CN103494608B - 脑电检测信号同步电路、方法和脑电检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脑电检测信号同步电路、方法和脑电检测系统。脑电检测信号同步电路包括：光电检测单元，用于检测脑电刺激画面；模数转换单元，输入端与光电检测单元的输出端连接； 差分信号生成单元，模数转换单元的输出端与差分信号生成单元的输入端连接；同步信号输出端，与差分信号生成单元的输出端连接。本发明采用硬件电路的办法，尽可能实时地建立同步，准确地将视觉刺激时刻定位到所采集的诱发脑电数据中，以确定某一时刻的视觉刺激所对应的受试者诱发出来的脑电波形，便于后续脑功能分析。

Description

脑电检测信号同步电路、方法和脑电检测系统

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，特别是涉及一种脑电检测信号同步电路、方法和脑电检测系统。

背景技术

脑电检测系统分为两部分：脑电信号的外部视觉刺激部分和采集部分。脑电信号的外部视觉刺激部分由刺激显示器和刺激主机组成，刺激显示器上显示视觉刺激画面，画面控制软件在刺激主机上运行；脑电信号的采集部分由放大盒、脑电主控盒组成。其中，放大盒与主控盒之间采用光纤通讯，主控盒采用USB方式将数据传输给运行脑电信号处理程序的主机，该主机称之为采集主机。

为了达到刺激时间与采集时间完全对应的目的，则必须使刺激主机与采集主机之间实现信号同步，这样才能实时监测到受试者视觉刺激后脑电的对应表现。现有技术中采用软件通信的方式实现同步，然而，通过软件通信的方法延迟时间较长且随机，根本无法实现实时同步。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、易于实现、同步精度高的脑电检测信号同步电路、方法和脑电检测系统。

为解决上述技术问题，作为本发明的第一个方面，提供了一种脑电检测信号同步电路，包括：光电检测单元，用于检测脑电刺激画面；模数转换单元，输入端与光电检测单元的输出端连接；  差分信号生成单元，模数转换单元的输出端与差分信号生成单元的输入端连接；同步信号输出端，与差分信号生成单元的输出端连接。

进一步地，脑电检测信号同步电路还包括指示单元，用于指示模数转换单元的输出。

进一步地，指示单元包括：LED指示灯，阳极与电源正极连接；与非门，其输出端与LED指示灯的阴极连接，其两个输入端均与模数转换单元的输出端连接。

进一步地，脑电检测信号同步电路还包括：放大单元，光电检测单元的输出端通过放大单元与模数转换单元的输入端连接。

进一步地，光电检测单元是光敏三极管。

进一步地，模数转换单元为迟滞比较单元。

作为本发明的第二个方面，提供了一种脑电检测信号同步方法，包括：根据脑电刺激画面的光线变化实时生成模拟同步信号；将模拟同步信号变换为数字同步信号；将数字同步信号变换为差分信号；将差分信号输出为同步信号。

作为本发明的第三个方面，提供了一种脑电检测系统，包括：刺激主机，用于生成脑电刺激画面；信号同步电路，用于根据脑电刺激画面的光线变化实时生成同步信号，信号同步电路是上述的脑电检测信号同步电路；采集主机，与信号同步电路电连接，用于根据同步信号将采集主机采集到的脑电信号与脑电刺激画面同步。

进一步地，刺激主机包括：刺激显示装置，包括多个标记区；控制装置，与控制显示装置电连接，用于控制多个标记区产生用于标识不同刺激画面的编码信号。

进一步地，采集主机从同步信号中解析出每个刺激画面的刺激时刻，并根据刺激时刻对脑电信号做同步标记，以使脑电信号与脑电刺激画面同步。

本发明采用硬件电路的办法，提出了一种延迟时间短、实时性强的信号同步电路，尽可能实时地建立同步，准确地将视觉刺激时刻定位到所采集的诱发脑电数据中，以确定某一时刻的视觉刺激所对应的受试者诱发出来的脑电波形，便于后续脑功能分析。

