CN110624178A - 一种可控的深部脑刺激波形生成方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种可控的深部脑刺激波形生成方法，通过上位机获得第一波形信号并获得波形信号的信号参数，第一波形信号为模拟波形信号；上位机将信号参数发送给下位机，下位机根据信号参数生成第二波形信号，第二波形信号为用于深部脑刺激的波形信号；下位机将第二波形信号发送给示波器同步显示。只需在上位机上模拟出需要的波形，然后确定信号参数并发送给下位机，下位机接收到信号参数后，产生指定的刺激波形信号并发送给示波器显示。由于在上位机上可以根据需求模拟不同的信号波形，因此实现了后续输出波形的可控性。并且波形会同步显示在操作者可视化的上位机界面中和示波器中，以检验数据传输是否一致，提高了最终生成波形的准确性。
Description
技术领域
本申请涉及生物工程技术领域，具体涉及一种可控的深部脑刺激波形生成方法。
背景技术
深部脑刺激是通过信号发生设备生成相应的刺激信号，然后通过刺激信号对脑部的神经元进行刺激。传统技术中一般应用是开环形式的高频脉冲信号，生成的信号参数是固定的，信号强度也无法改变。
但是现有的应用开环形式的固定参数刺激信号存在易导致刺激靶点的损伤、系统能耗过大、不能根据神经元症状的改善情况进行参数的自适应调整。并且闭环刺激或其它刺激波形的刺激效果要比采用开环形式的固定参数刺激信号进行深部脑刺激更好。因此如何能实现刺激信号的自由调整时本领域亟待解决的问题。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种可控的深部脑刺激波形生成方法，其特征在于，采用上位机、下位机和示波器构建信号发生器，所述下位机的信号输入端与所述上位机的信号输出端通信连接，将所述下位机的信号输出端与所述示波器的信号输入端通信连接，所述方法包括：通过所述上位机获得第一波形信号并获得所述波形信号的信号参数，所述第一波形信号为模拟波形信号；所述上位机将所述信号参数发送给所述下位机，所述下位机根据所述信号参数生成第二波形信号，所述第二波形信号为用于深部脑刺激的波形信号；所述下位机将所述第二波形信号发送给示波器同步显示。
采用上述实现方式，只需在上位机上模拟出需要的波形，然后确定模拟波形的信号参数并发送给下位机，下位机接收到信号参数后，通过算法产生指定的刺激波形信号并发送给示波器显示。由于在上位机上可以根据需求模拟不同的信号波形，因此实现了后续输出波形的可控性。并且波形会同步显示在操作者可视化的上位机界面中和示波器中，以检验数据传输是否一致，提高了最终生成波形的准确性。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述通过所述上位机获得第一波形信号包括：利用Python及相应的工具包模块搭建起可控刺激波形的上位机软件操作界面，所述界面中包括子界面即波形显示界面4种，分别对应正弦波、方波、三角波、锯齿波；波形显示由上位机软件界面中的4个控制按钮触发，点击其中任一按钮，根据输入的频率参数、幅值参数生成所需的模拟波形。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述根据输入的频率参数、幅值参数生成所需的模拟波形包括：通过数值计算扩展(numpy)工具包生成数组，利用一次函数关系和平移运动生成三角波、锯齿波，利用数学关系生成方波，通过数值计算扩展(numpy)工具包自带函数公式生成正弦波。
结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，还包括：当所需要的波形生成好后，以形成图像的方式，将图像存在上位机中的预设路径下，触发上位机读取出存储的图像数据，将图像显示到上位机界面中，并随着输入不同的数，保持随时更新的状态；所述上位机将输入的数据，发送给所述下位机，其中：串口通信发送时，设置两位校验位和一位停止位，以保证数据发送的准确性，所述上位机和下位机保持不断通信的状态。
结合第一方面，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述下位机根据所述信号参数生成第二波形信号包括：下位机按照预设的波形数据获取方法获得波形数据；生成波形数据后，通过调用下位机内部的直接存储器访问模块；直接存储器访问模块将波形数据中的数据点从存储器中搬出并传递给数模转换器模块；数模转换器模块接收数据后对数据点进行处理，转换成模拟量；处理完成后的模拟量通过下位机指定的通用输入/输出口输出。
