发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种用于经颅超声刺激的多参数可调信号源装置,该装置具备四种工作模式,能够产生丰富的超声信号,尤其能产生多参数可调、周期可控的多刺激构成的多模式超声信号,且能实时指示超声工作状态,体积小巧、操作方便,并进一步可与功率放大器实现大幅值范围的经颅超声刺激。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种用于经颅超声刺激的多参数可调信号源装置,该装置用于输出超声信号,包括:主控模块、逻辑控制模块、数模转换模块、低通滤波模块、幅值控制模块、状态指示模块和上位机模块;
所述主控模块作为主处理器用来接收上位机的参数设置命令并向下传递;所述逻辑控制模块作为从处理器用于接收主控模块命令,产生数字信号、增益控制信号和状态指示信号;所述数模转换模块用来将来自逻辑控制模块的数字信号转化为阶梯状的模拟信号;所述低通滤波模块对来自数模转换模块的阶梯状的模拟信号进行滤波,转化为平稳光滑的模拟信号;所述幅值控制模块接收来自逻辑控制模块的增益控制信号,以此控制滤波后的信号幅值,实现满足参数设置命令的超声信号输出;所述状态指示模块接收来自逻辑控制模块的状态指示信号,以此指示信号源装置上电状态和产生的超声信号的工作状态;所述上位机模块通过USB与主控模块通信,进行超声参数和工作模式的设置;
具备四种工作模式,分别为连续脉冲连续刺激模式、连续脉冲间断刺激模式、间断脉冲连续刺激模式和间断脉冲间断刺激模式,能够产生丰富的超声信号,尤其能够产生周期可控的多刺激构成的超声信号,满足各种刺激模式的神经调控需求;
所述连续脉冲是指,脉冲信号与脉冲信号之间无间歇期;所述间断脉冲是指,脉冲信号与脉冲信号之间有间歇期;所述连续刺激是指,刺激信号与刺激信号之间无间歇期;所述间断刺激是指,刺激信号与刺激信号之间有间歇期。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述超声信号的多项可调参数包括:基波极性、基波频率F、基波幅值Vpp、基波个数N、脉冲周期PRT、脉冲个数M、刺激周期SRT、刺激个数C。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述主控模块可以采用ARM芯片或FPGA芯片,逻辑控制模块采用FPGA芯片,当主控模块和逻辑控制模块均采用FPGA芯片时,可以采用一片FPGA芯片实现。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述逻辑控制模块包含DDS模块和参数调节模块;所述DDS控制模块接收主控模块的命令,产生满足频率要求的数字信号,包括相位累加模块和相幅转换模块,接收主控模块命令中的频率值后,输出满足频率要求的数字信号;所述参数调节模块根据主控模块命令对DDS模块产生的满足频率要求的数字信号进行调节,低幅值信号放大处理和高频信号输出补偿,同步产生电调衰减和二级放大的控制信号,并根据工作模式实现不同模式的数字信号输出,同步输出状态指示信号。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述相位累加模块是一个N位的相位累加器,接收主控模块命令中的频率值后,以此频率值作为频率控制字进行线性累加,产生N位相位码并输出;所述相幅转换模块是一个M位的正弦ROM查找表,将相位累加模块传递过来的N位相位码截短为M位,作为M位正弦ROM查找表的查表地址,输出满足频率要求的数字信号。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述逻辑控制模块具有触发同步输入功能,可以用于外部设备(如脑电设备)协同工作。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述低通滤波模块包括差分低通滤波电路。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述幅值控制模块包括一级放大模块、电调衰减模块和二级放大模块;
