一种脑电装置的数据同步方法及脑电装置与流程

本发明实施例涉及生物信息技术领域，尤其涉及一种脑电装置的数据同步方法及脑电装置。

背景技术：

事件相关诱发电位(erp)是由特定刺激所引起的脑电(eeg)，它能够反映刺激下大脑的认知过程中的神经电生理变化。脑电信号采集过程中，事件和数据往往具有严格的锁时关系，例如事件相关诱发电位(erp)和相位相关的稳态视觉诱发电位。因此在记录脑电数据的同时，需要精准记录事件发生的时刻，事件和数据的时间误差要求在±1ms。

现有的同步方法主要包括两种：一种是数字有线同步，具体为：事件发生器在发生事件的同时能够产生晶体管-晶体管逻辑(transistor-transistorlogic，ttl)电平信号，通过有线的方式传输至脑电采集装置。脑电采集装置检测到ttl电平后，在数据中加上同步的标签，标记事件的发生时间。另一种是模拟有线同步，具体为：事件发生器产生的同步触发信号，直接接入多导联脑电采集装置的其中1个导联，触发信号将和脑电信号同时采集。通过分析采集到的触发信号导联和脑电信号导联的数据，即可实现事件和数据的同步。

但是现有的高精度数据传输方法大多是有线传输，要求事件发生器与脑电采集系统之间必须有线连接，给相关的实验和研究带来了极大不便。现有的无线数据同步技术传输速度慢、传输效率低、传输过程复杂，难以实现多种刺激系统同步采集。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种脑电装置的数据同步方法及脑电装置，以实现通用计算机与无线脑电设备数据无线同步，计算机中的事件与脑电采集数据对齐，同步精度在1ms以内，且可应用于多种刺激事件，以及实现多个脑电采集装置的数据同步。

第一方面，本发明实施例提供了一种脑电装置的数据同步方法，所述脑电装置包括中央处理系统、标记子系统和至少一个采集子系统；

所述脑电装置的数据同步方法包括：

所述中央处理系统通过第一无线通信协议向所述标记子系统和所述采集子系统发送指令，以完成所述标记子系统和所述采集子系统的同步；

所述采集子系统以预设频率采集数据信息和传输数据信息，并将所述数据信息对应的第一时间戳添加到数据包中，和所述数据信息一起发送至所述中央处理系统，同时所述标记子系统根据所述中央处理系统通过有线通信协议传输的事件发生信号发送所述事件发生信号对应时刻的第二时间戳；其中，所述数据包中的所述数据信息包括连续的第1信号数据点、…、第i-1信号数据点以及第i信号数据点，i为正整数；

所述中央处理系统通过第二无线通信协议接收所述采集子系统发送的数据包，并通过所述有线通信协议、所述第一无线通信协议或所述第二无线通信协议从所述标记子系统中获取当前的第二时间戳，并根据从所述标记子系统获取的第二时间戳进行与该第二时间戳对应的数据点的对齐。

可选的，所述第一时间戳包括：

与所述第1信号数据点对应的第1采样时间点、…、与所述第i-1信号数据点对应的第i-1采样时间点以及与所述第i信号数据点对应的第i采样时间点；或者，

与所述第1信号数据点对应的序号1、…、与所述第i-1信号数据点对应的序号2以及与所述第i信号数据点对应的序号i。

可选的，所述中央处理系统通过第一无线通信协议向所述标记子系统和所述采集子系统发送指令，包括：

步骤111、所述中央处理系统通过第一无线通信协议向所述标记子系统和所述采集子系统发送准备开始同步指令；

步骤112、所述标记子系统和所述采集子系统根据所述准备开始同步指令向所述中央处理系统回应以准备完成指令；

步骤113、所述中央处理系统根据所述准备完成指令确定所述标记子系统和所述采集子系统以完成准备开始同步，并通过所述第一无线通信协议向所述标记子系统和所述采集子系统发送同步指令，以使所述标记子系统根据所述同步指令重置其时间戳和所述采集子系统根据所述同步指令重置其时间戳。

