CN101461707B - 近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近红外医学检测仪的多通道/多台机同步控制系统，属于生物医学工程中的近红外激光应用综合技术领域。所述系统包括控制信号产生模块、信号分路模块、开关量输入接口、外触发启动模块和外触发终止模块。控制信号产生模块收到的控制信号通过信号分路装置同时传输到各检测通道的相应开关量输入接口，外触发启动和终止模块分别寻访该接口并根据接收到的信号控制数据采集的实时启动和终止，并且利用数据长度调整模块对采集到的数据长度进行调整。此外，本发明还公开了一种近红外医学检测仪的多通道/多台机同步控制方法。本发明具有可提高时间分辨率，对各通道或各台机不要求采样率相同，较高可用性和较低响应时间等优点。
Description
技术领域
本发明涉及本发明属于生物医学工程科学中的近红外激光综合应用技术领域，涉及一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统及方法。
背景技术
运用近红外光谱术可非侵入地检测人体组织中血液动力学变化，这对于手术过程中的病人、婴幼儿、危重病人等监护，以及对精神或神经性病人脑活动的监测评估和对局部血液异常类疾病的诊断有很重要的意义。
近年来，国内外已经研制出适合临床使用的近红外医学检测仪器，如肌氧检测仪、乳腺检测成像器和脑功能成像器等。这些仪器大部分具有便携、价格便宜、非电离辐射和可在自然条件下检测等优点。但是这些仪器同时也存在一些问题，如多通道设计的仪器各通道数据采集不同步；时间分辨率低；难以满足提供更综合信息的要求：即对人体大区域、不同位置同时检测，例如多脑区活动的血液动力学检测、多块肌肉的同时检测甚至多块肌肉与相关脑区的同时检测。
现有的多通道设计的仪器，如近红外脑功能成像器，主要采用如下方式进行工作：首先点亮一个光源的一个波长，然后采集周围探测器的数据，再将该波长的光熄灭，如此将光源按波长和位置顺序依次点亮和采集数据。这种方式导致各通道的数据采集不同步；而且因为受到依次驱动光源点亮和熄灭，各通道依次采集数据等过程的影响，仪器的时间分辨率大大降低。现在广泛使用的连续光近红外医学检测装置时间分辨率通常小于10HZ，满以满足精确检测病人血液动力学时域变化的需求。
国内外目前已有一些关于近红外医学检测仪器的多通道探头设计的相关专利申请文件，但还没有针对解决多通道多台机同步检测的专利。关于多通道或多设备同步的控制系统或方法多采用开发同步测量系统的一般思路，即设置主从设备，主设备产生控制所有设备的一个或多个信号，从设备接收来自主设备的信号，并通过对主从各设备内部时钟的调整实现同步。该类方法比较复杂，需要对每个设备实施主或从控制，主从设备之间需要进行通讯。此外还有通过计算判断大于阈值的相关峰形成函数自身的多个差是否都大于预定阈值来得出同步点并延迟数据实现，但该方法只适用于正交频分复用调制系统。
发明内容
为了解决检测仪器的多通道同步控制的技术问题，本发明提出一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统。本发明的系统可以对多检测通道/多台机之间不实施主从控制或通讯，实施简单，除了解决同步问题之外，还可使各通道各台机的数据采集过程不受光源驱动时间开销的影响，充分发挥出仪器所配数据采集卡的采样速度。
所述技术方案如下：
本发明的一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统，其特征在于，所述系统包括依次相连接的控制信号产生模块和信号分路模块，在所述信号分路模块输出端连接有至少一个开关输入接口；所述开关输入接口的输入端与所述信号分路模块相连接；所述开关输入接口还通过近红外医学检查仪器的外触发启动模块和外触发终止模块与所述近红外医学检查仪器相连接，各外接的近红外医学检测仪器的输出端分别与调整数据长度模块相连接。
本发明的近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统，其特征在于，所述控制信号产生模块设有两个输出端口，分别用于输出同步开始数据采集的数字信号和同步终止数据采集的数字信号；所述开关输入接口的输入端至少设置有第一开关输入端口和第二开关输入端口；所述控制信号产生模块的两个输出端口通过所述信号分路模块与所述开关输入接口的第一开关输入端口和第二开关输入端口分别相连接。
