-
Diese Erfindung betrifft Zeitsynchronisation von Daten und Ereignissen über drahtlose Datenverbindungen. In vielen Gebieten, die medizinische oder Forschungseinsammlung von physiologischen Daten, wie etwa Elektroenzephalogramme (EEG), involvieren, ist es wünschenswert, mit beliebigen Stimuli-Quellen (z. B. auditiv, visuell, taktil) synchronisierte Daten aufzuzeichnen. Latenz zwischen Stimuli und Daten muss kontrolliert werden, da mehrere Versuche typischerweise zusammengemittelt werden, um nutzbare Informationen zu produzieren. Jegliche Nichtübereinstimmung zwischen dem tatsächlichen Einsatz von Stimuli und dem entsprechenden Zeitmarkengeber in den gesammelten Daten verschlechtert die Genauigkeit der Messung.
-
In einem Beispiel wird ein Bild auf einem Bildschirm aufblitzen und die Gehirnreaktion einer Versuchsperson über EEG aufgezeichnet. Die Verzögerung zwischen dem Bildschirmaufblitzen und der Gehirnantwort wird mit Millisekunden-Genauigkeit gemessen. In einem konventionellen Aufbau sind der Bildschirm, der die Stimuli produziert, und das EEG-System, das die Reaktion aufzeichnet, miteinander verdrahtet und es werden keine signifikanten Latenzen aufgrund von Datenübertragung eingeführt. Zum Zeitpunkt des Bildschirmaufblitzens wird ein Zeitmarkensignal erzeugt, das in die EEG-Aufzeichnungsapparatur eingespeist wird. Das EEG-System bettet dann die Zeitmarkierung in den EEG-Datenstrom ein, der übertragen oder für nachfolgende Analyse gespeichert wird. Die geringe Latenz verdrahteter Verbindungen ermöglicht sehr präzise Zeitmarkierungen genau dann, wenn das Ereignis mit Bezug auf den EEG-Datenstrom stattfindet, gewöhnlich innerhalb einiger weniger, falls nicht einer, Datenabtastung(en).
-
In letzter Zeit wurde signifikantes Interesse an drahtloser Datenerfassung von physiologischen Informationen, wie etwa EEGs, hervorgerufen. Verglichen mit verdrahteten Systemen führt drahtlose Telemetrie eine signifikante, unbekannte und häufig unvorhersagbare Zeitverzögerung zwischen dem Stimulus und der Reaktion der Versuchsperson ein. Der Grund dafür ist, dass aktuelle drahtlose Protokolle, wie etwa Bluetooth und WiFi, signifikanten Mehraufwand in Form von Prüfungen und Redundanzen hinzufügen, um unempfindlich gegenüber Datenverlust zu sein, was zu Verzögerungen zwischen Übertragung und Empfang der Daten führt, was als Latenz bekannt ist. Die tatsächliche Latenz hängt sehr stark vom Übertragungsprotokoll, der Verarbeitungsleistung und der Menge von Umweltstörungen ab. In einem verdrahteten System betragen die Latenzen gewöhnlich nur einige wenige Millisekunden, wohingegen drahtlose Systeme Latenzen im 10 oder sogar 100 Millisekundenbereich aufweisen.
-
Drahtlose Übertragung fügt ebenso signifikante variable Latenz hinzu, was als Jitter bekannt ist. Dies entsteht hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass Übertragung von Daten über eine drahtlose Verbindung nicht garantiert ist – Störungen sind unvorhersagbar und ein drahtloses Protokoll muss darauf vorbereitet sein, wenn nötig zu puffern und zu wiederholen, um sicher zu stellen, dass die Daten irgendwann erfolgreich gesendet werden. Die Größe des Jitters kann im 10 oder 100 Millisekundenbereich liegen, insbesondere für datenorientierte Protokolle, wie etwa WiFi oder Bluetooth.
-
Die Kombination aus fester Latenz und variablem Jitter, die durch typische drahtlose Verbindungen eingebracht werden, ist für viele präzise physiologische Messungen, wie etwa evozierte Antwortpotentiale (ERP), inakzeptabel. Die Abtastrate für physiologische Signale beträgt 200 oder mehr Abtastungen/s. Latenzen, und insbesondere Jitter, die größer als einige wenige Abtastdauern (10 ms) sind, beeinträchtigen die Fähigkeit, physiologische Messungen mit Stimuli zu synchronisieren, was zu unbrauchbaren Daten führt. Deshalb definieren wir ,Niederlatenz' als eine Kombination von fester Latenz und Jitter, die weniger als 10 ms beträgt. Das Problem ist, dass es die Kombination aus Latenz und Jitter unmöglich macht, exakt zu bestimmen, wo die Zeitmarken externer Stimuli mit den Abtastungen des EEG-Datenstroms übereinstimmen.
