CN106361322A - 一种脑电装置的累计偏差自动检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种脑电装置的累计偏差自动检测方法和装置，所述脑电装置包括中央处理系统和至少一个采集子系统，所述中央处理系统检测各个子钟在与中央处理系统前次时间同步后的运行时间是否达到时间预定值；若达到则检测各子钟在运行的过程中产生的累计时间偏差，判断累计时间偏差是否超过偏差预定值，若超过则通过与所述中央处理系统的母钟进行多次对时的方法完成各个采集子系统的子钟之间的同步计时。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线数据传输方法，特别是能够自动检测脑电装置的累计偏差的无线数据传输方法，以及实现该方法的装置。
背景技术
事件相关诱发电位（ERP）是由特定刺激所引起的脑电（EEG），它能够反映刺激下大脑认知过程中的神经电生理变化，因此被广泛应用于神经科学、心理学等领域。基于ERP的脑电系统除了必不可少的声光电刺激器和脑电采集系统，有时需要结合一些其他信息如附图1中的各种环境变量和其他生理信号以探索新的实验范式和开发有实用价值的基于ERP的脑电装置，如基于视觉诱发电位的字母输入器，基于脑机接口的环境控制器等。事件相关诱发电位的潜伏期与刺激之间有较严格的锁时关系，即事件相关诱发电位在给予刺激后一段特定的时间内瞬时出现。这一固定的时间延迟是事件相关诱发电位的重要特征，因此在记录事件相关诱发电位时，必须在采集脑电的同时准确记录下刺激发生的时刻，时间误差要求在±1ms以内。现有能够满足该精度要求的技术方案均为有线传输方案，根据同步触发信号的不同分为模拟与数字两种。
1.模拟方案。
该方案将刺激系统产生的同步触发信号（一般为脉冲或具有一定特征的电压变化）作为多导联脑电采集系统的一路模拟输入信号，连同其他导联的脑电信号一起采集，通过分析各个同步信号导联的数据，识别触发信号来标记刺激的起始时间点。
2.数字方案。
该方案要求刺激器能够产生若干位（由所采用接口PIN数而定）TTL电平信号，通过特定接口传输至脑电采集系统，作为同步数字信号输入。同步信号触发脑电采集系统在当前所采集到的脑电数据中加上与同步数字信号对应的标签，标记刺激起始时间。
现有的模拟和数字同步方案存在如下缺点：当同步后经过一段时间之后，各个采集系统的时钟的固有误差经过不断累积，会在某一时刻导致误差超出要求的范围。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能够自动检测累计偏差的方法和脑电装置。
本发明通过如下的技术方案实现。
一种脑电装置的无线事件自动同步方法，所述脑电装置包括中央处理系统和至少一个采集子系统，所述方法包括以下步骤：
（1）检测各个子钟在与中央处理系统前次时间同步后的运行时间是否达到时间预定值；若达到则转到步骤（2），否则转到步骤（1）；
（2）检测各子钟在运行的过程中产生的累计时间偏差，判断累计时间偏差是否超过偏差预定值，若超过则转到步骤（3），否则转到步骤（1）；
（3）同步子钟对准；通过与所述中央处理系统的母钟进行一次或多次对时的方法完成各个采集子系统的子钟之间的同步计时；
（4）转到步骤（1）；
其中，所述采集子系统按各自既定的频率发放刺激、采集数据和传输数据；同步后的子钟将时间戳加到每一个数据包中随数据信息一起发送，且每个数据包只加一个时间戳，各个子系统数据中包含的时间戳在误差范围内是同步的；
所述中央处理系统根据实际需求结合接收到各种数据信息进行数据对齐和处理。
优选地，所述步骤（1）进一步包括，根据所述中央处理系统的母钟计算所述运行时间是否达到所述时间预定值。
优选地，所述步骤（2）进一步包括，所述中央处理系统在达到所述时间预定值后向各所述采集子系统的子钟输出电平信号，子钟收到电平信号以后，将此时子钟的时间戳发给中央处理系统，所述中央处理系统根据所述时间戳计算所述累计时间偏差。
优选地，所述数据包中的数据信息包括刺激事件。
优选地，所述数据包中的数据信息包括环境变量。
优选地，所述数据包中的数据信息包括相关生理参数。
优选地，所述中央处理系统进行数据对齐和处理时结合所述数据信息的位数、长度、采样率和/或发包率。
本发明还提供了一种用于实施根据以上技术方案中任一项所述的方法的脑电装置，包括：
中央处理系统，具有：母钟，能够在多次对时过程中提供对时信号；数据处理装置，能够对接收到各种数据信息进行数据对齐和处理；以及偏差检测模块，能够定期检测各子钟在运行的过程中产生的累计时间偏差，判断累计时间偏差是否超过偏差预定值；