本发明的近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统，其特征在于，所述信号分路模块采用经过分路后的输出信号幅度相对于信号分路模块的输入信号无衰减的分路模块。
本发明的近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统，所述外触发启动模块和外触发终止模块分别添加入近红外医学检测仪的数据采集/显示软件中，用于分别寻访采集所述开关输入接口，接收同步开始数据采集的数字信号和同步终止数据采集的数字信号，实现对数据采集的实时控制。
此外，本发明还提供了一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法。
所述技术方案如下：
本发明的一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法，方法包括下列步骤：
步骤A：将各执行近红外医学检测数据采集的检测通道进行初始化，设置为请求数据采集状态；
步骤B：输入控制同步开始数据采集的数字信号，将该信号通过开关输入接口传输到各检测通道的方波脉冲捕获装置并判断是否捕获到高电平信号，如果是则启动各检测通道进行测量；否则继续访问各检测通道的开关输入接口；
步骤C：输入控制同步终止数据采集的数字信号，将该信号通过开关输入接口传输到各检测通道的方波脉冲捕获装置，各检测通道每采集到一个数据后均寻访接收同步终止信号的端口，如果该端口为低电平，则继续数据采集，否则，终止各检测通道的数据采集。
步骤D：判断各检测通道采集的数据长度是否相等，如果不相等，将数据长度调整一致，使得每个采集序列的采样点在时刻点上保持一致。
本发明的一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法，在所述步骤B和步骤C中，控制同步开始数据采集的数字信号和控制同步终止数据采集的数字信号均采用单方波脉冲；所述单方波脉冲的高电平幅值大于3.7伏且小于或等于5伏。。
本发明的一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法，所述单方波脉冲的宽度大于各检测通道的最大采样间隔。
本发明的一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法，在所述步骤D中，调整数据长度的具体方法为将所有数据序列分别曲线拟合，然后按照用户选择的数据长度值对拟合曲线重新采集数据点。
本发明的一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法，在所述步骤D中，调整数据长度模块在外触发终止模块实施同步中断或终止数据采集后即执行。
本发明的一种近红外医学检测仪的多通道/多台机同步控制方法，所述方法可以用于对近红外医学检测仪器的多通道进行同步控制。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、可提高时间分辨率
本发明控制各检测通道/各台机的数据采集同步开始同步结束，一方面同步使得各通道/各台机以并行方式进行数据采集，成倍地提高数据时间分辨率；另一方面可使光源的驱动点亮熄灭与各通道的数据采集成为并行的线程，数据采集过程不受光源点亮和熄灭过程的串行中断。各通道/各台机在被外触发进行数据采集的时段，可以直接按照采集卡的参数一直不受干扰地采集，充分发挥出仪器的数据采集卡的数据采集速度，可以将时间分辨率提高数个数量级。
2、对同步的各通道或各台机不要求采样率相同
本发明对采集的数据序列会进行数据长度的检测比较，并进行数据长度调整，因此不要求被同步的各通道/各台机采样率相同。
3、高可用性
本发明在实施时，瞄准可用性指标，采取了一些策略，如：将对控制信号的识别转换为检查设定的不同端口是否接收到高电平信号，简化控制信号的识别，并提高了识别率；使用信号分路装置，既简化控制信号的传输，也保证各通道/各台机接收到的控制信号不会因为被同步的通道/台机增多而衰减，避免被误识别为低电平而无法实现外触发启动或暂停数据采集，提高了稳定性。
