一种脑电装置的精确无线数据同步方法与流程

本发明涉及一种无线数据传输方法，特别是能够实现精确的无线数据同步的方法，以及实现该方法的装置。

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认知过程中的神经电生理变化，因此被广泛应用于神经科学、心理学等领域。基于ERP的脑电系统除了必不可少的声光电刺激器和脑电采集系统，有时需要结合一些其他信息如附图1中的各种环境变量和其他生理信号以探索新的实验范式和开发有实用价值的基于ERP的脑电装置，如基于视觉诱发电位的字母输入器，基于脑机接口的环境控制器等。事件相关诱发电位的潜伏期与刺激之间有较严格的锁时关系，即事件相关诱发电位在给予刺激后一段特定的时间内瞬时出现。这一固定的时间延迟是事件相关诱发电位的重要特征，因此在记录事件相关诱发电位时，必须在采集脑电的同时准确记录下刺激发生的时刻，时间误差要求在±1ms以内。现有能够满足该精度要求的技术方案均为有线传输方案，根据同步触发信号的不同分为模拟与数字两种。

1.模拟方案。

该方案将刺激系统产生的同步触发信号（一般为脉冲或具有一定特征的电压变化）作为多导联脑电采集系统的一路模拟输入信号，连同其他导联的脑电信号一起采集，通过分析各个同步信号导联的数据，识别触发信号来标记刺激的起始时间点。

2.数字方案。

该方案要求刺激器能够产生若干位（由所采用接口PIN数而定）TTL电平信号，通过特定接口传输至脑电采集系统，作为同步数字信号输入。同步信号触发脑电采集系统在当前所采集到的脑电数据中加上与同步数字信号对应的标签，标记刺激起始时间。

现有的模拟和数字同步方案存在如下缺点：

1. 均为有线传输方案，要求刺激器与脑电采集系统必须有线连接，极大限制了实验和相关系统开发的灵活性。

2. 现有无线连网方案受传输速度和效率的限制，同步触发信号的一组有线连接一次只能将一种刺激触发信号传输给一个脑电采集系统，难以实现多种刺激系统，以及多种同步采集的生理参数与脑电采集系统的同步。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种使用无线网络连接的脑电装置数据同步方法。

本发明通过如下的技术方案实现。

一种脑电装置的精确无线事件同步方法，所述脑电装置包括中央处理系统和至少一个采集子系统，所述方法包括以下步骤：

（1）同步子钟对准；通过与所述中央处理系统的母钟进行多次对时的方法完成各个采集子系统的子钟之间的同步计时；其中，每一次对时包括以下步骤：

（1.1）所述中央处理系统通过第一通信协议向所有采集子系统的子钟无线地发出同步数据；转到步骤（1.2）；

（1.2）采集子系统在收到所述同步数据后，将采集子钟的时间戳重置；转到步骤（1.3）；

（1.3）中央处理系统随后查询所有采集子系统是否收到之前发出的唯一信息，如果收到则说明同步成功并转到步骤（2），否则转到步骤（1.1）；

（2）子系统数据与同步信号数据整合传输；

所述采集子系统按各自既定的频率发放刺激、采集数据和传输数据；同步后的子钟将时间戳加到每一个数据包中随数据信息一起通过第二通信协议向中央处理系统发送，且每个数据包只加一个时间戳，各个子系统数据中包含的时间戳在误差范围内是同步的；

所述中央处理系统根据实际需求结合接收到所述数据信息进行数据对齐和处理；

其中，所述第一通信协议为无连接的通信协议，所述第二通信协议为面向连接的通信协议。

优选地，所述第一通信协议为UDP协议或ICMP协议；所述第二通信协议为TCP/IP协议。

优选地，所述同步数据包含了该次同步发起时刻中央处理系统的唯一信息，例如母钟的时间戳；

所述中央处理系统的母钟向所有采集子系统的子钟同时发出对时信号，每一个所述子钟所在的所述采集子系统若接收到此对时信号则发送返回信号；当所述母钟所在的所述中央处理系统收到所有子钟的返回信号，即完成一次对时。

优选地，共进行三次对时，每次对时过程中，由母钟发出同步数据，各个子钟监测到这个同步数据后，也将输出返回数据以回应；母钟在检测到各个子钟均完成了返回数据输出时，完成一次对时；在三次对时之后，由母钟再发出一次同步数据，所有的子钟在监测到该数据后同时使能内部的同步计时器，以0.1ms递增，完成初始同步。

优选地，所述数据包中只包括一个时间戳。

优选地，所述数据包中的数据信息包括刺激事件。

优选地，所述数据包中的数据信息包括环境变量。

优选地，所述数据包中的数据信息包括相关生理参数。

优选地，所述中央处理系统进行数据对齐和处理时结合所述数据信息的位数、长度、采样率和/或发包率。

本发明还提供了一种用于实施根据以上技术方案中任一项所述的方法的脑电装置，包括：

中央处理系统，具有：母钟，能够在多次对时过程中提供对时信号；数据处理装置，能够对接收到各种数据信息进行数据对齐和处理；以及网络通信模块，能够通过第一通信协议和第二通信协议无线地建立网络连接；