所述一级放大模块将所述低通滤波模块输出的平稳光滑的模拟信号进行固定放大倍数的放大;所述电调衰减模块采用电调衰减器,实现对所述一级放大模块输出的信号的衰减,衰减倍数受所述逻辑控制模块产生的电调衰减控制信号的控制;所述二级放大模块接收来自所述逻辑控制模块的二级放大控制信号,用于进一步放大电调衰减模块输出的信号,输出满足参数设置命令的超声信号。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述电调衰减模块是为了衰减所述参数调节模块中低幅值放大后的信号,以保证输出幅值满足参数设置指令要求,所述低幅值信号先放大后衰减是为了降低电路板噪声的影响,提高信号信噪比。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述状态指示模块具有刺激同步输出信号和脉冲同步输出信号,可以用于外部设备(如脑电设备)协同工作,包括运行指示灯、触发指示灯、刺激指示灯和脉冲指示灯;
所述运行指示灯用于指示信号源正常工作;所述触发指示灯用于指示触发时间C×SRT内,触发指示灯点亮,其它时间段触发指示灯熄灭;所述刺激指示灯用于指示在刺激时间M×PRT内,刺激指示灯点亮,其它时间段刺激指示灯熄灭;所述脉冲指示灯用于指示在脉冲时间N/F内,脉冲指示灯点亮,其它时间段脉冲指示灯熄灭。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述上位机模块具有联机指示灯、触发指示灯、刺激指示灯。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述上位机模块通过USB转UART或无线方式与所述主控模块通信。
本发明技术方案的进一步改进在于:还包括超声换能器输出模块,所述超声换能器输出模块实现了超声信号的输出以及50欧姆阻抗匹配。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述信号源装置可以与功率放大器适配构成经颅超声刺激系统。
由于采用了上述技术方案,本发明取得的技术进步是:
本发明集成简洁,在有限的空间里,实现了信号源装置的单通道输出,同时具备四种工作模式,分别为连续脉冲连续刺激模式,连续脉冲间断刺激模式,间断脉冲连续刺激模式和间断脉冲间断刺激模式,能够产生多模式超声信号,满足复杂神经调控需求。
本发明能够实现多项超声参数可调,包括基波极性、基波频率F、基波幅值Vpp、基波个数N、脉冲周期PRT、脉冲个数M、刺激周期SRT、刺激个数C。
本发明具备多种超声工作状态指示灯,用于实时指示触发信号、刺激信号、脉冲信号是否处于工作状态。
本发明具备上位机单元,可以在电脑上控制和显示装置的多项参数和多种模式,操作方便。
本发明可与功率放大器匹配,产生所需幅值的经颅超声信号。
本发明将超声信号源的各个模块集成到一个电路板上,体积小巧、操作方便。
具体实施方式
本发明开发了一种用于经颅超声刺激的多参数可调信号源装置,该装置集成简洁,在有限的空间里,实现了信号源装置的单通道输出。具备多种工作模式,分别为连续脉冲连续刺激模式、连续脉冲间断刺激模式、间断脉冲连续刺激模式和间断脉冲间断刺激模式,能够产生丰富的超声信号,尤其能够产生周期可控的多刺激构成的超声信号,满足复杂神经调控需求。另外,具备多种超声工作状态指示灯,用于实时指示触发信号、刺激信号、脉冲信号是否处于工作状态。该装置通过与外部设备(如功率放大器)配合可实现经颅超声刺激功能。与此同时,该装置的上位机模块8能够通过USB与主控模块1进行通信,进行超声参数和模式的设置,并且该装置功能丰富,可被灵活的应用在经颅超声刺激中。