-
Traditionelle verdrahtete Verbindungen zeigen geringe Latenzen und zeigen eine vorhersagbare Verzögerung und Jitter. Zum Beispiel benötigt die Übertragung eines Bytes über eine UART mit 57600 bps exakt 156,52 Mikrosekunden (8 Datenbits + 1 Stoppbit). Normalerweise werden keine Neuübertragungen benötigt, falls aber ein Fehlerkorrektur-Protokoll hinzugefügt würde, das maximal 3 Wiederholungsversuche aufweist, ergibt sich die mögliche Gesamt-Latenz zu 468,75 Mikrosekunden, was noch immer unter 1er Abtastrate des Signals liegt. Ein ideales drahtloses Verfahren sollte sowohl geringe Latenz als auch Vorhersagbarkeit erreichen.
-
Aus Gründen der Klarheit und des Schutzumfangs sollte angemerkt werden, dass andere Elemente im Datenpfad, insbesondere ein Vielzweck-Computer, aufgrund des Mehraufwands von einem Betriebssystem signifikanten Jitter und Latenz hinzufügen können. Dies ist in jedwedem System inhärent (verdrahtet oder drahtlos) und außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung. Die Erfindung konzentriert sich eher auf die Übertragung von genauen Zeitmarkierungen an dem Punkt, an dem die Markierung zu einem physikalischen Signal (z. B. einem elektronischen Puls an einem Parallel-Anschluss) zu dem Datenerfassungssystem wird. Sie ist unter anderem als Ersatz für traditionelle verdrahtete Verbindungen, wie etwa serielle Anschlüsse und Parallel-Anschlüsse, die von aktueller Instrumentierung verwendet werden, beabsichtigt.
-
Das einfachste Verfahren Latenz-Probleme zu umgehen, ist es einen lokalen Trigger-Eingang zu der drahtlosen Datenerfassungseinheit hinzuzufügen. Trigger von Stimuli können genauestens über einen fehlerfreien verdrahteten Anschluss aufgenommen und in dem Datenstrom mit einer Genauigkeit äquivalent zu traditionellen Systemen eingebettet werden. Allerdings erschlägt die Einführung eines speziellen verdrahteten Anschlusses an der Datenerfassungseinheit viele der Vorteile von drahtlosen Systemen, wie etwa unbeschränkte Mobilität, und verwandelt grundsätzlich ein drahtloses System in ein verdrahtetes. Zusätzlich schafft der verdrahtete Anschluss ein Potential für unsichere elektrische Schocks, es sei denn, dass es mit denselben komplexen Stromisolationsschaltungen, die in traditionellen Geräten verwendet werden, entworfen wird.
-
Stärker ausgeklügelte Verfahren der Synchronisation beziehen das Entwickeln angepasster oder teil-angepasster Protokolle für die Übertragung von Daten ein. Um Latenzen in Standard-Protokollen, wie etwa WiFi oder Bluetooth, zu vermeiden, ist es möglich ein angepasstes drahtloses Protokoll zwischen der Datenerfassungseinheit und einem Host zu erstellen. Ein Laufenlassen der Software für das Protokoll auf eingebetteten Mikroprozessoren eliminiert viele der zeitlichen Unsicherheiten mit Software, die auf Multitasking-Computern (z. B. PCs oder Tabletts) läuft und das Protokoll kann maßgeschneidert werden, um eine Übertragung innerhalb eines gewissen Zeitintervalls zu garantieren oder einfach zu dem nächsten Paket zu springen. Dieser Ansatz kann allgemein gut funktionieren, aber die Datenverbindung wird notwendigerweise weniger zuverlässig als traditionelle Protokolle, wie etwa WiFi oder Bluetooth, sein. Der größte Nachteil ist allerdings die Notwendigkeit vollständig angepasste Hardware zu verwenden, was das System zu den meisten PCs, Tabletts und anderen mobilen Geräten (die nur Standard-Transceiver eingebaut haben) inkompatibel macht, es sei denn, dass spezielle Empfänger-Hardware und Treiber für den Host verfügbar sind. Dies macht den Ansatz für viele Anwendungen impraktikabel, in denen der beabsichtigte Host ein mobiles Gerät, wie etwa ein Tablett oder Telefon, ist.