结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述数模转换器模块接收数据后对数据点进行处理，转换成模拟量包括：利用一次函数先得到半个周期的三角波数据点，再对其斜率取相反数和进行右平移运动，获得完整的一个周期的三角波；利用一次函数特征，得到锯齿波左半个周期，下位机的定时器计数溢出后置0，再循环左半个周期的数据点，重复上述步骤，得到连续图像的数据点，将数据点存入数组当中，利用数模转换器将所述数据点转换为锯齿波；利用下位机定时器计数过程中，将图像数据点直接置为逻辑高电平，计数溢出后，再置为逻辑低，重复上述步骤，获得连续图像的数据点，将数据点存入数组当中，利用数模转换器将所述数据点转换为方波；通过循环的方法，将连续图像的所有数据点算出，并将其存入数组当中，通过直接存储器访问将数据取出传递给数模转换器转换为正弦波。
结合第一方面第五种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，还包括：所述下位机通过数模转换器以及直接存储器访问的数据传输，将离散的数字点转换为连续变量的模拟信号。
结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述下位机将所述第二波形信号发送给示波器同步显示，包括：将示波器的夹针与下位机连接，所述示波器显示生成第二波形信号对应的波形，以检验数据传输是否一致。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种可控的深部脑刺激波形生成方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的上位机软件界面组成结构示意图；
图3为本申请实施例提供的上位机软件界面示意图；
图4为本申请实施例提供的STM32单片机处理过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
本申请实施例为了生成可控的深部脑刺激波形，采用上位机、下位机和示波器构建信号发生器，所述下位机的信号输入端与所述上位机的信号输出端通信连接，将所述下位机的信号输出端与所述示波器的信号输入端通信连接，本实施例中的下位机包括STM 32单片机。
图1为本申请实施例提供的一种可控的深部脑刺激波形生成方法的流程示意图，参见图1，所述方法包括：
S101，通过所述上位机获得第一波形信号并获得所述波形信号的信号参数，所述第一波形信号为模拟波形信号。
利用Python及相应的工具包模块搭建起可控刺激波形的上位机软件操作界面，所述界面中包括子界面即波形显示界面4种，分别对应正弦波、方波、三角波、锯齿波。波形显示由上位机软件界面中的4个控制按钮触发，点击其中任一按钮，根据输入的频率参数、幅值参数生成所需的模拟波形。
具体地，如图2所示，在波形发生流程图中，上位机采用Python语言编程的方式来设计软件界面，界面采用Python中的图形用户接口(GUI)设计。首先在pycharm上导入Python语言中的图形用户接口(GUI)，以及所需的tkinter模块("Tk接口")，Python图像处理库(PIL)，数值计算扩展(numpy)工具包，Python的2D绘图库(matplotlib)。
如图3所示的上位机软件界面中，整体布局分为参数调整模块、控制模块、显示模块等三个部分，可以实现对所需刺激波形类型、频率设定值、幅值设定值等参数的设置，通过调用tkinter("Tk接口")方法导入两类按钮，分别是“开始实验控制模块”“刷新”，导入4类标签，分别为“波形种类”“频率”“幅值”“信息提示”，导入输入文本框，以便对频率和幅值进行参数调整，放在相应标签对应位置的右侧位置，并对齐，以便操作者输入相关内容。
并且上位机界面会提示操作者填写的数据是否正确，如若操作者填写错误，会提示操作者重新输入，即信息提示功能，而且上位机可以根据操作者输入的参数生成相对应的波形，实时的显示在上位机软件界面中，上位机软件通过USB接口转TTL接口与STM32单片机实现串口数据通信，通信协议为RS-232(ANSI/EIA-232标准)，将操作者输入的数据传输到STM单片机中，以便STM32单片机输出操作者所需的波形刺激信号。
操作者将周期、幅值的具体内容输入指定位置，并点击“开始实验控制模块”即可生成所需的波形，波形生成器将读取的两个数值，通过数值计算扩展(numpy)工具包生成数组，利用一次函数关系和平移运动生成三角波、锯齿波，利用数学关系生成方波，通过数值计算扩展(numpy)工具包自带函数公式生成正弦波。
