一種腦電裝置的精確無線事件同步方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種腦電裝置的精確無線事件同步方法，在相關(guān)系統(tǒng)中，加入同步子鐘，母鐘和子鐘在運行之前進(jìn)行三次握手對準(zhǔn)，開始運行之后每個系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)加上從各自子鐘讀取的時間戳無線傳輸?shù)街醒胩幚砟K，中央處理模塊根據(jù)時間戳進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊，實現(xiàn)刺激事件、環(huán)境變量、相關(guān)生理參數(shù)與腦電數(shù)據(jù)的同步，之后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成預(yù)期功能。
【專利說明】一種腦電裝置的精確無線事件同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線數(shù)據(jù)傳輸方法，特別是能夠精確時間同步的無線數(shù)據(jù)傳輸方法，以及實現(xiàn)該方法的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]事件相關(guān)誘發(fā)電位(ERP)是由特定刺激所引起的腦電(EEG)，它能夠反映刺激下大腦認(rèn)知過程中的神經(jīng)電生理變化，因此被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)等領(lǐng)域。基于ERP的腦電系統(tǒng)除了必不可少的聲光電刺激器和腦電采集系統(tǒng)，有時需要結(jié)合一些其他信息如附圖1中的各種環(huán)境變量和其他生理信號以探索新的實驗范式和開發(fā)有實用價值的基于ERP的腦電裝置，如基于視覺誘發(fā)電位的字母輸入器，基于腦機(jī)接口的環(huán)境控制器等。事件相關(guān)誘發(fā)電位的潛伏期與刺激之間有較嚴(yán)格的鎖時關(guān)系，即事件相關(guān)誘發(fā)電位在給予刺激后一段特定的時間內(nèi)瞬時出現(xiàn)。這一固定的時間延遲是事件相關(guān)誘發(fā)電位的重要特征，因此在記錄事件相關(guān)誘發(fā)電位時，必須在采集腦電的同時準(zhǔn)確記錄下刺激發(fā)生的時刻，時間誤差要求在± Ims以內(nèi)?，F(xiàn)有能夠滿足該精度要求的技術(shù)方案均為有線傳輸方案，根據(jù)同步觸發(fā)信號的不同分為模擬與數(shù)字兩種:
[0003]1.模擬方案
[0004]該方案將刺激系統(tǒng)產(chǎn)生的同步觸發(fā)信號(一般為脈沖或具有一定特征的電壓變化)作為多導(dǎo)聯(lián)腦電采集系統(tǒng)的一路模擬輸入信號，連同其他導(dǎo)聯(lián)的腦電信號一起采集，通過分析各個同步信號導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)，識別觸發(fā)信號來標(biāo)記刺激的起始時間點。
[0005]2.數(shù)字方案
[0006]該方案要求刺激器能夠產(chǎn)生若干位(由所采用接口 PIN數(shù)而定)TTL電平信號，通過特定接口傳輸至腦電采集系統(tǒng)，作為同步數(shù)字信號輸入。同步信號觸發(fā)腦電采集系統(tǒng)在當(dāng)前所采集到的腦電數(shù)據(jù)中加上與同步數(shù)字信號對應(yīng)的標(biāo)簽，標(biāo)記刺激起始時間。
[0007]現(xiàn)有的模擬和數(shù)字同步方案存在如下缺點:
[0008]1.均為有線傳輸方案，要求刺激器與腦電采集系統(tǒng)必須有線連接，極大限制了實驗和相關(guān)系統(tǒng)開發(fā)的靈活性。
[0009]2.現(xiàn)有方案受傳輸接口的限制，同步觸發(fā)信號的一組有線連接一次只能將一種刺激觸發(fā)信號傳輸給一個腦電采集系統(tǒng)，難以實現(xiàn)多種刺激系統(tǒng)，以及多種同步采集的生理參數(shù)與腦電采集系統(tǒng)的同步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠精確時間同步的無線數(shù)據(jù)傳輸方法。
[0011]本發(fā)明通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0012]一種以事件相關(guān)誘發(fā)電位為基礎(chǔ)的腦電裝置的精確無線同步方法，所述以事件相關(guān)誘發(fā)電位為基礎(chǔ)的腦電裝置包括中央處理系統(tǒng)和至少一個采集子系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟:
[0013](I)同步子鐘對準(zhǔn)；
[0014]通過與所述中央處理系統(tǒng)的母鐘進(jìn)行多次對時的方法完成各個采集子系統(tǒng)的子鐘之間的同步計時；
[0015](2)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)與同步信號數(shù)據(jù)整合傳輸；