附图说明

图1示意性示出了本发明中的脑电检测信号同步电路的功能框图；

图2示意性示出了脑电检测信号同步电路的电路原理图；

图3示意性示出了刺激显示装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

作为本发明的第一方面，请参考图1，提供了一种脑电检测信号同步电路，包括：光电检测单元，用于检测脑电刺激画面；模数转换单元，输入端与光电检测单元的输出端连接；差分信号生成单元U3，模数转换单元的输出端与差分信号生成单元的输入端连接；同步信号输出端，与差分信号生成单元的输出端连接。优选地，请参考图2，光电检测单元可以是光敏三极管Q1，用于将光信号转换成电信号，并由发射极输出，显然，也可以是其它的光敏元件。

脑电检测时，由刺激主机显示出刺激画面，光电检测单元检测到刺激画面所发出的光线，从而生成电信号。该电信号为模拟信号，为了实现信号的远距离传输，本发明首先通过模数转换单元将该模拟信号转换为数字信号，然后再通过差分信号生成单元将该数字信号转换为差分信号输出，以适应于在较远的距离下传输，并可提高信号的抗干扰能力。这样，就可在刺激画面的显示时刻，生成一个同步信号，供采集主机使用。于是，采集主机便可利用该同步信号，对采集到的脑电信号进行同步标记，使其与相应的刺激画面出现的时刻同步，以便后续的观察分析。

优选地，脑电检测信号同步电路还包括指示单元，用于指示模数转换单元的输出。利用该指示单元，可以指示出模数转换单元的输出情况。

优选地，在一个实施例中，请参考图2，指示单元包括：LED指示灯D1，阳极与电源正极连接；与非门U1A，其输出端与LED指示灯D1的阴极连接，其两个输入端均与模数转换单元的输出端连接。当模数转换单元输出高电平时，与非门的输出端为低电平，从而使LED指示灯D1点灯。

优选地，脑电检测信号同步电路还包括：放大单元，光电检测单元的输出端通过放大单元与模数转换单元的输入端连接。例如，该放大单元可以是由放大器组成的放大电路，也可以是其它的放大电路。请参考图2，在一个实施例中，放大单元包括放大器U2A、电阻器R2和R10，优选地，放大单元的放大倍数为3。其中，放大单元的放大倍数可以通过下式计算得到：

其中，K为放大倍数，R10和R2为电阻R10和R2的值，这样，便将0V～5/3V这一区间电压有效输出。

优选地，模数转换单元为迟滞比较单元。请参考图2，在一个实施例中，迟滞比较单元包括一个放大器U2B、电阻器R4、R7、R12、R17和R18，以提高抗干扰能力和达到数字电平信号转换的需要。其中，该迟滞比较单元有两个门限电压：

            

其中，UT₊和UT_-为门限电压，REF为参考电压，R17和R18为相应的电阻值。

该迟滞比较单元的回差电压为

    其中,ΔUT为回差电压，V为输入信号的电压，5V为运算放大器的电源电压，电路可以通过调整电阻R12的电阻来设置迟滞区间。

    优选地，差分信号生成单元可以采用RS485转换芯片，例如，可以采用MAX3085CSA芯片，从而实现TTL/RS485电平转换，采用一对平衡差分信号线，将平稳的电平信号送至接口输出。

作为本发明的第二方面，提供了一种脑电检测信号同步方法，包括：根据脑电刺激画面的光线变化实时生成模拟同步信号；将模拟同步信号变换为数字同步信号；将数字同步信号变换为差分信号；将差分信号输出为同步信号。

作为本发明的第三方面，提供了一种脑电检测系统，包括：刺激主机，用于生成脑电刺激画面；信号同步电路，用于根据脑电刺激画面的光线变化实时生成同步信号，信号同步电路是上述的脑电检测信号同步电路；采集主机，与信号同步电路电连接，用于根据同步信号将采集主机采集到的脑电信号与脑电刺激画面同步。

优选地，请参考图3，刺激主机包括：刺激显示装置，包括多个标记区1；控制装置，与控制显示装置电连接，用于控制多个标记区1产生用于标识不同刺激画面的编码信号。例如，这些标记区1是可以点亮的方块。当不同的刺激画面显示时，点亮不同位置和不同数量的标记区1，可以标识这些刺激画面（例如图3中的刺激画面为“3”）。在图3所示的实施例为例，当刺激画面切换时，标记区1的颜色会在黑白之间切换，可完成16种诱发脑电刺激画面的识别。特别地，光电检测单元安装在这些标记区的上方。

