一种基于侵入式脑机接口的多蓝牙数据汇聚系统和方法

本发明属于无线侵入式神经信号采集，具体涉及一种基于侵入式脑机接口的多蓝牙数据汇聚系统和方法。

背景技术：

1、侵入式脑机接口是当前研究脑科学所需的重要仪器。侵入式脑机接口具有不受肌电干扰、信噪比高、信息量丰富、采集点精准等优点，在研究大脑神经感觉功能、运动功能、人脑意识以及神经系统疾病诊疗等方面具有广阔前景。无线传输技术使得脑机接口设备能够完全植入在人或灵长类动物颅骨内部，无需电缆即可进行通信，给予实验对象充分的活动空间。在脑机接口实验复杂化的背景下，无线侵入式脑机接口将迎来更加广泛的应用。

2、无线侵入式脑机接口采集两种类型的神经信号：lfp(local field potential，局部场电位)和ap(action potential，动作电位)。ap频率在1khz以上，lfp频率在200hz以下。为采集到两种信号，脑机接口采样率一般为30ksa/s，分辨率为16位，单通道数据量为480kbps。因此，无线传输速率应在480kbps以上。

3、无线传输技术日新月异，种类繁多，包括zigbee、wifi、uwb(ultra-wideband，超宽带)、nfc(near field communication，近场通信)、bluetooth 5.0等。zigbee具有低功耗、低成本的特点，但传输速率仅有250kbps，并不适合神经信号数据传输。wifi传输速率高、传输距离远，但是发热明显，容易伤害脑组织。uwb利用纳秒(ns)至皮秒(ps)级的窄脉冲传输数据，传送速率高、功耗低、抗干扰能力强，但缺少成熟的软硬件解决方案。nfc通信距离仅为厘米级，难以在神经信号传输中得到应用。bluetooth 5.0能提供2mbps传输速率，且具有低功耗、低延迟特性，十分适合用于传输神经信号。

4、采集器作为侵入式脑机接口最重要的设备之一，其通过电极连接神经元集群，通过adc器件进行模数转换后传输到后级进行分析和处理。一个采集器通常仅能采集实验动物单个脑区的神经信号，而在某些侵入式脑机接口实验当中，需要对多只实验动物的多个脑区进行同步采集，因而需要多个采集器同步工作。另外，采集器分为有线传输和无线传输两种。有线采集器由于电缆的束缚，限制了动物的活动能力，而无线采集器没有电缆的束缚，能够应用于自由活动的动物实验。由于无线传输技术中的蓝牙传输技术具有低功耗、低延迟特性，蓝牙采集器被普遍用于采集传输神经信号。

5、然而，目前蓝牙采集器需要解决的问题是，同一台pc机连接多个蓝牙采集器会分散带宽，无法提升总带宽。例如，多脑区运动-神经环路实验需要多个蓝牙采集器采集不同脑区的神经信号，每个蓝牙采集器带宽为2mbps，而pc机只支持一个蓝牙适配器，只能分时接收数据，带宽甚至小于2mbps。因此，需要一台具有多个蓝牙适配的桥接设备，将多个蓝牙采集器的数据汇总到一起，并传送给后级进行处理和分析。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明的目的是提供一种基于侵入式脑机接口的多蓝牙数据汇聚系统和方法，通过多个蓝牙神经信号采集子系统同时采样多通道神经信号数据，并通过多组蓝牙模块传输，在桥接子系统上基于fpga实现多通道数据汇聚，将数据打包整合发送至pc机器用于后续处理分析，能够保证pc机带宽不下降，实现数据高效传输，适用于多通道神经信号的采集传输应用场景。

2、为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

3、本发明实施例提供的一种基于侵入式脑机接口的多蓝牙数据汇聚系统，包括：

4、至少一个蓝牙神经信号采集子系统、桥接子系统和pc机；

5、所述蓝牙神经信号采集子系统采集单通道或多通道神经信号，通过蓝牙与桥接子系统连接，接收桥接子系统的控制命令，向桥接子系统发送神经信号数据及状态信息，多个蓝牙神经信号采集子系统之间互相独立，互不通信；

6、所述桥接子系统向蓝牙神经信号采集子系统发送控制命令，接收蓝牙神经信号采集子系统发送的神经信号数据及状态信息，并按照指定格式打包神经信号数据，通过wifi或以太网发送到pc机；