在以下的叙述中,为了使读者更好的理解本申请而提出了许多技术细节。但是,本领域的普通技术人员可以理解,即使没有这些技术细节也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明提供了一种用于经颅超声刺激的多参数可调信号源装置,该装置用于输出超声信号,包括:主控模块1、逻辑控制模块2、数模转换模块3、低通滤波模块4、幅值控制模块5、状态指示模块7和上位机模块8。
主控模块1作为主处理器用来接收上位机的参数设置命令并向下传递;逻辑控制模块2作为从处理器用于接收主控模块1命令,产生数字信号、增益控制信号和状态指示信号;数模转换模块3用来将来自逻辑控制模块2的数字信号转化为阶梯状的模拟信号;低通滤波模块4对来自数模转换模块3的阶梯状的模拟信号进行滤波,转化为平稳光滑的模拟信号;幅值控制模块5接收来自逻辑控制模块2的增益控制信号,以此对滤波后的信号幅值进行调控,实现满足参数设置命令的超声信号输出;状态指示模块7接收来自逻辑控制模块2的状态指示信号,以此指示信号源装置上电状态和产生的超声信号的工作状态;上位机模块8通过USB与主控模块1通信,进行超声参数和模式的设置。
优选地,该装置输出一路多参数可调的超声信号。
优选地,主控模块1为该装置的主处理器,通过ARM芯片实现对上位机模块8和逻辑控制模块2指令的信息传递,实现上位机对装置的控制,同时对超声参数进行存储和加载,保证装置的正常运行。
优选地,逻辑控制模块2为该装置的从处理器,通过采用FPGA芯片实现对主控模块1发送的参数设置命令的接收和处理,并根据参数设置命令的要求生成数字信号、增益控制信号和状态指示信号。优选地,逻辑控制模块2包含DDS模块21和参数调节模块22且这两个模块都由FPGA编程实现。优选地,DDS模块21包括相位累加模块211和相幅转换模块212。其中,相位累加模块211是一个N位的相位累加器,接收主控模块1命令中的频率值后,以此频率值作为频率控制字进行线性累加,产生N位相位码并输出;相幅转换模块212是一个M位的正弦ROM查找表,将相位累加模块传递过来的N位相位码截短为M位,作为M位正弦ROM查找表的查表地址,输出满足频率要求的数字信号。参数调节模块22根据主控模块1命令对DDS模块21产生的满足频率要求的数字信号进行调节,通过对低幅值信号的放大和高频信号的补偿,产生满足频率和幅值要求的基波信号,并同步产生电调衰减和二级放大的控制信号,之后通过判断当前的工作模式,对信号进行处理,实现不同模式的数字信号输出,并同步输出状态指示信号。
优选地,该装置包括四种工作模式,分别为连续脉冲连续刺激模式、连续脉冲间断刺激模式、间断脉冲连续刺激模式和间断脉冲间断刺激模式,能够产生丰富的超声信号,尤其能够产生周期可控的多刺激构成的超声信号,满足各种刺激模式的神经调控需求。优选地,脉冲模式包括连续脉冲和间断脉冲两种模式。区别在于,脉冲信号与脉冲信号之间是否有间歇期。优选地,刺激模式包括连续刺激和间断刺激两种模式。区别在于,刺激信号与刺激信号之间是否有间歇期。
优选地,数模转换模块3通过采用数模转换芯片,将逻辑控制模块2输出的数字信号转换成阶梯状的模拟信号。
优选地,低通滤波模块4通过采用差分滤波电路,将数模转换模块3输出的阶梯状的模拟信号进行滤波处理,得到平稳光滑的模拟信号。
优选地,幅值控制模块5包含一级放大模块51、电调衰减模块52和二级放大模块53。其中,一级放大模块51将低通滤波模块4输出的平稳光滑的模拟信号进行固定放大倍数的放大;电调衰减模块52采用电调衰减器,实现对一级放大模块51输出的信号的衰减,衰减倍数受逻辑控制模块2的增益控制信号的控制;二级放大模块53接收来自逻辑控制模块2的增益控制信号,用于进一步放大电调衰减模块52输出的信号,输出满足参数设置命令的超声信号。