4、响应时间较短
在原理上，本发明的响应时间小于控制信号的传输时间与控制信号高电平时域宽度的和。由于电信号传输速度约为光速3×108米/秒，信号的传输路径通常不超过100米，因此其传输时间可忽略不计。考虑到控制信号高电平时域宽度略大于各通道/台机寻访开关量接口的时间间隔（即采集卡的采样间隔），本发明只会引起漏掉最多一个数据点的误差。
附图说明
图1是本发明提供的近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统的结构示意图；
图2是本发明提供的近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法的启动测量过程的流程图；
图3是本发明提供的近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法的终止测量过程的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明的近红外医学检测仪的多通道/多台机同步控制系统的主要结构至少包括控制信号产生模块1、信号分路模块2、开关输入接口3、外触发启动模块4、外触发终止模块5以及调整数据长度模块6。
在本发明的近红外医学检测仪的多通道/多台机同步控制系统中，控制信号产生模块1用于产生控制同步开始数据采集的数字信号和控制同步终止数据采集的数字信号。控制同步开始数据采集的数字信号和控制同步终止数据采集的数字信号均为单方波脉冲的数字信号，且单方波脉冲的数字信号的高电平脉冲宽度要求大于各仪器或各检测通道的最大采样间隔，但具有不同的高电平数字位输出端口，为方便描述，设定输出控制同步开始数据采集的数字信号的端口为P1，而输出控制同步终止数据采集的数字信号的端口为P2。
信号分路模块2与控制信号产生模块1相连接，用于将开始信号和结束信号分别复制多份并且分多路输出，与外接的近红外医学检测仪器的各检测通道/各台机7对应的开关输入接口3相连接。此外，信号分路模块2具有使分路输出的信号幅度相对于输入的信号无衰减的功能。
信号分路模块2可以根据需要与多个检测通道/台机7进行连接，每通道/台机7的输入端设置开关输入接口3。
与信号分路模块2输出端相连接的是至少一个检测通道/台机7的开关输入接口3。每开关输入接口3至少设置有两个开关输入端口，既第一开关输入端口O1和第二开关输入端口O2。端口O1用于接收控制信号产生模块P1端口的输出信号，端口O2用于接收控制信号产生模块1的P2端口的输出信号。
每个检测通道/台机7的开关输入接口3之后还分别设置有外触发启动模块4和外触发终止模块5。外触发启动模块4与外触发终止模块5分别添加入近红外医学检测的数据采集/显示软件中，分别用于寻访采集O1端口和O2端口的输出信号，进而实施对数据采集的启动和终止控制。
调整数据长度模块6与各检测通道/各台机7的输出端相连接，用于检验并判断各通道/各台机7采集的数据长度是否一致，如果不一致，该模块首先将所有数据序列分别曲线拟合，再按照用户选择的数据长度值对拟和曲线重新采集数据点，将各通道各台机采集的数据长度调整一致。
以上是本发明的近红外医学检测仪的多通道/多台机同步控制系统的基本结构。
本发明的近红外医学检测仪的多通道/多台机同步控制系统既可以运用与对一台近红外医学检测仪器内的多检测通道进行同步控制，也可以对多台近红外医学检测仪器的多各检测通道进行同步控制。
在实际应用中，可以利用本发明的近红外医学检测仪的多通道/多台机同步控制系统对多台近红外医学检测仪器进行控制，检测人在由一些视听觉刺激组成的范式下运动皮层脑区以及多块肌肉区域的血液动力学变化。该检测要求在所有位置测量的数据序列均与范式的演示在时域上重叠，且数据采样率均达到所使用台机中最高的采样率。
