CN110179450A - 一种基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法 - Google Patents

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何剀彦
盛经纬
荀强
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Wei Wei Men
Peking University
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    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/242—Detecting biomagnetic fields, e.g. magnetic fields produced by bioelectric currents
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Abstract

本发明适用于医用辅助设备技术领域，提供了一种基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，包括如下步骤：步骤S001，信号采集和传输，量子脑磁图系统的信号采集和传输设备采用网络架构，将不同种类的信号通过模块化设计，分在不同模块进行采集；步骤S002，数据汇总，最终通过交换机将步骤S001汇总传输到上位机，上位机区分不同ip地址发送的数据从而区分信号种类；步骤S003，指令控制，探测器在工作时需要由指令进行控制同时监控其工作状态，探测器的控制单元，上位机与控制模块进行指令传输，完成对量子探测器的控制功能。借此，本发明通过设计隔离电路在满足通讯的同时，还可以确保系统的可靠性和稳定性。

Description

一种基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法
技术领域
本发明涉及医用辅助设备技术领域，尤其涉及基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法。
背景技术
脑磁图通过实时记录神经活动产生的磁场来对大脑进行成像，利用量子操控光与碱金属原子相互作用的原子磁强计组成的量子脑磁图是未来脑磁图的最佳选择器件。量子脑磁图需要多通道探测器同步高频采样，量子探测器阵列还需要进行严格的温度监控与反馈。同时，量子脑磁图还需要配合脑电图和眼电、心电等其他生理电极同步采集，以达到去除生理噪声的目的并互相补充综合反映实时神经活动。此外，在进行认知神经科学实验中，量子脑磁图的探测还需要进行与刺激相关的同步触发与采集。以上所述的所有通道数据需要进行严格的时钟同步、模数转化和高效信号传输，现有的量子探测器技术只局限在单一通道采集，无法完成以上的信息的高度整合与同步。
综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。
发明内容
针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其通过设计隔离电路在满足通讯的同时，还可以确保系统的可靠性和稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S001，信号采集和传输，量子脑磁图系统的信号采集和传输设备采用网络架构，将不同种类的信号通过模块化设计，分在不同模块进行采集；
步骤S002，数据汇总，最终通过交换机将步骤S001汇总传输到上位机，上位机区分不同ip地址发送的数据从而区分信号种类；
步骤S003，指令控制，量子探测器在工作时需要由指令进行控制同时监控其工作状态，原子磁强计的控制单元，上位机与控制模块进行指令的传输，上位机对控制模块发送开始/结束等指令，并请求代表量子探测器各工作状态的代码，实现对量子探测器的控制功能。
根据本发明的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，步骤S001中，采用板卡形式设计，包括采集卡、脑磁、生物电极采集、脑电采集卡、扩展通信卡和1块主控板组成。
根据本发明的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，所述采用板卡形式设计，由16块相同的8通道脑磁采集卡、1块12通道生物电极采集、1块64通道脑电采集卡、扩展通信卡、和1块主控板组成。
根据本发明的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，主控板负责控制量子探测器的工作状态、刺激信号输入输出以及同步并控制各个采集板卡。
根据本发明的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，步骤S003中，量子探测器中的探测器采集板卡，分为模拟电路和数字电路两部分。
根据本发明的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，在工作过程中，数据的采集围绕着信号的放大和滤波进行，选择高输入阻抗的缓冲电路，防止信号衰减，然后进入一级可编程放大器芯片。
根据本发明的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，根据输入信号的微弱特性，选择低噪声、低漂移的查分输出放大器，选择输出方式。
根据本发明的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其特征在于，SARADC采用逐次逼近寄存器型模拟数字转化器采样频率，包含32位数字输出和24位数字差模、8位共模输出两种输出方式。