[0016]所述采集子系統(tǒng)按各自既定的頻率發(fā)放刺激、采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)；同步后的子鐘將時間戳加到每一個數(shù)據(jù)包中隨數(shù)據(jù)信息一起發(fā)送，且每個數(shù)據(jù)包只加一個時間戳，各個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)中包含的時間戳在誤差范圍內(nèi)是同步的:
[0017]中央處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)實際需求結(jié)合接收到各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊和處理。
[0018]優(yōu)選地，所述中央處理系統(tǒng)的母鐘向所有采集子系統(tǒng)的子鐘同時發(fā)出對時信號，每一個所述子鐘所在的所述采集子系統(tǒng)若接受到此對時信號則發(fā)送返回信號；當(dāng)所述母鐘所在的所述中央處理系統(tǒng)收到所有子鐘的返回信號，即完成一次對時。
[0019]優(yōu)選地，共進(jìn)行三次握手確認(rèn)，每次握手確認(rèn)時，由母鐘翻轉(zhuǎn)電平，各個子鐘監(jiān)測到這個電平翻轉(zhuǎn)后，也將輸出管腳的電平翻轉(zhuǎn)以回應(yīng)；母鐘在檢測到各個子鐘均完成了電平翻轉(zhuǎn)時，完成一次握手；在三次握手之后，由母鐘再發(fā)出一次電平翻轉(zhuǎn)信號，所有的子鐘在監(jiān)測到該信號后同時使能內(nèi)部的同步計時器，以0.1ms遞增，完成初始同步。
[0020]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括刺激事件。
[0021]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括環(huán)境變量。
[0022]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括相關(guān)生理參數(shù)。
[0023]優(yōu)選地，所述中央處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊和處理時結(jié)合所述數(shù)據(jù)信息的位數(shù)、長度、采樣率和/或發(fā)包率。
[0024]本發(fā)明還提供了一種用于實施以上技術(shù)方案中任一項所述的方法的腦電裝置，包括:
[0025]中央處理系統(tǒng)，具有:母鐘，能夠在多次對時過程中提供對時信號；以及數(shù)據(jù)處理裝置，能夠?qū)邮盏礁鞣N數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊和處理；
[0026]至少一個采集子系統(tǒng)，其中的每一個采集子系統(tǒng)具有:子鐘，通過與所述中央處理系統(tǒng)的母鐘進(jìn)行多次對時的方法完成各個采集子系統(tǒng)的子鐘之間的同步計時；以及數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，其按各自既定的頻率發(fā)放刺激、采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)；同步后的子鐘將時間戳加到每一個數(shù)據(jù)包中隨數(shù)據(jù)信息一起發(fā)送，且每個數(shù)據(jù)包只加一個時間戳，各個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)中包含的時間戳在誤差范圍內(nèi)是同步的。
[0027]優(yōu)選地，所述母鐘帶有一個輸出口與若干個輸入口，每個所述子鐘帶有一個輸入口與一個輸出口 ；將所述母鐘的輸出口分別與各個所述子鐘的輸入口連接，將每個所述子鐘輸出口分別與所述母鐘的輸入口連接，并將所述母鐘與各所述子鐘共地連接。
[0028]優(yōu)選地，所述母鐘與子鐘分別由嵌入式實時系統(tǒng)進(jìn)行控制，所述嵌入式實時系統(tǒng)的晶振精度在IOppm以下，以保證在對時之后，腦電數(shù)據(jù)采集的過程中，不同子鐘時間戳的計時偏差在Ims以內(nèi)。
[0029]通過以上技術(shù)方案，本發(fā)明能夠取得如下的技術(shù)效果:
[0030]1.能夠?qū)崿F(xiàn)外部設(shè)備與腦電采集系統(tǒng)的無線同步，精度在Ims以內(nèi)。
[0031]2.能夠?qū)崿F(xiàn)多種刺激、環(huán)境變量、生理參數(shù)與腦電信號的同步?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0032]圖1:無線同步系統(tǒng)用于腦電相關(guān)系統(tǒng)的架構(gòu)圖
[0033]圖2:無線同步系統(tǒng)中母鐘與子鐘的連接拓?fù)鋱D
[0034]圖3:母鐘與子鐘建立同步流程圖
[0035]圖4:對時過程的信號序列圖
【具體實施方式】