优选地，采集主机从同步信号中解析出每个刺激画面的刺激时刻，并根据刺激时刻对脑电信号做同步标记，以使脑电信号与脑电刺激画面同步。

下面介绍本发明中的脑电检测系统的工作过程。

刺激主机会控制刺激显示装置显示诱发脑电实验的刺激画面，例如，刺激画面上方有多个标记区。光敏三极管将标记区产生的光信号转换为电信号，例如，当标记区的颜色由黑变白时，光敏三极管接收到光信号导通，此时输出一个高电平信号；反之，光敏三极管未接收到光信号截止，此时输出一个低电平信号。由于光敏三极管的输出信号较弱，其发射极输出端连接由放大器U2A构成的正向放大电路，将信号放大3倍。

为了提高抗干扰能力和数字电平信号转换的需要，将放大后的光敏信号送至放大器U2B构成的迟滞比较单元中，然后，将电平翻转信号转换成差分信号，完成TTL/RS-485的电平转换，同步信号经RS485串行接口与采集主机连接，完成数据传输。

采集主机在诱发脑电数据采集的同时，对视觉刺激序列做同步标记。例如，具体过程可以是通过解析RS485协议，找出视觉刺激中每幅刺激画面出现的时间，再与采集信号的时间段对比，把刺激时刻写入到后台信号采集数据库，以便于后续离线脑电信号分析。

本发明采用硬件电路的办法，提出了一种延迟时间短、实时性强的信号同步电路，尽可能实时地建立同步，准确地将视觉刺激时刻定位到所采集的诱发脑电数据中，以确定某一时刻的视觉刺激所对应的受试者诱发出来的脑电波形，便于后续脑功能分析。

采用本发明可实现两台主机信息同步的效率高，为us级，利于对脑电信号的准确定位和同步分析。另外，本发明十分简单，能够被设计者很容易的掌握并应用在集成电路设计中。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种脑电检测信号同步电路，其特征在于，包括：

       光电检测单元，用于检测脑电刺激画面；

       模数转换单元，输入端与所述光电检测单元的输出端连接；

    差分信号生成单元，所述模数转换单元的输出端与所述差分信号生成单元的输入端连接；

       同步信号输出端，与所述差分信号生成单元的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的脑电检测信号同步电路，其特征在于，所述脑电检测信号同步电路还包括指示单元，用于指示所述模数转换单元的输出。

3.根据权利要求2所述的脑电检测信号同步电路，其特征在于，所述指示单元包括：

           LED指示灯，阳极与电源正极连接；

           与非门，其输出端与所述LED指示灯的阴极连接，其两个输入端均与所述模数转换单元的输出端连接。

4.根据权利要求1所述的脑电检测信号同步电路，其特征在于，所述脑电检测信号同步电路还包括：

放大单元，所述光电检测单元的输出端通过所述放大单元与所述模数转换单元的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的脑电检测信号同步电路，其特征在于，所述光电检测单元是光敏三极管。

6.根据权利要求1所述的脑电检测信号同步电路，其特征在于，所述模数转换单元为迟滞比较单元。

7.一种脑电检测信号同步方法，其特征在于，包括：

       根据脑电刺激画面的光线变化实时生成模拟同步信号；

       将所述模拟同步信号变换为数字同步信号；

    将所述数字同步信号变换为差分信号；

将所述差分信号输出为同步信号。

8.一种脑电检测系统，其特征在于，包括：

刺激主机，用于生成脑电刺激画面；

信号同步电路，用于根据所述脑电刺激画面的光线变化实时生成同步信号，所述信号同步电路是权利要求1至6中任一项所述的脑电检测信号同步电路；

采集主机，与所述信号同步电路电连接，用于根据所述同步信号将所述采集主机采集到的脑电信号与所述脑电刺激画面同步。

9.根据权利要求8所述的脑电检测系统，其特征在于，所述刺激主机包括：

       刺激显示装置，包括多个标记区；

    控制装置，与所述控制显示装置电连接，用于控制所述多个标记区产生用于标识不同刺激画面的编码信号。

10.根据权利要求8所述的脑电检测系统，其特征在于，所述采集主机从所述同步信号中解析出每个所述刺激画面的刺激时刻，并根据所述刺激时刻对所述脑电信号做同步标记，以使所述脑电信号与所述脑电刺激画面同步。