一种基于串口输出数字触发信号的脑电刺激器及其实施方法

摘要

本发明公开一种基于串行接口的脑电刺激器及实施方法，涉及医疗器械领域，包括，脑电刺激控制部分和通信装置。其中，脑电刺激控制部分包括设计器和播放器；设计器作为设计脑电刺激器控制部分流程的工具，提供使用者自行设计脑电刺激器控制部分的流程；播放器作为脑电刺激器的计算机显示工具，用于播放图片、声音刺激等；通信装置，作为计算机与脑电仪（脑电采集系统）通信交互的工具，用于计算机向脑电仪发送与刺激同步的数字触发信号。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及事件相关电位检测相关的脑电刺激器。

背景技术

近年来，随着认知神经科学研究的突飞猛进，ERP更是受到脑科学界更为广泛的关注。ERP（事件相关电位）指的是凡是外加一种特定的刺激，作用于感觉系统或脑的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，在脑区所引起的电位变化。目前，脑电ERP刺激器通常采用计算机的并口输出数字触发(trigger)信号，比如Eprime以及STIM2刺激系统。STIM 2刺激生成系统是一套可编程的脑电刺激器软件，由Neuroscan公司有偿提供。此外，在脑机接口的研究中，需要视觉、听觉或体感等刺激信号时，也需要刺激器产生相应的刺激，在刺激同时输出与刺激同步的数字触发信号，目前脑机接口的刺激器也多采用计算机并口输出触发信号。但是现在的电脑尤其是笔记本绝大多数无并口配置，计算机标准配置只提供RS232串口或USB接口。因此，采用计算机并口输出的ERP刺激器在使用过程中在选择计算机上受到限制，使用不便。

现有的脑电刺激器的主要功能是提供听觉、视觉等刺激，实现图片、声音等刺激的播放，并在播放的同时以并行数据传输的方式向脑电仪发送触发信号。触发信号与播放对象没有关联，但是现在的电脑绝大多数无并口配置，计算机标准配置只提供RS232串口或USB接口。

胡剑锋、尹晶海、穆振东等在2007年7月信阳师范大学学报：自然科学版第20卷第3期发表《基于脑电的脑机接口刺激系统的研制》。文中描述了一种脑电刺激器的设计。但数据传输仍然采用并行接口，并且播放对象与循环关联度不够，没有实现同步触发，使得脑电刺激器刺激效果不理想，在选择计算机上同样存在限制。

发明内容

本发明针对目前脑电刺激器的上述不足，提供一种基于串口输出刺激同步触发数字信号的脑电刺激器。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：提供一种基于串口输出触发信号的脑电刺激器包括脑电刺激控制部分和串口通信装置。脑电刺激控制部分包括设计器、播放器，采用.net模式。设计器作为设计脑电刺激器控制部分流程的工具，提供使用者自行设计脑电刺激器控制部分的流程。使用者可通过设计器完成设计脑电刺激实验的流程、选择脑电刺激的方式（如声音、图片、文字等刺激）、设置脑电刺激的顺序、以及各种刺激的呈现时间、设置触发信号等操作。播放器作为脑电刺激器的计算机显示工具，用于计算机按照设计的脑电刺激流程播放相应的脑电刺激（如声音、图片、文字等刺激），并在播放同时向USB接口发送设置的触发信号。

具体技术方案为：一种基于串口输出触发信号的脑电刺激器，包括，脑电刺激控制部分、串口通信装置，脑电刺激控制部分包括设计器、播放器，设计器设计脑电刺激器控制部分流程，添加图片、声音、文字，并编辑它们播放的顺序、播放时间、播放时发送数字触发信号，发送到播放器；播放器作为脑电刺激器的显示控制部分，用于播放根据触发信号控制的图片、声音、文字刺激信号；串口通信装置实现计算机与脑电刺激器的通信交互，用于计算机接收脑电刺激信号，并接收计算机向脑电刺激器采集系统发送的与脑电刺激信号同步的数字触发信号。