可选的，步骤113之后，还包括：

所述中央处理系统通过第一无线通信协议同时向所述至少一个采集子系统和所述标记子系统发送同步查询指令；

所述采集子系统根据所述同步查询指令向所述中央处理系统回应此时的第一初始时间戳，以及所述标记子系统根据所述同步查询指令向所述中央处理系统回应此时的第二初始时间戳；

所述中央处理系统判断所述第一初始时间戳和第二初始时间戳的差值是否在第一预设范围内；

若所述第一初始时间戳和第二初始时间戳的差值在第一预设范围内，则完成所述标记子系统和所述采集子系统的同步。

可选的，若所述第一初始时间戳和第二初始时间戳的差值不在第一预设范围内，则返回至步骤113，直至所述第一初始时间戳和第二初始时间戳的差值在第一预设范围内。

可选的，所述标记子系统包括第一芯片，所述采集子系统包括第二芯片；

所述第一芯片和所述第二芯片的芯片类型相同。

可选的，采集子系统包括脑电采集装置、肌电采集装置和心电采集装置中的至少一种；

所述数据信息包括脑电信号、肌电信号或心电信号。

可选的，所述有线通信协议包括ttl、sdio协议、并口通信、串口通信、usb协议、hmdi协议中的一种；

所述第一无线通信协议包括：udp协议或icmp协议；

所述第二无线通信协议包括：tcp/ip协议。

第二方面，本发明实施例还提供了一种脑电装置，用于实施如第一方面所述的脑电装置的数据同步方法，所述脑电装置包括：中央处理系统、标记子系统和至少一个采集子系统；

所述中央处理系统，用于通过第一无线通信协议向所述标记子系统和所述采集子系统发送指令，以完成所述标记子系统和所述采集子系统的同步；

所述采集子系统，用于以预设频率采集数据信息和传输数据信息，并将所述数据信息对应的第一时间戳添加到数据包中，和所述数据信息一起发送至所述中央处理系统；其中，所述数据包中的所述数据信息包括连续的第1信号数据点、…、第i-1信号数据点以及第i信号数据点，i为正整数；

所述标记子系统，用于根据所述中央处理系统通过有线通信协议传输的事件发生信号发送所述事件发生信号对应时刻的第二时间戳；

所述中央处理系统，还用于通过第二无线通信协议接收所述采集子系统发送的数据包，并通过所述有线通信协议、所述第一无线通信协议或所述第二无线通信协议从所述标记子系统中获取当前的第二时间戳，并根据从所述标记子系统获取的第二时间戳进行与该第二时间戳对应的数据点的对齐。

可选的，所述中央处理系统包括数据处理模块、第一有线通信模块和第一无线通信模块；

所述标记子系统包括第二有线通信模块和第二无线通信模块；

所述采集子系统包括数据采集处理模块和网络通信模块；

所述第一有线通信模块用于和所述第二有线通信模块通过有线通信协议建立有线连接；

所述第一无线通信模块用于和所述第二无线通信模块通过第一无线通信协议建立无线网络连接；还用于和所述网络通信模块通过第一无线通信协议和第二无线通信协议建立无线网络连接；

所述数据处理模块用于通过所述中央处理系统中的所述第一无线通信模块以所述第一无线通信协议向所述标记子系统和所述采集子系统发送指令，以完成所述标记子系统和所述采集子系统的同步；

所述数据采集处理模块用于以预设频率采集数据信息和传输数据信息，并将所述数据信息对应的第一时间戳添加到数据包中，和所述数据信息一起发送至所述数据处理模块，同时所述标记子系统根据所述数据处理模块通过所述有线通信协议传输的事件发生信号发送所述事件发生信号对应时刻的第二时间戳；

所述数据处理模块还用于通过所述第二无线通信协议接收所述采集子系统发送的数据包，并通过所述有线通信协议、所述第一无线通信协议或所述第二无线通信协议从所述标记子系统中获取当前的第二时间戳，并根据从所述标记子系统获取的第二时间戳进行与该第二时间戳对应的数据点的对齐。