在软件控制方面，可以编写刺激范式的Presentation软件平台向刺激范式程序添加代码，使得出现第一个刺激之前和结束最后一个刺激之后控制信号产生模块分别向主机的并口发送开始和结束的控制数字信号。即，发出开始信号和结束信号不同的高电平数字位端口为控制信号产生模块的输出端口P1和P2。该刺激范式中标识刺激呈现或人响应所使用的数字信号均设置为不使用P1和P2端口发出高电平。控制信号持续时间设定为大于所有使用台机的最大采样间隔并小于刺激间隔，防止受到标识刺激呈现等其他用途的数字信号的干扰。演示刺激范式的主机并口的P1端口、P2端口、电源和地端口与信号分路装置的输入端连接，信号分路装置的输出端为多组四端口，分别于各通道/各台机的开关输入接口相连。最终使得各通道/台机的开关输入接口O1和O2分别与控制信号产生模块的P1和P2端口连通；电源和地端口分别与上述主机并口的电源和地端口连通。
向各通道/各台机的软件添加分别由O1端口和O2端口高电平出发启动和终止数据采集的软件模块。数据采集与光源点亮和熄灭的驱动设置为分CPU控制，使得数据采集过程不受其他任务干扰。
各通道/各台机的数据输出设置为导入调整数据长度模块，利用Matlab平台，并调用Matlab的resample函数将所有采集的数据序列长度调整为与使用最大采样率获取的数据序列一致。
这样，本发明的近红外医学检测仪的多通道同步控制系统就可以实现对人在由一些视听觉刺激组成的范式下运动皮层脑区以及多块肌肉区域的血液动力学变化的检测的控制。
本发明还提出了一种近红外医学检测仪的多通道同步控制方法。其方法主要包括：
首先，将近红外医学检测仪的多通道同步控制系统中的各检测通道/各台机进行初始化，设定为请求数据采集状态。
然后，从控制信号产生模块输入一个控制同步开始测量的数字信号，并将该信号通过开关输入接口传输到各通道/各台机的方波脉冲捕获装置；该捕获装置判断是否捕获到高电平信号，一旦该信号被捕获，则各通道启动测量，并不再寻访接收该信号的端口；否则继续访问各通道/各台机的开关输入接口。
接下来，从控制信号产生模块输入一个控制同步终止测量的数字信号，该信号同样通过开关输入接口被传输到各通道/各台机的方波脉冲捕获装置，该捕获装置判断是否捕获到低电平信号，如果该端口信号为低电平，继续采集数据，如果该端口信号为高电平，即设置各通道各台机结束测量。
在上述步骤中，控制同步开始数据采集的数字信号和控制同步终止数据采集的数字信号均采用单方波脉冲，同时单方波脉冲的高电平幅值大于3.7伏且小于或等于5伏。
最后，检验各通道采集的数据长度是否相等，如果不相等，将数据长度调整一致，使得每个采集序列的采样点在时刻点上保持一致。调整数据长度的具体方法为将所有数据序列分别曲线拟合，然后按照用户选择的数据长度值对拟合曲线重新采集数据点。
本发明近红外医学检测仪的多通道同步控制方法主要包括两个基本过程：启动测量过程和终止测量过程。
其启动测量过程主要包括下列步骤：
步骤101：对各检测通道/各台机进行初始化，使各检测通道/各台机进入请求数据采集的状态；
步骤102：访问开关输入接口；
步骤103：向控制信号产生模块输入同步开始测量数字信号；
步骤104：访问端口O1；
步骤105：判断是否接收到P1端口发出的高电平信号，如果是转入步骤105；否则转入步骤102；
步骤106：对端口O1赋值为0，防止产生干扰信号；
步骤107：启动测量，开始数据采集，该步骤中可以根据系统的硬件配置分别启动界面控制、数据采集以及显示等线程。
经过上述步骤后，各检测通道/各台机在近红外医学检测仪的多通道同步控制方法的控制下进行外部数据采集，直到收到控制测量终止的数字信号为止。
终止测量过程主要包括下列步骤：
步骤201：访问开关输入接口；
步骤202：向控制信号产生模块输入同步终止测量数字信号；
步骤203：访问端口O2；
步骤204：判断是否接收到P2端口发出的高电平信号，如果是转入步骤205；否则转入步骤206；
步骤205：终止数据采集，连同数据采集一并停止的还有显示线程；
步骤206：对端口O2赋值为0，防止干扰后续的数据采集。
结束上述步骤后，各通道开始进行新一轮的数据采集。
当一个阶段数据采集完成后，由数据长度调整模块调用Matlab平台，并调用Matlab的resample函数，检验各通道/台机采集的数据长度是否相等，如果不相等，则需要将数据长度调整相同，使得每个采集序列的采样点在时刻点上保持一致。