优选地,电调衰减模块52是用于衰减参数调节模块22中低幅值放大后的信号,以保证输出幅值满足参数设置指令要求。低幅值信号先放大后衰减是为了降低电路板噪声的影响,提高信号信噪比。
优选地,该装置采用超声换能器输出超声信号,且输出的超声信号满足50欧姆阻抗匹配。
优选地,状态指示模块7包括运行指示灯、触发指示灯、刺激指示灯和脉冲指示灯,接收来自逻辑控制模块2的状态指示信号。所述运行指示灯用于指示信号源正常工作;所述触发指示灯用于指示触发时间C×SRT内,该指示灯点亮,其它时间段该指示灯熄灭;所述刺激指示灯用于指示在刺激时间M×PRT内,该指示灯点亮,其它时间段该指示灯熄灭;所述脉冲指示灯用于指示在脉冲时间N/F内,该指示灯点亮,其它时间段该指示灯熄灭。
优选地,该装置还包括上位机模块8,所述上位机模块8包括电脑,所述上位机单元与主控模块1通过USB进行通信连接。
优选地,在所述的电脑端对所述装置产生的超声信号的多项参数进行设置,同时对上位机模块8和装置的联机状态以及是否处于超声工作状态进行监控。
优选地,所述多项参数包括:基波极性、基波频率F、基波幅值Vpp、基波个数N、脉冲周期PRT、脉冲个数M、刺激周期SRT、刺激个数C。
优选地,所述基波极性用来保证超声信号每次触发从正方向或负方向开始输出。
优选地,上位机模块8通过在电脑端使用编程语言编写桌面控制程序,桌面控制程序会向主控模块1发送或接收信息,以此来实现对装置的多项参数(基波极性、基波频率F、基波幅值Vpp、基波个数N、脉冲周期PRT、脉冲个数M、刺激周期SRT、刺激个数C)以及工作模式(连续脉冲连续刺激模式,连续脉冲间断刺激模式,间断脉冲连续刺激模式和间断脉冲间断刺激模式)的控制。
下面结合附图对本发明做进一步说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方案和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供了一种用于经颅超声刺激的多参数可调信号源装置,本发明实现了对单通道超声信号的实时控制,具备四种工作模式,能够产生丰富的超声信号,尤其能够产生周期可控的多刺激构成的超声信号,满足各种刺激模式的神经调控需求,该装置控制灵活、操作方便。
如图1所示,该装置包括主控模块1、逻辑控制模块2、数模转换模块3、低通滤波模块4、幅值控制模块5、超声换能器输出模块6、状态指示模块7和上位机模块8。
其中,主控模块1为ARM芯片,可以对超声参数进行存储和加载,每次上电后加载最后一次工作时刻的超声参数。逻辑控制模块2为FPGA芯片,包括DDS模块21和参数调节模块22,可以产生数字信号、增益控制信号和状态指示信号。幅值控制模块5由一级放大模块51、电调衰减模块52和二级放大模块53构成,用于接收来自逻辑控制模块的增益控制信号,以此控制滤波后的信号幅值,实现满足参数设置命令的超声信号输出。
图2所示为DDS模块21的结构示意图,该模块包括相位累加模块211和相幅转换模块212。
其中,DDS模块21接收主控模块1传递来的命令,经过相位累加模块211和相幅转换模块212之后,产生满足频率要求的数字超声信号。
图3所示为信号源装置的参数调节模块22工作示意图。其流程包含以下步骤:
S1:开始。
S2:接收主控模块超声参数命令。
S3:接收DDS控制模块产生的满足频率要求的信号,放大低输出幅值的信号并产生电调衰减控制信号。
S4:高频输出幅值补偿并产生二级放大控制信号。
S5:产生满足频率和幅值要求的基波信号。
S6:判断信号源的工作模式。若为连续脉冲连续刺激模式,则输出无脉冲间歇、无刺激间歇的超声信号;若为连续脉冲间断刺激模式,则输出有刺激间歇的超声信号;若为间断脉冲连续刺激模式,则输出有脉冲间歇的超声信号;若为间断脉冲间断刺激模式,则输出有脉冲间歇、有刺激间歇的超声信号。