本发明实施例提供的脑电装置中设置有标记子系统，中央处理系统控制发生事件，当事件发生时，通过低延迟的有线传输协议传输一事件发生信号给标记子系统，标记子系统接收到该事件发生信号时，立即通过低延迟的有线传输协议、或者无线通信协议发送当前时刻的时间戳给中央处理系统，以使中央处理系统根据该时间戳确定与该时间戳对应的事件发生时的数据，避免了延迟的问题，使得事件时间位置精准对齐脑电等数据位置。此外，当脑电装置包括多个采集子系统时，多个采集子系统的数据信息可以相互对齐，保证采集数据高精度同步；且本发明实施例提供的数据同步方法及脑电装置可以应用于多种刺激事件。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种脑电装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种脑电装置的数据同步方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的又一种脑电装置的数据同步方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的又一种脑电装置的数据同步方法的流程图；

图5是本发明实施例提供的又一种脑电装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种脑电装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的脑电装置100包括中央处理系统10、标记子系统20和至少一个采集子系统30，其中，图1以脑电装置100包括两个采集子系统30为例进行的说明。中央处理系统10，用于通过第一无线通信协议向标记子系统20和采集子系统30发送指令，以完成标记子系统20和采集子系统30的同步。采集子系统30，用于以预设频率采集数据信息和传输数据信息，并将数据信息对应的第一时间戳添加到数据包中，和数据信息一起发送至中央处理系统10；其中，数据包中的数据信息包括连续的第1信号数据点、…、第i-1信号数据点以及第i信号数据点，i为正整数；同时标记子系统20，用于根据中央处理系统10通过有线通信协议传输的事件发生信号发送事件发生信号对应时刻的第二时间戳。中央处理系统10，还用于通过第二无线通信协议接收采集子系统30发送的数据包，并通过有线通信协议、第一无线通信协议或第二无线通信协议从标记子系统20中获取当前的第二时间戳，并根据从标记子系统20获取的第二时间戳进行与该第二时间戳对应的数据点的对齐。

图2是本发明实施例提供的一种脑电装置的数据同步方法的流程图，如图2所示，本发明实施例提供的脑电装置的数据同步方法包括：

步骤110、中央处理系统通过第一无线通信协议向标记子系统和采集子系统发送指令，以完成标记子系统和采集子系统的同步。

其中，第一无线通信协议包括：udp协议或icmp协议等。标记子系统20和采集子系统30分别为两个独立的系统，标记子系统20用于传输时间戳，采集子系统30用于传输采集数据信息；或者，既传输数据信息又传输时间戳。其中，采集子系统30包括脑电采集装置、肌电采集装置和心电采集装置中的至少一种，相应的，数据信息包括脑电信号、肌电信号或心电信号。标记子系统20例如可以通过usb插在中央处理系统10上。

示例性的，在采集子系统30传输数据信息之前，中央处理系统10通过无线广播协议(如udp协议)同时发送指令给采集子系统30(例如为脑电采集装置)和标记子系统20，以完成标记子系统20和采集子系统30的同步。若有多个采集子系统30，由于采用udp广播方式，所有采集子系统30的时间戳也是对齐的。

可选的，标记子系统20包括第一芯片，采集子系统30包括第二芯片；第一芯片和第二芯片的芯片类型相同。即采集子系统30和标记子系统20使用嵌入式硬件相似，所以此时当标记子系统20和采集子系统30同时接到指令时可以完成高精度同步，并且后续采集时误差累积也较慢。

步骤120、采集子系统以预设频率采集数据信息和传输数据信息，并将数据信息对应的第一时间戳添加到数据包中，和数据信息一起发送至中央处理系统，同时标记子系统根据中央处理系统通过有线通信协议传输的事件发生信号发送事件发生信号对应时刻的第二时间戳。

