一种基于光电探测传感器实现视觉刺激与脑电采集的时间同步系统及方法与流程

[0001]
本发明涉及神经电生理技术领域，特别涉及一种基于光电探测传感器实现视觉刺激与脑电采集的时间同步系统及方法。


背景技术：

[0002]
在诱发电位与事件相关电位中，为了保证视觉刺激播放与脑电信号采集的时间同步，通常采用同步控制器mcu或并口同时向两台电脑时序触发信号，或者通过软件发送时序信号触发视觉刺激播放，或者通过无线网络的时钟校准等方式，这只是理论上的同步，现实中，由于刺激的播放是在电脑上进行，会受现代操作系统的性能限制和影响，而现代的操作系统不是实时的操作系统，也不是单一进程的操作系统，现代操作系统采用的是轮询方式，即刺激播放进程的执行时间会受操作系统中其余进程的影响，因此每次收到触发时序信号后，刺激开始在屏幕上渲染显示的时间具有一定随机性，加之通用显示器的刷新率为60hz-80hz,也会导致视觉刺激至少有平均12.5-17ms的延时，最致命的是，从收到触发时序信号到视觉刺激真正在屏幕上渲染显示的时间间隔是不固定的，从而导致通常有5-20ms的延时，而脑电信号实际上早就开始采集了，不能保证每次刺激播放的开始时间与脑电信号采集的开始时间真正同步，而诱发电位和事件相关电位的幅度极低，在叠加平均时极易受每次刺激的延时影响，轻则导致波幅降低，重则导致波形失真，必须要求每次刺激的延时低于10ms，甚至低于5ms才不致发生信号严重失真，保证同步的延时最好是低于1ms。
[0003]
通过查阅相关专利，专利号为cn2753290y及cn101507606a的专利通过同步控制器mcu或并口同时向两台电脑发送同步时序信号，或通过软件发送同步时序信号以控制视觉/听觉刺激和脑电采集的同步，除此之外，专利号为cn 103607269的专利通过网络时钟校准的方法达到同步，这只是理论上的同步，由于刺激播放仍然受计算机操作系统控制，要做到从收到时序信号到刺激开始播放的延时稳定并且小于1ms,几乎在理论上是不成立的，首先因为时钟校准需要三次握手通信，时间就不止1ms,加上无线传输也有几毫秒的延时，仍旧很难绕过操作系统的限制达到真正的同步，这些方案只能在理论上接近刺激播放的开始时间，很难达到视觉刺激播放与脑电采集真正的同步，同时需要额外的硬件、软件或无线网络，并且操作起来比较复杂，不能从根本上解决上述时间同步方式的延时问题。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种操作方便且稳定可靠的基于光电探测传感器实现视觉刺激与脑电采集的时间同步系统及方法，通过引入光电探测传感器，在播放视觉刺激时，光电探测传感器在不到1ms的时间内探测到视觉刺激的开始时间，以刺激的真正开始时间来标记相应脑电采集的开始时间，同时输入视觉刺激的光电探测信号和脑电信号，以达到最理想的时间同步效果；
[0005]
为实现上述发明的目的，本发明采用的技术方案实现如下：一种基于光电探测传
感器实现视觉刺激与脑电采集的时间同步系统，其特征在于：包括依次连接的多个光电探测传感器、多个前置放大器、次级放大器、数模转换器、计算机主机以及显示屏组；
[0006]
所述显示屏组包括用于显示软件采集界面的波形的主机显示器以及用于显示视觉刺激图片的副屏显示器；当所述副屏显示器播放视觉刺激图片时，所述副屏显示器的左下角和右下角均出现白色方块图片；
[0007]
多个所述前置放大器包括第一前置放大器、第二前置放大器和第三前置放大器；所述第一前置放大器、第二前置放大器和第三前置放大器与所述次级放大器连接；所述第二前置放大器连接脑电极，用于脑电信号的采集输入；
[0008]
所述光电探测传感器包括分别覆设于两个白色方块图片位置处的第一光电探测传感器和第二光电探测传感器；所述第一光电探测传感器和第二光电探测传感器分别与所述第一前置放大器和第三前置放大器连接；
[0009]
当视觉刺激播放时，第一光电探测传感器和第二光电探测传感器在1ms内均产生反应信号，该反应信号会先后出现一个下降沿和一个上升沿信号，并相应输入到所述第一前置放大器和第二前置放大器进行放大，经滤波后输入到次级放大器；同时通过脑电极采集脑电信号并输入到所述第二前置放大器进行信号放大，经滤波后输入到次级放大器；
[0010]
通过次级放大器对滤波后的脑电信号和反应进行信号放大，然后通过数模转换器转换为数字信号后存储于所述计算机主机中；
[0011]
通过计算机主机的后台事件相关电位分析软件回放采集到的反应信号并通过主机显示器进行显示；计算机主机识别到下降沿或上升沿的时间为刺激出现时间，并标记为脑电信号的采集时间，从而实现视觉刺激与脑电信号采集的时间同步。
[0012]