根据一次函数的数学思想，先限定区间[0,T/2]，利用一次函数关系得到半个周期即[0,T/2]的三角波，再对其斜率取相反数和进行一个周期为T的右平移运动，即可生成完整的一个周期的三角波。
三角波在区间[0,T]的函数表达式为：
式中Um为三角波的幅值，为生成三角波的一次函数的斜率。
将该式生成三角波形的过程，封装成一个可传参的函数，通过传入幅值Um以及周期T，利用循环迭代的方法，调用Python的2D绘图库(matplotlib)工具包，将有上述函数表达式生成的各个数据点连接起来，即可生成连续周期的三角波。
同理，根据生成三角波的方法，只需改变半个周期即(T/2,T)内的函数值，先生成一个锯齿波周期内得波形，将该过程封装成函数，利用循环迭代的方法将数据点生成，最后利用Python的绘图工具包将连续周期内的锯齿波形生成。
锯齿波的函数表达式为：
式中Um为三角波的幅值，为生成三角波的一次函数的斜率
生成方波的思想和生成三角波、锯齿波的思想整体相同，先将一个周期内的方波数据点生成，然后利用循环迭代的方法，调用Python的2D绘图库(matplotlib)工具包将连续周期的方波画出。
方波的函数表达式为：
与上述方法不同，数值计算扩展(numpy)工具包自带sin方法，可直接调用，将生成正弦波的数据点存放到数组中，再利用Python的2D绘图库(matplotlib)工具包将正弦波图像画出。
当所需要的波形生成好后，以形成图像的方式，将图像存在上位机中的一定的路径下，当操作者触发的时候，上位机便读取出刚才存储的图像数据，然后将图像显示到上位机界面中，并随着操作者输入不同的数，保持随时更新的状态。与此同时，上位机将操作者输入的数据，以事先定义好的格式，发送给接收信号的STM32单片机，串口通信发送时，设置两位校验位和一位停止位，以保证数据发送的准确性，上位机和STM32单片机保持不断通信的状态。
S102，所述上位机将所述信号参数发送给所述下位机，所述下位机根据所述信号参数生成第二波形信号，所述第二波形信号为用于深部脑刺激的波形信号。
下位机按照预设的波形数据获取方法获得波形数据，生成波形数据后，通过调用下位机内部的直接存储器访问模块，直接存储器访问模块将波形数据中的数据点从存储器中搬出并传递给数模转换器模块，数模转换器模块接收数据后对数据点进行处理，转换成模拟量，处理完成后的模拟量通过下位机指定的通用输入/输出口输出。
如图4所示，STM32单片机主要通过数模转换器(DAC)+直接存储器访问(DMA)+定时器(TIM)的方式生成所需的波形刺激信号。数模转换器(DAC)负责将数字量转换为模拟量，直接存储器访问(DMA)负责数据的传输，定时器(TIM)负责对波形的频率的调整，最后生成的可控波形刺激信号通过通用输入/输出口(GPIO)在示波器上显示。
其中STM32单片机与上位机软件界面中生成可控波形的算法思想不完全相同，具体波形实现如下：
利用一次函数的特点，先得到半个周期的三角波数据点，再对其斜率取相反数和进行右平移运动，即可生成完整的一个周期的三角波。再次使用循环迭代的方式，将描绘连续图像的数据点算出，并将之存入数组当中，利用数模转换器(DAC)将之转换为模拟量，将波形输出。
三角波的函数表达式为：
同理，利用一次函数特征，得到锯齿波左半个周期，STM32单片机的定时器计数溢出后置0，再循环左半个周期的数据点，重复上述步骤，得到连续图像的数据点，将数据点存入数组当中，利用数模转换器(DAC)将之转换为模拟量，将波形输出。
锯齿波的函数表达式为：
利用STM32单片机定时器的特点，计数过程中，将图像数据点直接置为逻辑高电平，计数溢出后，再置为逻辑低，重复上述步骤，获得连续图像的数据点，将数据点存入数组当中，利用数模转换器(DAC)将之转换为模拟量，将波形输出
方波的函数表达式为：
通过循环的方法，将连续图像的所有数据点算出，并将其存入数组当中，通过直接存储器访问(DMA)将数据取出传递给数模转换器(DAC)，然后数模转换器(DAC)将之转换为模拟量，将波形输出
正弦波的函数表达式为：
上述四种波形各式中的Um代表图像的幅值，i代表每一个数据点的横坐标值，cycle代表一段数据点的长度，是可调的常值，f代表图像的频率。
STM32单片机根据上位机发送的指令，生成操作者所需要的波形，此时离散的数据点无法形成连续的波形刺激信号，通过数模转换器(DAC)以及直接存储器访问(DMA)的数据传输，将离散的数字点转换为连续变量的模拟信号，并利用直接存储器访问(DMA)是将数据直接从一个地址空间复制到另外一个地址空间的特点，不会产生处理器工作延时，使中央处理器(CPU)的效率大幅提升。