其中，有线通信协议包括ttl、sdio协议、并口通信、串口通信、usb协议、hmdi协议中的一种。

数据包中既包括连续的信号数据点，又包括第一时间戳，连续的信号数据点包括第1信号数据点、…、第i-1信号数据点以及第i信号数据点；第一时间戳包括点计数形式或时间形式；时间形式例如为：与所述第1信号数据点对应的第1采样时间点、…、与所述第i-1信号数据点对应的第i-1采样时间点以及与所述第i信号数据点对应的第i采样时间点；其中，采样时间点可以为具体的时间，例如，与所述第1信号数据点对应的第1采样时间点为0.01s，与所述第2信号数据点对应的第2采样时间点为0.02s，…。点计数形式例如为：与信号数据点对应的序号，例如，与所述第1信号数据点对应的时间戳为1，与所述第2信号数据点对应的时间戳为2，…，与第i信号数据点对应的时间戳为i。

示例性的，当第一时间戳为时间形式时，标记子系统20和采集子系统30同步完成后，所有采集子系统30的时间戳和标记子系统20的时间戳以同样的时间间隔累加，且所有采集子系统30均以相同频率进行数据采集、传输。当事件发生时，通过低延迟的有线传输协议传输一事件发生信号给标记子系统20，标记子系统20将此时的时间戳，即第二时间戳，通过有线通信协议发送至中央处理系统10；其中，由于事件发生是单独的(例如，某一时刻发生闪光视觉刺激)，第二时间戳一般也是单个独立的。采集子系统30将包括连续的采样时间点以及与该连续的采样时间点对应的所有的信号数据点的数据包括发送至中央处理系统10。

需要说明的是，虽然信号传输过程中仍然有毫秒级的延迟，但是这一延迟为固定系统误差，可以通过数据处理消除。

步骤130、中央处理系统通过第二无线通信协议接收采集子系统发送的数据包，并通过有线通信协议、第一无线通信协议或第二无线通信协议从标记子系统中获取当前的第二时间戳，并根据从标记子系统获取的第二时间戳进行与该第二时间戳对应的数据点的对齐。

其中，第二无线通信协议包括：tcp/ip协议等。

示例性的，第一时间戳和第二时间戳，在本例中为点计数形式，如1，2，3，4……n，其中，n为总的采集点数。例如，系统的采样率为256hz，在t时刻总的采样点数为t*256，如果此时事件发生，则标记子系统20返回的第二时间戳为“t*256”，通过中央处理系统10即可知，采集子系统30返回的数据包中的第t*256个采样时间点的数据是该事件开始发生时的数据。即可精准确定事件发生时刻的数据位置。

由于现有技术中无线脑电采集系统和通用计算机中央处理系统进行脑电等数据传输，此时无线连接协议采用如tcp/ip等高延迟性协议，传输时间较长，实时性很差，因此当通用计算机中央处理系统产生事件时，不可直接读取采集系统中时间戳进行对齐。在本发明实施例中，当通用计算机中央处理系统产生事件时，可以通过有线连接传输至标记子系统20，以使标记子系统20及时将该事件对应的时间戳，避免了延迟问题，可以使事件时间位置精准对齐脑电等数据位置。

综上，本发明实施例提供的技术方案中，脑电装置中设置有标记子系统，中央处理系统控制发生事件，当事件发生时，通过低延迟的有线传输协议传输一事件发生信号给标记子系统，标记子系统接收到该事件发生信号时，立即通过低延迟有线传输协议或无线传输协议发送当前时刻的时间戳给中央处理系统，以使中央处理系统根据该时间戳确定与该时间戳对应的事件发生时的数据避免了延迟的问题，使得事件时间位置精准对齐脑电等数据位置。此外，当脑电装置包括多个采集子系统时，多个采集子系统的数据信息可以相互对齐，保证采集数据高精度同步；且本发明实施例提供的数据同步方法及脑电装置可以应用于多种刺激事件。

可选的，图3是本发明实施例提供的又一种脑电装置的数据同步方法的流程图，该脑电装置的数据同步方法与上述各实施例的脑电装置的数据同步方法属于同一发明构思，在该实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述脑电装置的数据同步方法的实施例。如图3所示，本发明实施例提供的脑电装置的数据同步方法包括：

