGA、EGA 或 Hercules 显卡。今天的读者需要用另一种平台来完成练习。
• **信号范围较窄。**目录以心电图为中心，没有关于脑电、肌电或成像的章节，因此不是对各种生物医学信号的广泛综述。
• **方法已旧。**后来针对非平稳信号、时频分析和现代分类发展起来的技术，不在 1993 年的目录里。
• **只讲数字信号处理的基础。**出版社把本书描述为提供数字信号处理的基础并配有程序，因此需要深入数学的读者要另备一本数字信号处理教材。

在课程中的定位

在生物医学信号处理课程中，这是最早出版、也是围绕实验程序而写的一本。Steven W. Smith 的 The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing 是一般数字信号处理的实用入门书，John Semmlow 的 Circuits, Signals, and Systems for Bioengineers 是基于 MATLAB 的电气工程基础入门。Semmlow 与 Griffel 的 Biosignal and Medical Image Processing 讲面向生物医学工程师的信号与图像处理，Rangayyan 的 Biomedical Signal Analysis 是以案例驱动、分析心电、脑电、肌电等生理信号的教材。

Tompkins 的书可以在这些书之前或同时阅读，作为一门紧凑的、以心电图为中心的滤波器实现课程；也可以后读，了解实时心电处理是怎样建立起来的。就当前的课程而言，基于 MATLAB 的教材是更直接的工具；Tompkins 的价值主要在于把 FIR、IIR、整数和自适应滤波器以及 QRS 检测放在同一序列里讲。

如何使用本书

本书面向学过微积分并有一些编程基础、想通过动手构建来理解数字滤波的学生，也适合对心电监护历史感兴趣的读者。

实用安排：

• **核心：**从“Signal Conversion”起的目录，经过各滤波器条目，再到“QRS Filters”和“ECG Monitoring Systems”。
• 按兴趣选读：“Signal Averaging”和“Data Reduction Techniques”适合诱发电位或存储方面的主题；“VLSI in Digital Signal Processing”和“Commercial DSP Systems”适合关注实现的读者。
• **实验：**软件与 DigiScope 各条目是实验的起点；可在当前环境中重新实现。
• **配合阅读：**数学部分用较新的数字信号处理教材，更广泛的信号类型用 Rangayyan。

对每一类滤波器，用当前的语言写出该滤波器，在一段心电记录上运行，并把输出与书中对它应有效果的描述对照。