-
Ein weiterer Ansatz ist ein teilangepasstes drahtloses Protokoll, das auf einem existierenden Standard, wie etwa Bluetooth, basiert. Bei diesem Verfahren verwendet die Datenerfassungseinheit eine drahtlose Standardverbindung. Ein angepasster Empfänger, z. B. in einem USB-Dongle eingebettet, wird verwendet, wobei die empfangende Software, genau wie zuvor, auf einem eingebetteten Mikroprozessor arbeitet. Basierend auf einer vorherigen Charakterisierung ist es möglich, aufgezeichnete Daten mit Stimuli von dem Host, durch Vorhersagen drahtloser Latenz und Interpolieren von Stimuli in die richtige Position in den empfangenen Daten, auszurichten. Dieser Ansatz ist einem angepassten drahtlosen Protokoll darin überlegen, dass es dem Gerät ermöglicht, kompatibel mit vielen anderen Geräten (z. B. Tabletts und Telefone) zu bleiben, ohne die Notwendigkeit für angepasste Empfänger-Hardware. Allerdings ist der Hauptnachteil, dass angepasste Empfänger-Hardware noch immer nötig ist, falls genaue zeitliche Leistungsfähigkeit erforderlich ist, was das System weiterhin erheblich auf PCs und Laptops einschränkt, die einen angepassten Empfänger-Dongle unterstützen können. Es ist ebenfalls erwähnenswert, dass sowohl angepasste als auch teil-angepasste Protokoll-Verfahren inhärent Punkt-zu-Punkt zwischen einer drahtlosen Datenerfassungseinheit und einem Host sind. In einigen Anwendungen ist es wünschenswert, Zeitmarkierungen zwischen mehreren Hosts und/oder mehreren drahtlosen Datenerfassungseinheiten rundzusenden.
-
Im Lichte dieser Begrenzungen beschreibt die aktuelle Erfindung einen Satz von Verfahren, um genaueste Zeitsynchronisation zu erreichen, die weithin mit beliebigen drahtlosen Standard-Protokollen (z. B. Bluetooth, WiFi) auf einem beliebigen empfangenden Host ohne angepasste Hardware kompatibel sind, und ist fähig, mehrere Datenerfassungseinheiten und Hosts gleichzeitig zu unterstützen.
-
Die Erfindung sieht ein drahtloses Datenerfassungssystem vor, das Folgendes umfasst: eine Datenerfassungseinheit, die einen Datensensor beinhaltet; eine drahtlose Datenverbindung und eine drahtlose Zeitgeber-Verbindung mit vorhersagbarer oder geringer Latenz; wobei Datensignale von dem Datensensor über die drahtlose Datenverbindung übertragen werden und die Zeitgeber-Informationen der Datenerfassungseinheit über die drahtlose Zeitgeber-Verbindung übertragen werden.
-
Dadurch stellt die Erfindung mindestens zwei separate Pfade zwischen einer drahtlosen Datenerfassungseinheit und einem empfangende Host bereit. Der erste Pfad ist eine robuste Verbindung, typischerweise mit Fehlerkorrektur, automatischer Neu-Übertragung und hoher Durchsatzfähigkeit zum Übertragen der Masse der gesammelten Daten durch die Datenerfassungsplattform. Da der erste Pfad gegenüber Fehlern stabil gemacht wurde, führt die Latenz, aufgrund der Fehlerkorrektur und des Datenverarbeitungsmehraufwands, eine signifikante und nicht deterministische Latenz in den Datenstrom ein. Der zweite Pfad ist eine einfachere drahtlose Verbindung mit minimaler Fehlerkorrektur und wird primär dazu verwendet, Synchronisation und Zeitmarken zwischen der Datenerfassungseinheit und dem empfangenden Host zu übertragen. Da der zweite Pfad einfacher ist, kann die Latenz in einem höherem Maße von Genauigkeit gesteuert werden und Zeitmarkierungen in dem zweiten Pfad können dazu verwendet werden, Daten/Ereignisse zwischen der Datenerfassungseinheit und dem Host zu synchronisieren. Fehler in dem zweiten Pfad sind relativ gutmütig, da sie die tatsächlichen Daten in dem ersten Pfad nicht beeinflussen, und verlorene Zeitgaben können durch Interpolieren aus den Zeitmarkierungen in dem zweiten Pfad, die erfolgreich übertragen wurden, wiederhergestellt werden.
-
1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines drahtlosen Datenerfassungssystems gemäß der Erfindung.