脑电刺激控制部分中设计器提供一个播放对象类控制单元和一个循环类控制单元，播放对象类控制单元控制播放器的文件类型、播放时间、文件地址、触发信号编码；循环类控制单元控制播放器的循环次数、循环对象；设计器设计脑电刺激器控制部分流程具体包括：根据触发信号编辑脑电刺激方案，增加播放器的循环次数、循环对象，并将同一循环对象内的播放对象以队列结构排列，并设置循环对象属性。所述串口通信装置具体包括：USB转换模块、单片机功能模块、并口输出模块；USB转换模块的USB收发数据端口接收计算机USB端口发送的与脑电刺激同步的数字触发信号，USB转换模块将接收到的触发信号处理成串行信号，通过其串口发送端口发送至单片机功能模块的串行数据接收端，单片机功能模块对接收到的串行数据进行编码，转换成8位2进制并行数据，单片机功能模块将该并行数据输出至并口输出模块的锁存器锁存，锁存器输出并行数据至并口输出模块的并口母头，并口母头通过并行接口线与脑电刺激器的数字触发信号输入接口相连接。USB转换模块包括PL2303USB转换芯片、电源滤波电路和USB接口，电源滤波电路由电容串联构成；触发信号通过USB接口的数据收发端口与计算机进行交互，通过PL2303USB转换芯片的数据收发端口与单片机进行交互，并口输出模块采用芯片74573。播放器读取所有循环的循环次数，根据循环次数重复遍历循环内的循环对象，同时在播放界面的控件PictureBox或Windows Media Player播放循环对象元素，播放器每次播放刺激元素时会通过serialPort控件向通信装置发送数字触发信号。

串口通信装置包括：以PL2303为核心的USB转换模块（A）、以单片机（8052）为核心的功能模块（B）、以74573为核心的并口输出模块（C）、和USB供电电源电路（D）。串口通信装置的输入端通过USB转换模块与计算机USB接口连接，输出端通过并口输出模块的保持电路及并口母头与脑电仪连接，如与Neuroscan脑电仪的数字触发输入端连接。由USB电源供电模块提供供电。USB转换模块包括PL2303USB转接芯片、电源滤波电路和USB接口，电源滤波电路由电容C08、CJ2串联构成；触发信号由USB接口的数据收发端口（D1、D2口）与计算机进行交互，由PL2303的数据收发端口（D10、D11口）与单片机进行交互。

本发明还提出一种基于串口输出触发信号的脑电刺激器实施方法，脑电刺激控制部分中设计器设计脑电刺激器控制部分流程，添加图片、声音、文字，并编辑它们播放的顺序、播放时间、播放时发送数字触发信号，发送到播放器；播放器作为脑电刺激器的显示控制部分，用于播放根据触发信号控制的图片、声音、文字刺激信号；串口通信装置实现计算机与脑电刺激器的通信交互，用于计算机接收脑电刺激信号，并接收计算机向脑电刺激器采集系统发送的与脑电刺激信号同步的数字触发信号

    设计器提供一个播放对象类和一个循环类。播放对象类的属性包括文件类型、播放时间、文件地址、触发信号编码等；循环类的属性包括循环次数、循环对象等。设计器设计脑电刺激器控制部分流程，编辑脑电刺激方案通过增加播放对象以及循环对象，并将播放对象与循环类关联，其关联方法是将同一循环内的播放对象以队列的数据结构排列，并设置为循环的循环对象属性。播放器读取所有循环的循环次数，根据循环次数重复遍历循环内的循环对象，在触发信号的控制下同时在播放界面的图片显示控件PictureBox或声音播放控件（比如Windows Media Player）播放循环对象元素。播放器读取所有循环的循环次数，根据循环次数重复遍历循环内的循环对象，同时在播放界面的图片显示控件PictureBox或声音播放控件（比如Windows Media Player）播放循环对象元素。播放器在播放循环对象元素的同时可以通过串口serialPort控件向通信装置发送数字触发信号。

本发明提供的基于串口输出触发信号的脑电刺激器，通过采用串行输入、并行输出的通讯装置，用于脑电刺激器与计算机之间在播放对象文件是提供同步触发控制信号，能够有效提高刺激的效果和接收信号的准确率，并且在计算机与脑电仪的通信交互中，便于选用通用的计算机来实现脑电刺激器。

附图说明

图1为本发明整体的结构框图；

图2为本发明通信装置的结构框图；

图3为本发明脑电刺激器控制部分运行设计器的流程图；

图4为本发明脑电刺激器控制部分运行播放器的流程图。

图5为本发明脑电刺激器串口通讯装置的结构连接图。

具体实施方式

图1为本发明整体的结构框图。参见图1，本发明脑电刺激器主要包括：设计器与播放器组成的脑电刺激控制部分和通信装置。设计器作为设计脑电刺激器控制部分流程的工具，提供使用者设计脑电刺激器控制部分的流程；播放器作为脑电刺激器的计算机显示工具，用于播放使用者需要的图片、声音刺激等。串口通信装置作为计算机与脑电仪（如Neuroscan脑电仪）通信交互的工具，用于计算机向脑电仪发送与刺激同步的数字触发信号。