7、所述pc机通过计算机软件向桥接子系统发送控制命令，接收桥接子系统发送的神经信号数据及状态信息。

8、优选地，所述蓝牙神经信号采集子系统包括：前级处理单元和从端蓝牙模块；所述前级处理单元用于实现神经信号的模数转换，从端蓝牙模块用于实现蓝牙神经信号采集子系统和桥接子系统之间的通信。

9、优选地，实际工作的从端蓝牙模块数量为n个，满足条件1≤n≤37，从端蓝牙模块之间相互独立，单独工作。

10、优选地，所述桥接子系统包括：主端蓝牙模块、fpga芯片、wifi模块和以太网模块；

11、蓝牙神经信号采集子系统的从端蓝牙模块与桥接子系统的主端蓝牙模块为一对一连接，桥接子系统最多与全部蓝牙神经信号采集子系统连接，整体上形成多对多的蓝牙通信方式；桥接子系统预留多个主端蓝牙模块接口，实际使用的主端蓝牙模块数量由用户自行配置；

12、所述fpga芯片用于按指定格式将主端蓝牙模块上传的数据打包；

13、所述wifi模块和以太网模块分别用于通过wifi或以太网将打包的数据发送到pc机。

14、优选地，主端蓝牙模块的数量为m个，从端蓝牙模块数量为n个，蓝牙协议的数据通道数为37个，满足条件1≤n≤m≤37。蓝牙协议规定了3个广播信道和37个数据信道，一对连接成功的蓝牙设备独占一个数据信道传递信息。

15、优选地，从端蓝牙模块和主端蓝牙模块仅有连接关系，无配对关系，系统下一次上电启动后，主端蓝牙模块能够连接任意可用的从端蓝牙模块，而非配对好的唯一一个从端蓝牙模块。

16、优选地，所述fpga芯片用于按指定格式将主端蓝牙模块上传的数据打包，其中的指定格式包括：头部、数据段总数、对应关系、数据段1-k和尾部；

17、所述头部用于表示数据包的开始；

18、所述数据段总数用于表示连接上的蓝牙神经信号采集子系统个数；

19、所述对应关系用于表示蓝牙神经信号采集子系统临时编码和数据段对应关系；

20、所述数据段1-k包括数据段1、数据段2、…、数据段k，分别代表一个连接上的蓝牙神经信号采集子系统数据；

21、所述尾部用于表示数据包的结尾。

22、优选地，所述wifi模块和以太网模块，其中wifi模块提供最高300mbps的传输带宽，以太网模块提供最高1000mbps的传输带宽。

23、为实现上述发明目的，本发明实施例还提供了一种基于侵入式脑机接口的多蓝牙数据汇聚方法，包括以下步骤：

24、前级处理单元接收神经信号进行模数转换得到神经信号数据；

25、从端蓝牙模块与主端蓝牙模块完成蓝牙连接并传输神经信号数据；

26、fpga芯片和主端蓝牙模块通信，获取从端蓝牙模块与主端蓝牙模块的连接信息并建立连接表，通过wifi模块或以太网模块将连接表发送给pc机；

27、pc机向fpga芯片发起传输开始命令，fpga芯片根据连接表向连接成功的主端蓝牙模块分发传输开始命令；

28、主端蓝牙模块接收传输开始命令后将神经信号数据发送给fpga芯片，fpga芯片将来自不同主端蓝牙模块的神经信号数据整合为一个数据包发送至pc机；

29、pc机根据连接表解析数据包，将数据包内来自不同主端蓝牙模块的神经信号数据分别存入不同的缓存当中，用于后续的处理和分析。

30、优选地，每个从端蓝牙模块设有唯一序列号，每个主端蓝牙模块设有唯一序列号，互不相同，连接表中含有主端蓝牙模块和从端蓝牙模块的序列号信息以及对应关系。

31、与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

32、本发明提供的系统和方法能够同步采集多只清醒实验动物的神经信号，或单只清醒动物多个脑区的神经信号，通过多组蓝牙连接传输神经信号数据，利用桥接子系统将多通道神经信号数据汇聚打包后传输到pc机进行后续处理分析，每组蓝牙连接相互独立且互不干扰，能够保证带宽不下降，提高了数据传输效率，具有一定的工程应用价值。