-
Das System beinhaltet drei Haupteinheiten, eine Datenerfassungseinheit 100, einen Trigger-Generator 200 und einen empfangenden Host 300. Die Datenerfassungseinheit 100 ist die Quelle der Messungen (z. B. EEG). Stimulus und Zeitmarkierungen kommen von dem Trigger-Generator 200. Ein empfangender Host 300 empfängt die Messdaten zum Loggen und/oder Verarbeiten. Beim Verwenden einer typischen EEG-Anwendung als ein Beispiel, um diese drei Komponenten besser zu veranschaulichen, würde die Datenerfassungseinheit 100 typischerweise aus den EEG-Verstärkern und -Digitalisierern bestehen; wobei der Trigger-Generator 200 die Einheit ist, die für das Liefern der Stimuli (z. B. Blitzlicht) zusammen mit den Trigger-Signalen verantwortlich ist, um die Zeitorte solcher Ereignisse zu markieren; und der empfangende Host 300 würde ein PC oder ein Laptop sein, der beide EEG-Daten mit Trigger-Marken aufzeichnet.
-
Es ist wichtig, anzumerken, dass die Ausführungsform der 1 nur zum Zwecke der Klarheit als separate Blöcke gezeigt ist. Der Trigger-Generator 200 ist, als ein Beispiel, in vielen Fällen dasselbe physische Gerät wie der empfangende Host 300 (z. B. ein Computer, der auditive Stimuli liefert). In anderen Aufbauten könnten die Trigger von einem separaten Gerät kommen (z. B. einem Tablett, das visuelle Stimuli liefert), wohingegen die gesamten Daten anderswo in einem PC angesammelt werden.
-
Die drahtlose Datenerfassungseinheit 100 in der Ausführungsform zeichnet eine Signalquelle 103 (z. B. EEG-Sensoren) auf und weist einen Mikroprozessor 104 und zwei drahtlose Transceiver auf: 101 – eine robuste Verbindung für Daten und 102 – eine Niederlatenz-Verbindung für Synchronisation. Der Niederlatenz-Transceiver 102 in der Datenerfassungseinheit 100 ist mit seinem zusammengehörigen Transceiver 202 in dem Trigger-Generator 200 verbunden. Informationen über die gelieferten Trigger-Ereignisse 201 (z. B. Zeitmarkierungen) werden von den Transceivern 202 bis 102 über die Niederlatenz-Verbindung 2 übertragen.
-
Im Allgemeinen gibt es viele Verfahren, die drahtlose Niederlatenz-Verbindung 2 zu implementieren, einschließlich digitaler Hochfrequenz-Modulation, analoger Hochfrequenzmodulation, auf Akustik oder Licht basierende Verfahren. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Niederlatenz-Verbindung 2 über Infrarot implementiert, wobei 102 und 202 einen Satz von Photodioden umfassen. Infrarot ist einfach, zuverlässig, günstig und arbeitet mit Lichtgeschwindigkeit. Der Hauptnachteil ist allerdings, dass Infrarot eine direkte Sichtverbindung benötigt, was die Reichweite der Technik begrenzt. In anderen Ausführungsformen basiert die Verbindung 2 auf Hochfrequenz. In einem Fall wurde ein angepasstes Protokoll, das auf digitaler Modulation bei 2,4 GHz basiert (Nordic nRF24L01+), verwendet. Das digitale Protokoll ermöglichte Übertragung von multibit Trigger- und Synchronisations-Codes, was die Nutzbarkeit der Technik erhöht. Minimale Fehlerkorrektur stellte eine Latenz von weniger als 300 Mikrosekunden zwischen dem Trigger-Generator 200 und der Datenerfassungseinheit 100 sicher, was gut unter einem Abtast-Intervall der Signalquelle (EEG) 103 liegt.
-
Die geringe Latenz der Verbindung 2 ermöglicht es dem Mikroprozessor 104, die Signalquelle 103 und den Stimulus 201 mit einem höheren Grad zeitlicher Präzision zu kombinieren – vergleichbar mit traditionellen Drahtleitungsverfahren. Die angesammelten, zeit-synchronisierten Daten werden unter Verwendung der Transceiver 101 und 301 über die drahtlose Verbindung 1 von der Datenerfassungseinheit 100 zu dem empfangenden Host 300 übertragen. Die von 301 empfangenen Daten werden für weitere Datenanalyse und -speicherung zu der Hauptverarbeitungseinheit 302 des Hosts übertragen. Da es nun minimale Latenzbeschränkungen gibt, können die Transceiver 101 und 301 robuste Fehlerkorrektur einsetzen, um drahtlose Telemetrie mit minimalem Datenverlust sicher zu stellen. In einigen Ausführungsformen ist das Protokoll über 1 Bluetooth, wobei 101 und 301 Bluetooth-Transceiver-Module umfassen. Andere Protokolle wie WiFi, eine angepasste Lösung oder ein zukünftiger drahtloser Standard sind möglich. Im Allgemeinen hängt der optimale Ansatz von der gewünschten Bandbreite, dem Leistungsbudget, den Systemkosten und der Kompatibilität mit existierenden Geräten ab.