经过以上步骤即可完成本发明所述的近红外医学检测仪的多通道/多台机同步控制方法的全部控制过程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统，其特征在于，所述系统包括依次相连接的控制信号产生模块和信号分路模块，在所述信号分路模块输出端连接有至少一个开关输入接口，所述开关输入接口的输入端与所述信号分路模块相连接；所述开关输入接口还通过近红外医学检查仪器的外触发启动模块和外触发终止模块与所述近红外医学检查仪器相连接；各外接的近红外医学检测仪器的输出端分别与调整数据长度模块相连接。
2.根据权利要求1所述的近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统，其特征在于，所述控制信号产生模块设有两个输出端口，分别用于输出同步开始数据采集的数字信号和同步终止数据采集的数字信号；所述开关输入接口的输入端至少设置有第一开关输入端口和第二开关输入端口；所述控制信号产生模块的两个输出端口通过所述信号分路模块与所述开关输入接口的第一开关输入端口和第二开关输入端口分别相连接。
3.根据权利要求1所述的近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统，其特征在于，所述信号分路模块采用经过分路后的输出信号幅度相对于信号分路模块的输入信号无衰减的分路模块。
4.根据权利要求1所述的近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制系统，其特征在于，所述外触发启动模块和外触发终止模块分别添加入近红外医学检测仪的数据采集/显示软件中，用于分别寻访采集所述开关输入接口，接收同步开始数据采集的数字信号和同步终止数据采集的数字信号，实现对数据采集的实时控制。
5.一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
步骤A：将各执行近红外医学检测数据采集的检测通道进行初始化，设置为请求数据采集状态；
步骤B：输入控制同步开始数据采集的数字信号，通过信号分路模块使经过分路输出后的信号无衰减，将该信号通过开关输入接口传输到各检测通道的方波脉冲捕获装置并判断是否捕获到高电平信号，如果是则启动各检测通道进行测量；否则继续访问各检测通道的开关输入接口；
步骤C：输入控制同步终止数据采集的数字信号，通过信号分路模块使经过分路输出后的信号无衰减，将该信号通过开关输入接口传输到各检测通道的方波脉冲捕获装置，各检测通道每采集到一个数据后均寻访接收同步终止信号的端口，如果该端口为低电平，则继续数据采集，否则，终止各检测通道的数据采集；
步骤D：判断各检测通道采集的数据长度是否相等，如果不相等，将数据长度调整一致，使得每个采集序列的采样点在时刻点上保持一致。
6.根据权利要求5所述的一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法，其特征在于，在所述步骤B和步骤C中，控制同步开始数据采集的数字信号和控制同步终止数据采集的数字信号均采用单方波脉冲；所述单方波脉冲的高电平幅值大于3.7伏且小于或等于5伏。
7.根据权利要求6所述的一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法，其特征在于，所述单方波脉冲的宽度大于各检测通道的最大采样间隔。
8.根据权利要求7所述的一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法，其特征在于，在所述步骤D中，调整数据长度的具体方法为将所有数据序列分别曲线拟合，然后按照用户选择的数据长度值对拟合曲线重新采集数据点。
9.根据权利要求7所述的一种近红外医学检测仪多通道/多台机同步控制方法，其特征在于，在所述步骤D中，调整数据长度模块在外触发终止模块实施同步中断或终止数据采集后即执行。
10.根据权利要求7所述的一种近红外医学检测仪的多通道/多台机同步控制方法，其特征在于，所述方法可以用于对同一台近红外医学检测仪器的多通道进行同步控制，也可以用于对多台近红外医学检测仪器的多通道进行同步控制。
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