至少一个采集子系统，其中的每一个采集子系统具有：子钟，通过与所述中央处理系统的母钟进行多次对时的方法完成各个采集子系统的子钟之间的同步计时；以及数据发送装置，其按各自既定的频率发放刺激、采集数据和传输数据；同步后的子钟将时间戳加到每一个数据包中随数据信息一起发送，且每个数据包只加一个时间戳，各个子系统数据中包含的时间戳在误差范围内是同步的。
优选地，所述母钟带有一个输出口与若干个输入口，每个所述子钟带有一个输入口与一个输出口；将所述母钟的输出口分别与各个所述子钟的输入口连接，将每个所述子钟输出口分别与所述母钟的输入口连接，并将所述母钟与各所述子钟共地连接。
优选地，所述母钟与子钟分别由嵌入式实时系统进行控制，所述嵌入式实时系统的晶振精度在10ppm以下，以保证在对时之后，脑电数据采集的过程中，不同子钟时间戳的计时偏差在1ms以内。
通过以上技术方案，本发明能够取得如下的技术效果。
1.能够实现外部设备与脑电采集系统的无线同步，精度在1ms以内。
2.能够实现多种刺激、环境变量、生理参数与脑电信号的同步。
附图说明
图1：无线同步系统用于脑电相关系统的架构图。
图2：无线同步系统中母钟与子钟的连接拓扑图。
图3：母钟与子钟建立同步流程图。
图4：对时过程的信号序列图。
图5：累计偏差自动检测方法流程图。
具体实施方式
附图1所示的是一根据本发明的应用了无线同步系统的脑电相关系统。在相关系统中，加入同步子钟，母钟和子钟在运行之前进行三次握手对准，开始运行之后每个系统将采集到的数据加上从各自子钟读取的时间戳无线传输到中央处理模块，中央处理模块根据时间戳进行数据对齐，实现刺激事件、环境变量、相关生理参数与脑电数据的同步，之后就可以进行数据处理，完成预期功能。
母钟与子钟分别由嵌入式实时系统进行控制，系统晶振精度在10ppm以下，以保证在对时之后，脑电数据采集的过程中，不同子钟时间戳的计时偏差在1ms以内。
1.同步子钟对准。
在初始阶段，通过与同步母钟进行三次握手的方法完成各个子钟之间的同步计时。在对准阶段，子钟与母钟[HX2] ：
母钟带有一个输出口与若干个输入口，子钟带有一个输入口与一个输出口。将母钟的输出口分别与各个子钟的输入口连接，将每个子钟输出口分别与母钟的输入口连接，并将母钟与各子钟共地连接。并且当发送对准信号时，同时向所有子钟发送同一对准信号。子钟位于所述刺激器、所述环境变量采集设备、所述生理信号采集设备、所述脑电采集设备的一个或几个之中。以1个母钟和2个子钟为例，这种连接的拓扑如附图2所示。以上子钟与母钟优选使用硬件方式连接。
母钟与子钟对准过程如附图3所示。母钟所在系统向所有子钟同时发出对时信号，每一个同步子钟所在系统若接受到此对时信号则发送返回信号。当母钟所在系统收到所有子钟的返回信号，算完成一次对时。按照同样的方式连续进行三次对时，母钟立即发出开始计时信号，子钟接受到该信号后同步同时使能各自系统内的计时器，同步子钟对准阶段结束。具体流程如下：共进行三次握手确认。每次握手确认时，由母钟翻转电平，各个子钟监测到这个电平翻转后，也将输出管脚的电平翻转以回应。母钟在检测到各个子钟均完成了电平翻转时，完成一次握手。在三次握手之后，由母钟再发出一次电平翻转信号，所有的子钟在监测到该信号后同时使能内部的同步计时器，以0.1ms递增，完成初始同步。母钟与子钟存在delay的情况下通过3次握手实现初始同步，对时过程的信号序列如图4所示。
2.子系统数据与同步信号数据整合传输。
完成子钟对准，子钟使能，以0.1ms递增，各子系统按各自既定的频率发放刺激、采集数据和传输数据。同步后的子钟将时间戳加到每一个数据包中随数据信息一起发送，且每个数据包只加一个时间戳，不同系统数据中包含的时间戳在误差范围内是同步的。根据实际需要的不同，各个系统向中央处理系统发送数据的形式均会有所差异，如数据位数、长度、采样率、发包率等。如对温度、湿度等环境变量变化较慢的，则采样率低，发包率高，每包数据量低；脑电数据变化快至少100Hz采样率，精度要求高，则发包率适中，每包数据量较大；刺激信号一旦出现必须发送，则发包率不固定，每包数据只有时间戳，等等情况。中央处理系统负责根据实际需求结合接收到各种数据的位数、长度、采样率、发包率等信息进行数据对齐和处理。数据对其和处理的具体方式方法与不同系统的预期要求不同而不同，非本专利主要内容，不做详述或举例。
图5所示的根据本发明的脑电装置的累计偏差自动检测方法流程图。
（1）检测各个子钟在与中央处理系统前次时间同步后的运行时间是否达到时间预定值；若达到则转到步骤（2），否则转到步骤（1）；