至少一个采集子系统，其中的每一个采集子系统具有：

子钟，其通过第一通信协议与所述中央处理系统的母钟进行多次对时，从而完成各个采集子系统的子钟之间的同步计时；以及

数据发送装置，其通过第二通信协议按各自既定的频率发放刺激、采集数据和传输数据；同步后的子钟将时间戳加到每一个数据包中随数据信息一起发送，且每个数据包只加一个时间戳，各个子系统数据中包含的时间戳在误差范围内是同步的。

通过以上技术方案，本发明能够取得如下的技术效果。

1.能够实现外部设备与脑电采集系统的无线同步，精度在1ms以内。

2.能够实现多种刺激、环境变量、生理参数与脑电信号的同步。

附图说明

图1：无线同步系统用于脑电相关系统的架构图。

图2：无线同步系统中母钟与子钟的连接拓扑图。

图3：母钟与子钟建立同步流程图。

图4：对时过程的信号序列图。

具体实施方式

附图1所示的是一根据本发明的应用了无线同步系统的脑电相关系统，包括：

一中央处理系统，具有：母钟，能够在多次对时过程中提供对时信号；数据处理装置，能够对接收到各种数据信息进行数据对齐和处理；以及网络通信模块，能够通过第一通信协议和第二通信协议无线地建立网络连接；

至少一个采集子系统，其中的每一个采集子系统具有：

一子钟，其通过第一通信协议与所述中央处理系统的母钟进行多次对时，从而完成各个采集子系统的子钟之间的同步计时；以及

一数据发送装置，其通过第二通信协议按各自既定的频率发放刺激、采集数据和传输数据；同步后的子钟将时间戳加到每一个数据包中随数据信息一起发送，且每个数据包只加一个时间戳，各个子系统数据中包含的时间戳在误差范围内是同步的。

优选地，该系统[HX1] 等。

所述数据包中只包括一个时间戳。

优选地，所述数据包中的数据信息包括刺激事件。

优选地，所述数据包中的数据信息包括环境变量。

优选地，所述数据包中的数据信息包括相关生理参数。

优选地，所述中央处理系统进行数据对齐和处理时结合所述数据信息的位数、长度、采样率和/或发包率。

母钟与子钟分别由嵌入式实时系统进行控制，系统晶振精度在10ppm以下，以保证在对时之后，脑电数据采集的过程中，不同子钟时间戳的计时偏差在1ms以内。

该脑电相关系统的无线数据同步方法包括以下步骤。

1.同步子钟对准。

在初始阶段，通过与同步母钟进行三次握手的方法完成各个子钟之间的同步计时。在对准阶段，子钟所在的采集子系统与母钟所在的中央处理系统通过无线方式建立网络连接。

母钟当发送对准信号时，以无线电广播的形式同时向所有子钟发送同一对准信号。子钟位于所述刺激器、所述环境变量采集设备、所述生理信号采集设备、所述脑电采集设备的一个或几个之中。中央处理系统向各个采集子系统发送同步数据时，为了保证通信的速率与效率，需要采用无连接的通信协议，并且优选地采用UDP协议。可选地，中央处理系统也可以通过其他无连接通信协议发送同步数据，诸如ICMP协议。

母钟与子钟对准过程如附图3所示。母钟所在的中央处理系统向所有子钟同时发出对时信号，每一个同步子钟所在系统若接收到此对时信号则发送返回信号。该返回信号一般通过面向连接的通信协议发送，诸如TCP/IP协议。

当母钟所在的中央处理系统收到所有子钟的返回信号，算完成一次对时。按照同样的方式连续进行三次对时，母钟立即发出开始计时信号，子钟接受到该信号后同步同时使能各自系统内的计时器，同步子钟对准阶段结束。

具体流程如下：共进行三次对时，每次对时过程中，由母钟发出同步数据，各个子钟监测到这个同步数据后，也将输出返回数据以回应；母钟在检测到各个子钟均完成了返回数据输出时，完成一次对时；在三次对时之后，由母钟再发出一次同步数据，所有的子钟在监测到该数据后同时使能内部的同步计时器，以0.1ms递增，完成初始同步。母钟与子钟存在delay的情况下通过3次对时实现初始同步，对时过程的信号序列如图4所示。

2.子系统数据与同步信号数据整合传输。

完成子钟对准后，子钟使能，以0.1ms递增，各子系统按各自既定的频率发放刺激、采集数据和传输数据。同步后的子钟将时间戳加到每一个数据包中随数据信息一起发送，且每个数据包只加一个时间戳，不同系统数据中包含的时间戳在误差范围内是同步的。各个采集子系统向中央处理系统传输数据包时，为了保证数据的完整性与正确性，需要采用面向连接的通信协议，诸如TCP/IP协议。

根据实际需要的不同，各个采集子系统向中央处理系统发送数据的格式均会有所差异，如数据位数、长度、采样率、发包率等。对诸如温度、湿度等变化较慢的环境变量，数据的采样率低、发包率高、每包数据量低；而脑电数据变化快，至少100Hz采样率，对精度要求高，则数据的发包率适中，每包数据量较大；刺激信号一旦出现必须发送，则会出现发包率不固定、每包数据只有时间戳等情况。

中央处理系统负责根据实际需求结合接收到各种数据的位数、长度、采样率、发包率等信息进行数据对齐和处理。数据对其和处理的具体方式方法与不同系统的预期要求不同而不同，可采用现有技术中的任何技术方案，非本发明主要内容，不做详述或举例。