-
Obwohl die Ausführungsform der 1 die Niederlatenz-Verbindung 2 zwischen dem Trigger-Generator 200 und der Datenerfassungseinheit 100 zeigt, ist es erwähnenswert, dass die Erfindung die Schlüssel-Innovation des Entkoppelns der Übertragung von latenzsensitiver Synchronisation von den fehlersensitiven Dateninformationen durch Verwendung von mehr als einer drahtlosen Verbindung einschließt.
-
Es gibt viele Varianten und alternative Ausführungsformen von der in 1 gezeigten. Wie zuvor erwähnt, ist es möglich, den Trigger-Generator 200 und den empfangenden Host 300 in einer einzigen Einheit zu integrieren. In der Ausführungsform der 1 wurde die Integration von Zeitmarkierungen und dem Signal durch die Datenerfassungseinheit 100 erreicht und dann zu dem empfangenden Host 300 übertragen. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung könnte stattdessen Zeitmarkierungen mit Daten auf dem empfangenden Host 300 selbst integrieren. Die Datenerfassungseinheit 100 könnte Zeitmarkierungen auf sowohl der Niederlatenz-Verbindung 2 als auch der widerstandsfähigen drahtlosen Verbindung 1 zu dem Host übertragen. Der empfangende Host 300 würde dann die Daten unter Verwendung der auf beiden Datenverbindungen vorhandenen Markierungen mit seinen eigenen lokalen Ereignissen integrieren.
-
Allerdings ist es weniger optimal, den empfangenden Host 300 zu verwenden, um Zeitgeber mit Daten zu integrieren, da er gewöhnlich ein Multitasking-Computer (z. B. Tablett und Telefon) ist und somit eine inhärent nicht deterministische Latenz in der Software aufweisen wird.
-
Es ist ebenfalls möglich, die Erfindung in Anwendungen zu verwenden, die mehrere Datenerfassungseinheiten, mehrere Trigger-Generatoren und mehrere empfangende Hosts einbezieht. Zum Beispiel würde jede Versuchsperson in einem EEG-Gruppenexperiment typischerweise ihre eigene Datenerfassungseinheit haben. Ein oder mehrere Trigger-Generatoren würden Stimuli an die Versuchspersonen ausgeben und die Zeitmarkierungen für diese Ereignisse über eine oder mehrere Niederlatenz-Verbindungen an jede Datenerfassungseinheit übertragen. Die Zeitmarkierungen werden in jeder Datenerfassungseinheit integriert und an einen oder mehrere empfangende Hosts (z. B. einen Tablett-Computer für jede Versuchsperson) übertragen. Es ist sogar möglich, die Daten einfach in einem lokalen Speicher in jeder Datenerfassungseinheit (z. B. eine Flash-Speicherkarte) zu speichern und später für eine Analyse abzurufen.
-
Schließlich hat die Erfindung in beliebigen Feldern breite Anwendung, in denen drahtlose Übertragung von Daten mit hoher Zeitgebungsgenauigkeit ist, obwohl die beschriebenen Ausführungsformen sich auf physiologische Messungen konzentrieren, insbesondere EEG-Anwendungen, die Synchronisation von Stimuli mit Daten involvieren.
-
Ein System gemäß der Erfindung kann in einem ähnlichen Verfahren wie konventionelle Verfahren, die auf Drahtleitungen basieren, verwendet werden. Daten werden von einer Versuchsperson gesammelt und zur Speicherung und Analyse übertragen. Zeitsensitive Markierungen und mit den Daten synchronisiert unter Verwendung der in der Erfindung ohne Drähte beschriebenen Techniken. Verglichen mit traditionellen Systemen erhöht das Fehlen von Drahtbeschränkungen zwischen Stimulus, Datenerfassung und Host die Mobilität des Aufbaus erheblich. Das EEG als Beispiel verwendend, kann sich die Versuchsperson frei in einer Umgebung bewegen, was neue Möglichkeiten für Forschung und klinische Anwendungen eröffnet.