优选地，所述第一光电探测传感器和第二光电探测传感器为光电二极管、光电倍增管、包含电容的单片光电二极管模组或包含单片光电二极管和单电源跨阻放大器的模组。
[0013]
优选地，所述第一光电探测传感器的vdd端与5v电源连接，接地端连接第一前置放大器的正相端并接入第一电阻分压后，与地连接。
[0014]
优选地，所述第二光电探测传感器的vdd端与5v电源连接，接地端连接第三前置放大器的正相端并接入第二电阻分压后，与地连接。
[0015]
优选地，所述下降沿或上升沿出现的时间与刺激的出现时间具有稳定的锁时关系。
[0016]
优选地，所述第一前置放大器和次级放大器之间设有第一滤波器；所述第二前置放大器和次级放大器设有第二滤波器；所述第三前置放大器与所述次级放大器设有第三滤波器。
[0017]
优选地，所述白色方块图片的尺寸为30x30像素。
[0018]
本发明还提供一种基于光电探测传感器实现视觉刺激与脑电采集的时间同步方法，该方法应用于如上述任意一项所述的一种基于光电探测传感器实现视觉刺激与脑电采集的时间同步系统中；该方法包括：
[0019]
通过副屏显示器进行视觉刺激播放，所述副屏显示器上显示视觉刺激图片，同时其左下角和右下角均显示白色方块图片；
[0020]
通过第一光电探测传感器和第二光电探测传感器分别探对两个白色方块图片的
区域进行探测；当视觉刺激播放时，第一光电探测传感器和第二光电探测传感器在1ms内均产生反应信号，该反应信号会先后出现一个下降沿和一个上升沿信号，并相应输入到所述第一前置放大器和第二前置放大器进行放大，经滤波后输入到次级放大器；同时通过脑电极采集脑电信号并输入到所述第二前置放大器进行信号放大，经滤波后输入到次级放大器；
[0021]
通过次级放大器对滤波后的脑电信号和反应进行信号放大，然后通过数模转换器转换为数字信号后存储于所述计算机主机中；
[0022]
通过计算机主机的后台事件相关电位分析软件回放采集到的反应信号并通过主机显示器进行显示；计算机主机识别到下降沿或上升沿的时间为刺激出现时间，并标记为脑电信号的采集时间，从而实现视觉刺激与脑电信号采集的时间同步。
[0023]
有益效果
[0024]
与现有技术相比，本发明取得的有益效果为：
[0025]
本发明通过引入光电探测传感器，在播放视觉刺激时，光电探测传感器在不到1ms的时间内探测到视觉刺激的开始时间，利用光电探测传感器对视觉刺激光强度的反应信号形态，作为视觉刺激开始播放的时间参考，以刺激的真正开始时间来标记相应脑电采集的开始时间，同时输入视觉刺激的光电探测信号和脑电信号，以达到理想的时间同步效果；另外，本发明无须采用同步控制器mcu或并口同时向两台电脑时序触发信号，或者通过软件发送时序信号触发视觉刺激播放，或者通过无线网络的时钟校准等方式，操作方便、稳定可靠，提高了前期信号采集时间的精确度。
附图说明
[0026]
图1为本发明实施例1的电路原理结构图；
[0027]
图2为本发明的实施例1的视觉刺激出现时的光电探测传感器的反应信号图；
[0028]
图3为本发明实施例1的方法流程图；
[0029]
图4为本发明的实施例2含有电容的单片光电二极管模组。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
[0031]
实施例1
[0032]
如图1所示，一种基于光电探测传感器实现视觉刺激与脑电采集的时间同步系统，其特征在于：包括依次连接的多个光电探测传感器、多个前置放大器、次级放大器、数模转换器、计算机主机以及显示屏组；
[0033]
所述显示屏组包括用于显示软件采集界面的波形的主机显示器以及用于显示视觉刺激图片的副屏显示器；当所述副屏显示器播放视觉刺激图片时，所述副屏显示器的左下角和右下角均出现尺寸为30x30像素白色方块图片。
[0034]
多个所述前置放大器包括第一前置放大器、第二前置放大器和第三前置放大器；所述第一前置放大器、第二前置放大器和第三前置放大器与所述次级放大器连接；所述第一前置放大器的1端为共模接地端，2端为共模参考端；所述第二前置放大器的3端为共模接地端，4端为共模参考端；所述第三前置放大器的5端为共模接地端，6端为共模参考端；
[0035]
所述第二前置放大器连接脑电极；具体地，当视觉刺激播放时，脑电极对人受到视觉刺激产生的脑部信号进行采集，并输入到所述第二前置放大器进行信号放大；
[0036]
所述第一前置放大器和次级放大器之间设有第一滤波器；所述第二前置放大器和次级放大器设有第二滤波器；所述第三前置放大器与所述次级放大器设有第三滤波器。通过设置第一滤波器、第二滤波器和第三滤波器，对输入到次级放大器的信号进行过滤，减少信号干扰，提高信号采集的准确性。
[0037]