S103，所述下位机将所述第二波形信号发送给示波器同步显示。
将示波器的夹针与下位机连接，所述示波器显示生成第二波形信号对应的波形，以检验数据传输是否一致。
由上述实施例可知，本实施例提供了一种可控的深部脑刺激波形生成方法，只需在上位机上模拟出需要的波形，然后确定模拟波形的信号参数并发送给下位机，下位机接收到信号参数后，通过算法产生指定的刺激波形信号并发送给示波器显示。由于在上位机上可以根据需求模拟不同的信号波形，因此实现了后续输出波形的可控性。并且波形会同步显示在操作者可视化的上位机界面中和示波器中，以检验数据传输是否一致，提高了最终生成波形的准确性。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。
Claims (8)
1.一种可控的深部脑刺激波形生成方法，其特征在于，采用上位机、下位机和示波器构建信号发生器，所述下位机的信号输入端与所述上位机的信号输出端通信连接，将所述下位机的信号输出端与所述示波器的信号输入端通信连接，所述方法包括：
通过所述上位机获得第一波形信号并获得所述波形信号的信号参数，所述第一波形信号为模拟波形信号；
所述上位机将所述信号参数发送给所述下位机，所述下位机根据所述信号参数生成第二波形信号，所述第二波形信号为用于深部脑刺激的波形信号；
所述下位机将所述第二波形信号发送给示波器同步显示。
2.根据权利要求1所述的可控的深部脑刺激波形生成方法，其特征在于，所述通过所述上位机获得第一波形信号包括：
利用Python及相应的工具包模块搭建起可控刺激波形的上位机软件操作界面，所述界面中包括子界面即波形显示界面4种，分别对应正弦波、方波、三角波、锯齿波；
波形显示由上位机软件界面中的4个控制按钮触发，点击其中任一按钮，根据输入的频率参数、幅值参数生成所需的模拟波形。
3.根据权利要求2所述的可控的深部脑刺激波形生成方法，其特征在于，所述根据输入的频率参数、幅值参数生成所需的模拟波形包括：
通过数值计算扩展(numpy)工具包生成数组，利用一次函数关系和平移运动生成三角波、锯齿波，利用数学关系生成方波，通过数值计算扩展(numpy)工具包自带函数公式生成正弦波。
4.根据权利要求3所述的可控的深部脑刺激波形生成方法，其特征在于，还包括：当所需要的波形生成好后，以形成图像的方式，将图像存在上位机中的预设路径下，触发上位机读取出存储的图像数据，将图像显示到上位机界面中，并随着输入不同的数，保持随时更新的状态；
所述上位机将输入的数据，发送给所述下位机，其中：串口通信发送时，设置两位校验位和一位停止位，以保证数据发送的准确性，所述上位机和下位机保持不断通信的状态。
5.根据权利要求1所述的可控的深部脑刺激波形生成方法，其特征在于，所述下位机根据所述信号参数生成第二波形信号包括：
下位机按照预设的波形数据获取方法获得波形数据；
生成波形数据后，通过调用下位机内部的直接存储器访问模块；
直接存储器访问模块将波形数据中的数据点从存储器中搬出并传递给数模转换器模块；
数模转换器模块接收数据后对数据点进行处理，转换成模拟量；
处理完成后的模拟量通过下位机指定的通用输入/输出口输出。
6.根据权利要求5所述的可控的深部脑刺激波形生成方法，其特征在于，所述数模转换器模块接收数据后对数据点进行处理，转换成模拟量包括：
利用一次函数先得到半个周期的三角波数据点，再对其斜率取相反数和进行右平移运动，获得完整的一个周期的三角波；
利用一次函数特征，得到锯齿波左半个周期，下位机的定时器计数溢出后置0，再循环左半个周期的数据点，重复上述步骤，得到连续图像的数据点，将数据点存入数组当中，利用数模转换器将所述数据点转换为锯齿波；
利用下位机定时器计数过程中，将图像数据点直接置为逻辑高电平，计数溢出后，再置为逻辑低，重复上述步骤，获得连续图像的数据点，将数据点存入数组当中，利用数模转换器将所述数据点转换为方波；
通过循环的方法，将连续图像的所有数据点算出，并将其存入数组当中，通过直接存储器访问将数据取出传递给数模转换器转换为正弦波。
7.根据权利要求6所述的可控的深部脑刺激波形生成方法，其特征在于，还包括：所述下位机通过数模转换器以及直接存储器访问的数据传输，将离散的数字点转换为连续变量的模拟信号。
8.根据权利要求1所述的可控的深部脑刺激波形生成方法，其特征在于，所述下位机将所述第二波形信号发送给示波器同步显示，包括：
将示波器的夹针与下位机连接，所述示波器显示生成第二波形信号对应的波形，以检验数据传输是否一致。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191231 |