步骤211、中央处理系统通过第一无线通信协议向标记子系统和采集子系统发送准备开始同步指令。

其中，中央处理系统10通过第一无线通信协议向标记子系统20和采集子系统30发送准备开始同步指令，即中央处理系统10确定标记子系统20和采集子系统30此时是否可以同步。

步骤212、标记子系统和采集子系统根据准备开始同步指令向中央处理系统回应以准备完成指令。

其中，标记子系统20和采集子系统30根据该准备开始同步指令，向中央处理系统回应此时可以进行同步。

步骤213、中央处理系统根据准备完成指令确定标记子系统和采集子系统以完成准备开始同步，并通过第一无线通信协议向标记子系统和采集子系统发送同步指令，以使标记子系统根据同步指令重置其时间戳和采集子系统根据同步指令重置其时间戳。

其中，中央处理系统10接收到标记子系统20和采集子系统30可以进行同步的消息时，此时中央处理系统10通过第一无线通信协议向标记子系统20和采集子系统30发送同步指令，以使标记子系统20根据同步指令重置其时间戳和采集子系统30根据同步指令重置其时间戳，以完成标记子系统20和采集子系统30的同步。

步骤220、采集子系统以预设频率采集数据信息和传输数据信息，并将数据信息对应的第一时间戳添加到数据包中，和数据信息一起发送至中央处理系统，同时标记子系统根据中央处理系统通过有线通信协议传输的事件发生信号发送事件发生信号对应时刻的第二时间戳；其中，所述数据包中的所述数据信息包括连续的第1信号数据点、…、第i-1信号数据点以及第i信号数据点，i为正整数。

步骤230、中央处理系统通过第二无线通信协议接收采集子系统发送的数据包，并通过有线通信协议、第一无线通信协议或第二无线通信协议从标记子系统中获取当前的第二时间戳，并根据从标记子系统获取的第二时间戳进行该第二时间戳对应的数据点的对齐。

可选的，图4是本发明实施例提供的又一种脑电装置的数据同步方法的流程图，该脑电装置的数据同步方法与上述各实施例的脑电装置的数据同步方法属于同一发明构思，在该实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述脑电装置的数据同步方法的实施例。如图4所示，本发明实施例提供的脑电装置的数据同步方法包括：

步骤311、中央处理系统通过第一无线通信协议向标记子系统和采集子系统发送准备开始同步指令。

步骤312、标记子系统和采集子系统根据准备开始同步指令向中央处理系统回应以准备完成指令。

步骤313、中央处理系统根据准备完成指令确定标记子系统和采集子系统以完成准备开始同步，并通过第一无线通信协议向标记子系统和采集子系统发送同步指令，以使标记子系统根据同步指令重置其时间戳和采集子系统根据同步指令重置其时间戳。

步骤314、中央处理系统通过第一无线通信协议同时向至少一个采集子系统和标记子系统发送同步查询指令。

其中，标记子系统20根据同步指令重置其时间戳和采集子系统30根据同步指令重置其时间戳后，中央处理系统10通过第一无线通信协议向至少一个采集子系统30和标记子系统20发送同步查询指令，以确定至少一个采集子系统30的时间戳和标记子系统20的时间戳是否一致。

步骤315、采集子系统根据同步查询指令向中央处理系统回应此时的第一初始时间戳，以及标记子系统根据同步查询指令向中央处理系统回应此时的第二初始时间戳。

其中，采集子系统30和标记子系统20通过udp回复中央处理系统10。例如，采集子系统30和标记子系统20都在同一时间，通过udp向中央处理系统10回复一个时间，即为起始时间，其中，采集子系统30根据同步查询指令向中央处理系统10回应的时间为第一时间戳，以及标记子系统20根据同步查询指令向中央处理系统10回应的时间为第二初始时间戳。