所述光电探测传感器包括分别覆设于两个白色方块图片位置处的第一光电探测传感器和第二光电探测传感器；所述第一光电探测传感器和第二光电探测传感器分别与所述第一前置放大器和第三前置放大器连接；
[0038]
所述第一光电探测传感器和第二光电探测传感器为光电二极管、光电倍增管、包含电容的单片光电二极管模组或包含单片光电二极管和单电源跨阻放大器的模组。在本实施例中，所述第一光电探测传感器和第二光电探测传感器为光电二极管；所述第一光电探测传感器的vdd端与5v电源连接，接地端连接第一前置放大器的正相端并接入第一电阻后，与地连接。具体地，通过接入第一电阻进行分压，使得所述第一光电探测传感器探测的反应信号达到所述第一前置放大器的输入范围，然后输入到所述第一前置放大器进行信号放大。
[0039]
所述第二光电探测传感器的vdd端与5v电源连接，接地端连接第三前置放大器的正相端并接入第二电阻后，与地连接。具体地，通过接入第二电阻进行分压，使得所述第二光电探测传感器探测的反应信号达到所述第三前置放大器的输入范围，然后输入到所述第三前置放大器进行信号放大。
[0040]
如图2所示；当视觉刺激播放时，第一光电探测传感器和第二光电探测传感器在1ms内均产生反应信号，该反应信号会先后出现一个下降沿和一个上升沿信号(所述下降沿或上升沿出现的时间与刺激的出现时间是具有稳定的精确对应关系)，并相应输入到所述第一前置放大器和第二前置放大器进行放大，经第一滤波器和第三滤波器滤波后输入到次级放大器；同时通过脑电极采集脑电信号并输入到所述第二前置放大器进行信号放大，经第二滤波器滤波后输入到次级放大器；
[0041]
通过次级放大器对滤波后的脑电信号和反应进行信号放大，然后通过数模转换器转换为数字信号后存储于所述计算机主机中；
[0042]
通过计算机主机的后台事件相关电位分析软件回放采集到的反应信号并通过主机显示器进行显示；计算机主机识别到下降沿或上升沿的时间为刺激出现时间，并标记为脑电信号的采集时间，从而实现视觉刺激与脑电信号采集的时间同步。
[0043]
如图3所示，本发明还提供一种基于光电探测传感器实现视觉刺激与脑电采集的时间同步方法，该方法应用于如上述任意一项所述的一种基于光电探测传感器实现视觉刺激与脑电采集的时间同步系统中；该方法包括：
[0044]
通过副屏显示器进行视觉刺激播放，所述副屏显示器上显示视觉刺激图片，同时其左下角和右下角均显示白色方块图片；
[0045]
通过第一光电探测传感器和第二光电探测传感器分别探对两个白色方块图片的区域进行探测；当视觉刺激播放时，第一光电探测传感器和第二光电探测传感器在1ms内均产生反应信号，该反应信号会先后出现一个下降沿和一个上升沿信号，并相应输入到所述
第一前置放大器和第二前置放大器进行放大，经滤波后输入到次级放大器；同时通过脑电极采集脑电信号并输入到所述第二前置放大器进行信号放大，经滤波后输入到次级放大器；
[0046]
通过次级放大器对滤波后的脑电信号和反应进行信号放大，然后通过数模转换器转换为数字信号后存储于所述计算机主机中；
[0047]
通过计算机主机的后台事件相关电位分析软件回放采集到的反应信号并通过主机显示器进行显示；计算机主机识别到下降沿或上升沿的时间为刺激出现时间，并标记为脑电信号的采集时间，从而实现视觉刺激与脑电信号采集的时间同步。
[0048]
本发明通过引入光电探测传感器，在播放视觉刺激时，光电探测传感器在不到1ms的时间内探测到视觉刺激的开始时间，利用光电探测传感器对视觉刺激光强度的反应信号形态，作为视觉刺激开始播放的时间参考；以刺激的真正开始时间来标记相应脑电采集的开始时间，同时输入视觉刺激的光电探测信号和脑电信号，以达到理想的时间同步效果；另外本发明无须采用同步控制器mcu或并口同时向两台电脑时序触发信号，或者通过软件发送时序信号触发视觉刺激播放，或者通过无线网络的时钟校准等方式，操作方便、稳定可靠，提高了前期信号采集时间的精确度。
[0049]
实施例2
[0050]
本发明的实施方式之一，如图4所示，本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：本实施例的第一光电探测传感器和第二光电探测传感器为含有电容的单片光电二极管模组；该单片光电二极管模组包括光电二极管、电容c1、电阻r1以及插座j1；所述光电二极管的型号为temt6000，其vdd端与5v电源连接，接地端与r串联分压后与地连接；所述插座j1的1脚连接于所述光电二极管的与电阻r1之间，所述插座j1的2脚与所述光电二极管的vdd端连接，所述插座j1的3脚连接与所述电阻r1与地之间；所述电容c1一端与所述光电二极管的vdd端连接，另一端连接于电阻r1与地之间。
[0051]
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。