根据本发明的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，步骤S001中，为了增加信号的信噪比，信号采集和传输利用CPLD实现通道自检，并实现采集信号的简单软件滤波功能。
附图说明
图1是本发明的量子脑磁图系统整体结构图；
图2是本发明的数据采集和传输系统整体结构图；
图3是本发明的数据采集与传输系统数据流示意图；
图4是本发明的数据采集模块示意图；
图5是本发明的主控模块示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1-图5，本发明专用于量子脑磁图系统的数据采集与传输设备，兼容了该系统多种信号的采集和分类功能，上传数据的信号采样率最高可达到30KHz。量子脑磁图系统具有信号通道数量多，信号数据量大，信号种类繁多的特点。因此量子脑磁图系统的信号采集和传输设备被设计采用网络架构，不同种类的信号通过模块化设计，分在不同模块进行采集，最终通过交换机汇总传输到上位机，上位机区分不同ip地址发送的数据从而区分信号种类。除了采集的数据进行上行的传输外，量子探测器在工作时需要由指令进行控制同时监控其工作状态，本发明中有专用于量子探测器的控制单元，上位机与控制模块进行指令的传输，上位机对控制模块发送开始/结束等指令，并请求代表量子探测器各工作状态的代码，实现对量子探测器的控制功能。基于此设计，上位机仅需要配备千兆网卡就可以完成控制和采集的功能。不同于其他传输模式需要上位机具有多个连接端口或者需要具有多个板卡插槽，需要上位机有特殊设计，且多端口并行接收数据不利于数据库的写入，基于网络传输可使对上位机要求降到最低，且数据串行传到上位机也利于数据库的写入。
为了使硬件部分更加灵活，本设计采用板卡形式设计，由16块相同的8通道脑磁采集卡、1块12通道生物电极采集、1块64通道脑电采集卡、扩展通信卡、和1块主控板组成。主控板负责控制量子探测器工作状态、刺激信号输入输出以及同步并控制各个采集板卡。
探测器采集板卡，分为模拟电路和数字电路两部分。模拟电路是整个系统的关键部分，直接决定着系统的重要指标参数，这部分围绕着信号的放大和滤波进行，首先选择高输入阻抗的缓冲电路，防止信号衰减；然后进入一级可编程放大器芯片，根据输入信号的微弱特性，选择低噪声、低漂移的查分输出放大器。SARADC采用逐次逼近寄存器型模拟数字转化器采样频率高达1Msps。并包含32位数字输出和24位数字差模、8位共模输出两种输出方式。采用差模输入电流可减小系统电源引起的噪声问题。CPLD可实现通道自检功能，并实现采集信号的简单软件滤波功能(中值滤波)，可增加信号的信噪比。对于数字电路，主要实现了高速网口通信、模数转换、采集数据协议转换、系统同步、采集控制和模数隔离功能。设计隔离电路在满足通讯的同时，确保系统的可靠性和可用性符合国家标准。
主控板卡由ARM和FPGA以及通信的网络接口、功能扩展的CPLD组成。负责产生量子探测器控制信号、量子探测器采集信号，负责同步各采集电路的时钟信号、输入输出刺激触发信号。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S001，信号采集和传输，量子脑磁图系统的信号采集和传输设备采用网络架构，将不同种类的信号通过模块化设计，分在不同模块进行采集；
步骤S002，数据汇总，最终通过交换机将步骤S001汇总传输到上位机，上位机区分不同ip地址发送的数据从而区分信号种类；
步骤S003，指令控制，量子探测器在工作时需要由指令进行控制同时监控其工作状态，上位机与控制模块进行指令的传输，上位机对控制模块发送开始/结束等指令，并请求代表量子探测器各工作状态的代码，实现对量子探测器的控制和监测功能。
2.根据权利要求1所述的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其特征在于，步骤S001中，采用板卡形式设计，包括采集卡、脑磁、生物电极采集、脑电采集卡、扩展通信卡和1块主控板。
3.根据权利要求2所述的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其特征在于，所述采用板卡形式设计，由16块相同的8通道脑磁采集卡、1块12通道生物电极采集、1块64通道脑电采集卡、扩展通信卡、和1块主控板组成。
4.根据权利要求1所述的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其特征在于，主控板负责控制量子探测器工作状态、刺激信号输入输出以及同步并控制各个采集板卡。
5.根据权利要求1所述的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其特征在于，步骤S003中，量子探测器中的探测器采集板卡，包括模拟电路和数字电路两部分。
6.根据权利要求4所述的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其特征在于，在工作过程中，围绕着信号的放大和滤波进行，选择高输入阻抗的缓冲电路，防止信号衰减，然后进入一级可编程放大器芯片。
7.根据权利要求5所述的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其特征在于，根据输入信号的微弱特性，选择低噪声、低漂移的查分输出放大器，选择输出方式。
8.根据权利要求1所述的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其特征在于，SARADC采用逐次逼近寄存器型模拟数字转化器采样频率，包含32位数字输出和24位数字差模、8位共模输出两种输出方式。
9.根据权利要求1所述的基于网络架构的量子脑磁图数据采集与传输方法，其特征在于，步骤S001中，为了增加信号的信噪比，信号采集和传输利用CPLD实现通道自检，并实现采集信号的简单软件滤波功能。
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