图2为本发明串口通信装置包括：以PL2303为核心的USB转换模块（A）、以单片机（8052）为核心的功能模块（B）、以74573为核心的并口输出模块（C）、和USB供电电源电路（D）。串口通信装置的输入端通过PL2303转换芯片与计算机USB接口连接，输出端通过并口输出模块的保持电路及并口母头与脑电仪的数字触发输入端口相连接

图3为本发明脑电刺激器控制部分设计器的程序流程图。脑电刺激器控制部分设计器的程序流程如图所示：

① 先建立一个存放循环的队列；

② 检测需要设计的脑电刺激程序里是否要添加循环节点，若有循环节点需要添加，则在循环队列中添加一个循环节点；

③ 检测循环节点内是否要添加元素节点，若有元素需要添加，则添加元素节点；

④ 若循环节点内没有要添加的元素节点，则重复第2步中的操作；

⑤ 若循环内没有要添加的循环节点，则结束设计程序。

图4为本发明脑电刺激器控制部分播放器的程序流程图。脑电刺激器控制部分播放器的程序流程如图所示：

① 先读取一个循环的队列；

② 检测循环队列里是否有循环节点，若有循环节点，则读取循环队列中一个循环节点；

③ 检测循环节点内是否有元素节点，若有元素需要添加，则播放元素节点；

④ 若循环节点内没有元素节点，则重复第2步中的操作；

⑤ 若循环内没有循环节点，则结束播放程序。

本发明脑电刺激器控制部分播放器播放图像采用.net图形处理类库中提供的函数，持在Windows XP及其高版本系统环境下运行的。

在本发明脑电刺激器控制部分播放器中，每个元素节点都包含多种属性，如触发信号、播放时间等。

数字触发信号属性的作用是每次播放元素节点开始时计算机要以串行数据的形式通过脑电刺激器串口通讯装置将触发信号属性发送给脑电仪。

脑电刺激器控制部分发送串行触发信号.net采用串口类库支持在Windows XP及其高版本系统环境下运行的。

串口通信装置的作用是接受计算机发出的触发信号（串行数据），经过处理成并行信号发送给脑电仪。

串口通信装置的输入端通过USB转换电路与计算机USB接口连接，输出端通过74573保持电路及并口母头与脑电仪的数字触发信号的输入端连接。整体电路由USB电源供电模块提供供电。

图5为串口通信装置的结构连接图。

串口通信装置包括：以PL2303为核心的USB转换模块、以单片机（8052）为核心的功能模块、以74573为核心的并口输出模块、和USB供电电源电路。

USB转换电路与计算机相连，计算机通过USB转换模块的数据收发口发送触发信号至USB转换模块的USB收发数据端口；USB转换模块将接收到的数据处理成串行信号，通过其串口发送端口发送至功能模块单片机的串行数据接收端；单片机收到串行数据后对其进行编码，将其转换成8位2进制并行数据，由单片机并行输出端口1输出至锁存器74HC573输入端锁存，而后由锁存器输出端输出至并口母头；并口母头与脑电仪的数字触发信号接口相连接。以上就完成了计算机与脑电仪的通讯功能。

USB转换模块包括PL2303USB转接芯片、电源滤波电路和USB接口，电源滤波电路由电容C08、CJ2串联构成；触发信号由USB接口的数据收发端口（D1、D2）与计算机进行交互，由PL2303USB转接芯片的数据收发端口（D10、D11）与单片机进行交互。

播放时间属性的作用是用于规定每个元素播放的时间。由于这是用于脑电刺激，因此需要精确计时。因此脑电刺激控制部分还包括定时器。定时器使用QueryPerformanceFrequency( )和QueryPerformanceCounter ( )函数。这两个函数是VC提供的精确时间函数，在进行定时之前，先调用QueryPerformanceFrequency( )函数获得机器内部定时器的时钟频率，然后在播放刺激文件事件发生之前和发生之后分别调用QueryPerformanceCounter ( )函数，利用两次获得的计数之差及时钟频率，计算出事件所经历的精确时间。