S7:输出脉冲、刺激和触发状态指示信号。
S8:结束。
图4所示为该装置输出的间断脉冲间断刺激超声信号的示意图,该超声信号的基波频率F、基波幅值Vpp、基波个数N、脉冲周期PRT(Pulse Repetition Time)、脉冲个数M、刺激周期SRT(Stimulation Repetition Time)、刺激个数C均能通过上位机模块8显示和调整。
图5所示为该装置输出的间断脉冲连续刺激超声信号的示意图,其中,该超声信号的基波频率F、基波幅值Vpp、基波个数N、脉冲周期PRT、脉冲个数M、刺激个数C均能通过上位机模块8显示和调整,刺激周期SRT不可设置,由脉冲周期PRT和脉冲个数M决定。
图6所示为该装置输出的连续脉冲间断刺激超声信号的示意图,其中,超声信号的基波频率F、基波幅值Vpp、基波个数N、脉冲个数M、刺激周期SRT、刺激个数C均能通过上位机模块8显示和调整,脉冲周期PRT不可设置,由基波频率F和基波个数M决定。
图7所示为该装置输出的连续脉冲连续刺激超声信号的示意图,其中,该超声信号的基波频率F、基波幅值Vpp、基波个数N、脉冲个数M、刺激个数C均能通过上位机模块8显示和调整,脉冲周期PRT 不可设置,由基波频率F和基波个数M决定,刺激周期SRT不可设置,由基波频率F、基波个数N和脉冲个数M决定。
图8所示为信号源装置的上位机模块8工作的流程图。其流程包含以下步骤:
S1:开始。
S2:自动扫描与上位机连接的串口设备,自动选择串口设备进行连接并设置好波特率等参数,开启通信。
S3:在上位机手动修改超声信号的多项参数(基波极性、基波频率F、基波幅值Vpp、基波个数N、脉冲周期PRT、脉冲个数M、刺激周期SRT、刺激个数C)和工作模式(连续脉冲连续刺激模式、连续脉冲间断刺激模式、间断脉冲连续刺激模式、间断脉冲间断刺激模式)。
S4:修改完参数后选择开始触发功能,上位机就会向下位机发送数据,完成参数设置命令的发送。
S5:当上位机与下位机连接成功后,进行下位机状态的读取。
S6:根据读取到的下位机状态更新联机指示灯以及触发指示灯的状态。
S7:结束。
本实施例中,上位机单元为台式计算机、笔记本计算机等各种可运行图形操作系统的计算机。
本实施例中下位机为信号源装置。
本实施例中可修改的参数范围及其步进值为,基波极性:正或负,基波频率F:0.2MHz~8MHz(步进值为0.01MHz),基波幅值Vpp:0.01V~20V(步进值为0.01V),基波个数N:1~50000(步进值1),脉冲周期PRT:100us~10s(步进值100us),脉冲个数M:1~20000(步进值为1),刺激周期SRT:1s~60s(步进值1s),刺激个数C:1~20000(步进值为1)。
本实施例中上位机与下位机的通信通过USB实现。
本实施例中上位机模块的界面如图9所示。其中基波极性、基波频率F、基波幅值Vpp、基波个数N、脉冲周期PRT、脉冲个数M、刺激周期SRT、刺激个数C属于可设置项,脉冲时间、占空比、刺激时间和触发时间属于不可设置项。脉冲模式包括连续脉冲和间断脉冲。刺激模式包括连续刺激和间断刺激。
图10所示为该装置应用于经颅超声刺激系统的示意图。其中,在经颅超声刺激被试大脑过程中,外部设备(功率放大器)放大信号源产生的信号,经超声换能器激励产生超声信号。
一种用于经颅超声刺激的多参数可调的信号源装置,其应用于经颅超声刺激应包括以下步骤。
S1:开始。
S2:连通电源,开始工作,给各个模块供电。
S3:上位机自动扫描串口,并连接装置,连接成功后联机指示灯为绿灯,否则为红灯。
S4:在上位机模块中设置超声信号的多项参数。
S5:在上位机模块中设置超声信号源的工作模式。
S6:点击开始触发按钮。
S7:主控模块接收到上位机发送来的参数设置命令之后,开始工作,并向上位机反馈当前工作状态。
S8:触发指示灯亮,开始产生满足参数设置命令的超声信号,通过超声换能器输出。