[0036]附圖1所示的是一根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用了無線同步系統(tǒng)的腦電相關(guān)系統(tǒng)，其中包括刺激器、環(huán)境變量采集裝置、生理信號采集裝置、腦電采集裝置等。在相關(guān)系統(tǒng)中，加入同步子鐘，母鐘和子鐘在運行之前進(jìn)行三次握手對準(zhǔn)，開始運行之后每個系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)加上從各自子鐘讀取的時間戳無線傳輸?shù)街醒胩幚砟K，中央處理模塊根據(jù)時間戳進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊，實現(xiàn)刺激事件、環(huán)境變量、相關(guān)生理參數(shù)與腦電數(shù)據(jù)的同步，之后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成預(yù)期功能。
[0037]母鐘與子鐘分別由嵌入式實時系統(tǒng)進(jìn)行控制，系統(tǒng)晶振精度在IOppm以下，以保證在對時之后，腦電數(shù)據(jù)采集的過程中，不同子鐘時間戳的計時偏差在Ims以內(nèi)。
[0038]1.同步子鐘對準(zhǔn)
[0039]在初始階段，通過與同步母鐘進(jìn)行三次握手的方法完成各個子鐘之間的同步計時。在對準(zhǔn)階段，子鐘與母鐘的連接方式分為:
[0040]母鐘帶有一個輸出口與若干個輸入口，子鐘帶有一個輸入口與一個輸出口。將母鐘的輸出口分別與各個子鐘的輸入口連接，將每個子鐘輸出口分別與母鐘的輸入口連接，并將母鐘與各子鐘共地連接。并且當(dāng)發(fā)送對準(zhǔn)信號時，同時向所有子鐘發(fā)送同一對準(zhǔn)信號。子鐘位于所述刺激器、所述環(huán)境變量采集設(shè)備、所述生理信號采集設(shè)備、所述腦電采集設(shè)備的一個或幾個之中。以I個母鐘和2個子鐘為例，這種連接的拓?fù)淙绺綀D2所示。以上子鐘與母鐘優(yōu)選使用硬件方式連接。
[0041]母鐘與子鐘對準(zhǔn)過程如附圖3所示。母鐘所在系統(tǒng)向所有子鐘同時發(fā)出對時信號，每一個同步子鐘所在系統(tǒng)若接受到此對時信號則發(fā)送返回信號。當(dāng)母鐘所在系統(tǒng)收到所有子鐘的返回信號，算完成一次對時。按照同樣的方式連續(xù)進(jìn)行三次對時，母鐘立即發(fā)出開始計時信號，子鐘接受到該信號后同步同時使能各自系統(tǒng)內(nèi)的計時器，同步子鐘對準(zhǔn)階段結(jié)束。具體流程如下:共進(jìn)行三次握手確認(rèn)。每次握手確認(rèn)時，由母鐘翻轉(zhuǎn)電平，各個子鐘監(jiān)測到這個電平翻轉(zhuǎn)后，也將輸出管腳的電平翻轉(zhuǎn)以回應(yīng)。母鐘在檢測到各個子鐘均完成了電平翻轉(zhuǎn)時，完成一次握手。在三次握手之后，由母鐘再發(fā)出一次電平翻轉(zhuǎn)信號，所有的子鐘在監(jiān)測到該信號后同時使能內(nèi)部的同步計時器，以0.1ms遞增，完成初始同步。母鐘與子鐘存在delay的情況下通過3次握手實現(xiàn)初始同步，對時過程的信號序列如圖4所示。
[0042]2.子系統(tǒng)數(shù)據(jù)與同步信號數(shù)據(jù)整合傳輸
[0043]完成子鐘對準(zhǔn)，子鐘使能，以0.1ms遞增，各子系統(tǒng)按各自既定的頻率發(fā)放刺激、采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)。同步后的子鐘將時間戳加到每一個數(shù)據(jù)包中隨數(shù)據(jù)信息一起發(fā)送，且每個數(shù)據(jù)包只加一個時間戳，不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)中包含的時間戳在誤差范圍內(nèi)是同步的。根據(jù)實際需要的不同，各個系統(tǒng)向中央處理系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的形式均會有所差異，如數(shù)據(jù)位數(shù)、長度、采樣率、發(fā)包率等。如對溫度、濕度等環(huán)境變量變化較慢的，則采樣率低，發(fā)包率高，每包數(shù)據(jù)量低；腦電數(shù)據(jù)變化快至少IOOHz采樣率，精度要求高，則發(fā)包率適中，每包數(shù)據(jù)量較大；刺激信號一旦出現(xiàn)必須發(fā)送，則發(fā)包率不固定，每包數(shù)據(jù)只有時間戳，等等情況。中央處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)實際需求結(jié)合接收到各種數(shù)據(jù)的位數(shù)、長度、采樣率、發(fā)包率等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊和處理。數(shù)據(jù)對其和處理的具體方式方法與不同系統(tǒng)的預(yù)期要求不同而不同，非本專利主要內(nèi)容，不做詳述或舉例。
【權(quán)利要求】
