生物醫學數位信號處理：C語言實例與IBM PC實驗

引用

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

章節概要

本書是一部較早的、以實驗為導向的生物醫學數字訊號處理入門書，1993 年出版，共 368 頁。出版社稱其涵蓋生物醫學領域數字訊號處理的全部範圍：既講這一學科的基礎，也提供用於設計和實現簡單數字濾波器的 C 語言程式。書隨附一張軟盤，內含 UW DigiScope 程式，它提供一個環境，可用來做實驗、設計不同型別的數字濾波器，並在螢幕上檢視處理結果。實驗既可以使用真實的模數轉換器，也可以使用軟體模擬的虛擬轉換器。目錄共有二十二項；下面的標題按各項的作用歸併。

醫學中的計算機、心電圖與訊號轉換

全書以「Introduction to Computers in Medicine」和「Electrocardiography」開篇，交代臨床背景和訊號背景，心電圖在後面的 QRS 與監護條目中還會再次出現；隨後是「Signal Conversion」，即從模擬生理訊號到計算機可處理的取樣值的一步。

數字濾波

全書的核心是一組關於濾波器的條目：「Basics of Digital Filtering」「Finite Impulse Response Filters」「Infinite Impulse Response Filters」「Integer Filters」和「Adaptive Filters」。出版社說，其中的 C 語言程式用於設計和實現簡單的數字濾波器，而 UW DigiScope 是用於設計不同型別濾波器的環境。

訊號平均、資料壓縮及其他技術

「Signal Averaging」「Data Reduction Techniques」和「Other Time and Frequency Domain Techniques」把工具箱從濾波器擴充套件到改善訊號質量、壓縮資料，以及在時域和頻域中分析訊號。

QRS 濾波器、心電監護系統與 VLSI

主線的應用端是「QRS Filters」和「ECG Monitoring Systems」，把濾波方法用於心搏檢測與監護；還有「VLSI in Digital Signal Processing」，討論用硬體實現處理。

軟體與實驗材料

其餘條目支援實驗部分：「Configuring the PC for UW DigiScope」「Data Acquisition and Control Routines」「Data Acquisition and Control: Some Hints」以及「UW DigiScope User's Manual」。另外三項「Signal Generation」「Finite Length Register Effects」和「Commercial DSP Systems」，涉及訊號發生、有限字長（暫存器長度）的影響，以及商用數字訊號處理系統。

核心概念

訊號轉換與數字濾波

• 模數轉換：把生理訊號變成取樣值；實驗中可用真實或虛擬的轉換器。
• FIR 與 IIR 濾波器：數字濾波器的兩大類，各佔一個條目。
• 整數濾波器：在 IIR 與自適應濾波器之間單獨列出的一類濾波器。
• 自適應濾波器：其行為隨訊號調整的濾波器。

分析技術與應用

• 訊號平均：合併重複記錄以改善訊號。
• 資料壓縮：用更少的資料表示訊號的技術。
• QRS 濾波器：以檢測心電圖 QRS 波群為目的的濾波。
• 心電監護系統：應用這些方法的完整系統。

實現

• 有限字長效應：單獨成項的主題，涉及數字處理中的有限字長。
• UW DigiScope：隨書程式，用於設計濾波器和開展實驗。

評析

優點

• **動手設計。**出版社強調實驗和 C 語言程式，讀者要自己實現濾波器，而不只是讀而已。
• **虛擬儀器選項。**實驗既可在真實硬體上執行，也可使用軟體模擬的轉換器，因此沒有采集裝置的課程也能完成實驗。
• **注重應用。**目錄從訊號轉換，經由各類濾波器，到 QRS 濾波和心電監護系統，最後是 VLSI、有限字長和商用數字訊號處理系統等實現方面的主題。

侷限

• **綁定於 1993 年的 PC 環境。**書名和圖書館目錄記錄顯示，軟體運行於 IBM PC 相容機，需 640K 記憶體和 VGA、EGA 或 Hercules 顯示卡。今天的讀者需要用另一種平臺來完成練習。
• **訊號範圍較窄。**目錄以心電圖為中心，沒有關於腦電、肌電或成像的章節，因此不是對各種生物醫學訊號的廣泛綜述。
• **方法已舊。**後來針對非平穩訊號、時頻分析和現代分類發展起來的技術，不在 1993 年的目錄裡。
• **只講數字訊號處理的基礎。**出版社把本書描述為提供數字訊號處理的基礎並配有程式，因此需要深入數學的讀者要另備一本數字訊號處理教材。

在課程中的定位

在生物醫學訊號處理課程中，這是最早出版、也是圍繞實驗程式而寫的一本。Steven W. Smith 的 The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing 是一般數字訊號處理的實用入門書，John Semmlow 的 Circuits, Signals, and Systems for Bioengineers 是基於 MATLAB 的電氣工程基礎入門。Semmlow 與 Griffel 的 Biosignal and Medical Image Processing 講面向生物醫學工程師的訊號與影像處理，Rangayyan 的 Biomedical Signal Analysis 是以案例驅動、分析心電、腦電、肌電等生理訊號的教材。

Tompkins 的書可以在這些書之前或同時閱讀，作為一門緊湊的、以心電圖為中心的濾波器實現課程；也可以後讀，瞭解即時心電處理是怎樣建立起來的。就當前的課程而言，基於 MATLAB 的教材是更直接的工具；Tompkins 的價值主要在於把 FIR、IIR、整數和自適應濾波器以及 QRS 檢測放在同一序列裡講。

如何使用本書

本書面向學過微積分並有一些程式設計基礎、想通過動手構建來理解數字濾波的學生，也適合對心電監護歷史感興趣的讀者。

實用安排：

• **核心：**從「Signal Conversion」起的目錄，經過各濾波器條目，再到「QRS Filters」和「ECG Monitoring Systems」。
• 按興趣選讀：「Signal Averaging」和「Data Reduction Techniques」適合誘發電位或儲存方面的主題；「VLSI in Digital Signal Processing」和「Commercial DSP Systems」適合關注實現的讀者。
• **實驗：**軟體與 DigiScope 各條目是實驗的起點；可在當前環境中重新實現。
• **配合閱讀：**數學部分用較新的數字訊號處理教材，更廣泛的訊號型別用 Rangayyan。

對每一類濾波器，用當前的語言寫出該濾波器，在一段心電記錄上執行，並把輸出與書中對它應有效果的描述對照。