（2）检测各子钟在运行的过程中产生的累计时间偏差，判断累计时间偏差是否超过偏差预定值，若超过则转到步骤（3），否则转到步骤（1）；
（3）同步子钟对准；通过与所述中央处理系统的母钟进行一次或多次对时的方法完成各个采集子系统的子钟之间的同步计时；
（4）转到步骤（1）；
其中，所述采集子系统按各自既定的频率发放刺激、采集数据和传输数据；同步后的子钟将时间戳加到每一个数据包中随数据信息一起发送，且每个数据包只加一个时间戳，各个子系统数据中包含的时间戳在误差范围内是同步的；
所述中央处理系统根据实际需求结合接收到各种数据信息进行数据对齐和处理。
优选地，所述步骤（1）进一步包括，根据所述中央处理系统的母钟计算所述运行时间是否达到所述时间预定值。
优选地，所述步骤（2）进一步包括，所述中央处理系统在达到所述时间预定值后向各所述采集子系统的子钟输出电平信号，子钟收到电平信号以后，将此时子钟的时间戳发给中央处理系统，所述中央处理系统根据所述时间戳计算所述累计时间偏差。
Claims (10)
1.一种脑电装置的无线事件自动同步方法，所述脑电装置包括中央处理系统和至少一个采集子系统，所述方法包括以下步骤：
（1）检测各个子钟在与中央处理系统前次时间同步后的运行时间是否达到时间预定值；若达到则转到步骤（2），否则转到步骤（1）；
（2）检测各子钟在运行的过程中产生的累计时间偏差，判断累计时间偏差是否超过偏差预定值，若超过则转到步骤（3），否则转到步骤（1）；
（3）同步子钟对准；通过与所述中央处理系统的母钟进行一次或多次对时的方法完成各个采集子系统的子钟之间的同步计时；
（4）转到步骤（1）；
其中，所述采集子系统按各自既定的频率发放刺激、采集数据和传输数据；同步后的子钟将时间戳加到每一个数据包中随数据信息一起发送，且每个数据包只加一个时间戳，各个子系统数据中包含的时间戳在误差范围内是同步的；
所述中央处理系统根据实际需求结合接收到各种数据信息进行数据对齐和处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）进一步包括，根据所述中央处理系统的母钟计算所述运行时间是否达到所述时间预定值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）进一步包括，所述中央处理系统在达到所述时间预定值后向各所述采集子系统的子钟输出电平信号，子钟收到电平信号以后，将此时子钟的时间戳发给中央处理系统，所述中央处理系统根据所述时间戳计算所述累计时间偏差。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据包中的数据信息包括刺激事件。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据包中的数据信息包括环境变量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据包中的数据信息包括相关生理参数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中央处理系统进行数据对齐和处理时结合所述数据信息的位数、长度、采样率和/或发包率。
8.一种用于实施根据权利要求1-7中任一项所述的方法的脑电装置，包括：
中央处理系统，具有：母钟，能够在多次对时过程中提供对时信号；数据处理装置，能够对接收到各种数据信息进行数据对齐和处理；以及偏差检测模块，能够定期检测各子钟在运行的过程中产生的累计时间偏差，判断累计时间偏差是否超过偏差预定值；
至少一个采集子系统，其中的每一个采集子系统具有：子钟，通过与所述中央处理系统的母钟进行多次对时的方法完成各个采集子系统的子钟之间的同步计时；以及数据发送装置，其按各自既定的频率发放刺激、采集数据和传输数据；同步后的子钟将时间戳加到每一个数据包中随数据信息一起发送，且每个数据包只加一个时间戳，各个子系统数据中包含的时间戳在误差范围内是同步的。
9.根据权利要求8所述的脑电装置，其特征在于，所述母钟带有一个输出口与若干个输入口，每个所述子钟带有一个输入口与一个输出口；将所述母钟的输出口分别与各个所述子钟的输入口连接，将每个所述子钟输出口分别与所述母钟的输入口连接，并将所述母钟与各所述子钟共地连接。
10.根据权利要求9所述的脑电装置，其特征在于，所述母钟与子钟分别由嵌入式实时系统进行控制，所述嵌入式实时系统的晶振精度在10ppm以下，以保证在对时之后，脑电数据采集的过程中，不同子钟时间戳的计时偏差在1ms以内。
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