1.一種腦電裝置的精確無線事件同步方法，所述腦電裝置包括中央處理系統(tǒng)和至少一個采集子系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟: (1)同步子鐘對準(zhǔn)； 通過與所述中央處理系統(tǒng)的母鐘進(jìn)行多次對時的方法完成各個采集子系統(tǒng)的子鐘之間的同步計時； (2)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)與同步信號數(shù)據(jù)整合傳輸； 所述采集子系統(tǒng)按各自既定的頻率發(fā)放刺激、采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)；同步后的子鐘將時間戳加到每一個數(shù)據(jù)包中隨數(shù)據(jù)信息一起發(fā)送，且每個數(shù)據(jù)包只加一個時間戳，各個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)中包含的時間戳在誤差范圍內(nèi)是同步的； 中央處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)實際需求結(jié)合接收到各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊和處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述中央處理系統(tǒng)的母鐘向所有采集子系統(tǒng)的子鐘同時發(fā)出對時信號，每一個所述子鐘所在的所述采集子系統(tǒng)若接受到此對時信號則發(fā)送返回信號；當(dāng)所述母鐘所在的所述中央處理系統(tǒng)收到所有子鐘的返回信號，即完成一次對時。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，共進(jìn)行三次握手確認(rèn)，每次握手確認(rèn)時，由母鐘翻轉(zhuǎn)電平，各個子鐘監(jiān)測到這個電平翻轉(zhuǎn)后，也將輸出管腳的電平翻轉(zhuǎn)以回應(yīng)；母鐘在檢測到各個子鐘均完成了電平翻轉(zhuǎn)時，完成一次握手；在三次握手之后，由母鐘再發(fā)出一次電平翻轉(zhuǎn)信號，所 有的子鐘在監(jiān)測到該信號后同時使能內(nèi)部的同步計時器，以0.1ms遞增，完成初始同步。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括刺激事件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括環(huán)境變量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息包括相關(guān)生理參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述中央處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊和處理時結(jié)合所述數(shù)據(jù)信息的位數(shù)、長度、采樣率和/或發(fā)包率。
8.一種用于實施根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法的腦電裝置，包括: 中央處理系統(tǒng)，具有:母鐘，能夠在多次對時過程中提供對時信號；以及數(shù)據(jù)處理裝置，能夠?qū)邮盏礁鞣N數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)對齊和處理； 至少一個采集子系統(tǒng)，其中的每一個采集子系統(tǒng)具有:子鐘，通過與所述中央處理系統(tǒng)的母鐘進(jìn)行多次對時的方法完成各個采集子系統(tǒng)的子鐘之間的同步計時；以及數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，其按各自既定的頻率發(fā)放刺激、采集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)；同步后的子鐘將時間戳加到每一個數(shù)據(jù)包中隨數(shù)據(jù)信息一起發(fā)送，且每個數(shù)據(jù)包只加一個時間戳，各個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)中包含的時間戳在誤差范圍內(nèi)是同步的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的腦電裝置，其特征在于，所述母鐘帶有一個輸出口與若干個輸入口，每個所述子鐘帶有一個輸入口與一個輸出口 ；將所述母鐘的輸出口分別與各個所述子鐘的輸入口連接，將每個所述子鐘輸出口分別與所述母鐘的輸入口連接，并將所述母鐘與各所述子鐘共地連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的腦電裝置，其特征在于，所述母鐘與子鐘分別由嵌入式實時系統(tǒng)進(jìn)行控制，所述嵌入式實時系統(tǒng)的晶振精度在IOppm以下，以保證在對時之后，腦電數(shù)據(jù)采集的過程中，不 同子鐘時間戳的計時偏差在Ims以內(nèi)。
【文檔編號】H04L7/00GK103607269SQ201310627604
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】胥紅來, 黃肖山 申請人:常州博?？悼萍加邢薰?br>