步骤316、中央处理系统判断第一初始时间戳和第二初始时间戳的差值是否在第一预设范围内。

步骤317、若第一初始时间戳和第二初始时间戳的差值在第一预设范围内，则完成标记子系统和采集子系统的同步；

步骤318、若第一初始时间戳和第二初始时间戳的差值不在第一预设范围内，则返回至步骤313，直至第一初始时间戳和第二初始时间戳的差值在第一预设范围内。

例如采集子系统30回应现在的时间为1s，标记子系统20回应现在的时间也为1.1s，则这个差值足够小，则表明标记子系统20和采集子系统30同步完成。如果采集子系统30回应现在的时间为1s，标记子系统20回应现在的时间为2s，说明没有同步好，需要重新同步，直至第一初始时间戳和第二初始时间戳的差值在第一预设范围内。

步骤320、采集子系统以预设频率采集数据信息和传输数据信息，并将数据信息对应的第一时间戳添加到数据包中，和数据信息一起发送至中央处理系统，同时标记子系统根据中央处理系统通过有线通信协议传输的事件发生信号发送事件发生信号对应时刻的第二时间戳；其中，数据包中的所述数据信息包括连续的第1信号数据点、…、第i-1信号数据点以及第i信号数据点，i为正整数；。

步骤330、中央处理系统通过第二无线通信协议接收采集子系统发送的数据包，并通过有线通信协议、第一无线通信协议或第二无线通信协议从标记子系统中获取当前的第二时间戳，并根据从标记子系统获取的第二时间戳进行与该第二时间戳对应的数据点的对齐。

可选的，图5是本发明实施例提供的又一种脑电装置的结构示意图，如图5所示，本发明实施例提供的中央处理系统10包括数据处理模块11、第一有线通信模块12和第一无线通信模块13。标记子系统20包括第二有线通信模块21和第二无线通信模块22；采集子系统30包括数据采集处理模块31和网络通信模块32；第一有线通信模块12用于和第二有线通信模块21通过有线通信协议建立有线连接；第一无线通信模块13用于和第二无线通信模块22通过第一无线通信协议建立无线网络连接；还用于和网络通信模块32通过第一无线通信协议和第二无线通信协议建立无线网络连接；数据处理模块11用于通过中央处理系统10中的第一无线通信模块以第一无线通信协议向标记子系统20和采集子系统30发送指令，以完成标记子系统20和采集子系统30的同步；数据采集处理模块31用于以预设频率采集数据信息和传输数据信息，并将数据信息对应的第一时间戳添加到数据包中，和数据信息一起发送至数据处理模块11，同时标记子系统20根据数据处理模块11通过有线通信协议传输的事件发生信号发送事件发生信号对应时刻的第二时间戳；数据处理模块11还用于通过第二无线通信协议接收采集子系统30发送的数据包，并通过有线通信协议、第一无线通信协议或第二无线通信协议从标记子系统20中获取当前的第二时间戳，并根据从标记子系统20获取的第二时间戳进行与该第二时间戳对应的数据点的对齐。

也就是说，数据处理模块11的功能包括内部触发事件产生、数据接收、数据与事件的对齐与处理。中央处理系统10中的第一无线通信模块13通过第一无线通信协议与标记子系统20中的第二无线通信模块22以及采集子系统30中的网络通信模块32建立无线网络连接，以进行时间戳对齐控制。中央处理系统10中的第一有线通信模块12和标记子系统20中的第二有线通信模块21通过有线通信协议建立有线连接，以通过有线通信协议传输数据处理模块11产生的触发事件信号至标记子系统20，避免了延迟的问题。中央处理系统10中的第一无线通信模块13通过第二无线通信协议与采集子系统30中的网络通信模块32建立无线网络连接，以使采集子系统30中的数据处理模块31按设定采样频率采集的数据发送至数据处理模块11。数据处理模块11根据接收的数据包，以及通过有线通信协议、第一无线通信协议或第二无线通信协议从标记子系统中获取当前的第二时间戳，进行与该第二时间戳对应的数据点的对齐。此外，采集子系统30与标记子系统20之间还可通过第一无线通信协议进行通信，第一无线通信协议为广播通信协议，只接发数据不交互。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。