无线脑电采集中事件时点精密同步记录系统的设计

刘 邈郭佳明

(天津大学医学工程与转化医学研究院，天津300072)

事件相关诱发电位(Event-Related Potential，ERP)是一种特殊的脑电诱发电位，它的出现必须要有特殊的刺激施加，如声音刺激、视觉刺激[1]。因为ERP与刺激之间存在严格的锁时关系，所以在记录脑电数据的同时还需精准地记录下刺激所发生的时点。

ERP能够协助诊断神经系统的功能异常[2－4]且反应认知过程中的不同方面[5]，在临床应用和脑机接口(Brain Computer Interface，BCI)领域被广泛研究[6]。由于ERP与刺激之间存在严格锁时的特性，在设计ERP采集系统时对脑电数据和刺激事件的同步采集的时间精度是衡量系统整体性能的重要指标。目前针对ERP的脑电采集系统通常采用有线的数据传输方式，以视觉刺激为例，通常在计算机运行刺激程序，通过高刷新率的显示器呈现视觉刺激。为了确保脑电与刺激采集时点的同步性，通常在给出视觉刺激的同时通过采集计算机的并口(LPT)输出脉冲以记录刺激时点[7]。受限于计算机操作系统本身的延时，这种由计算机产生刺激并同步发送刺激事件信号的方法存在随机性的时间误差。一些研究者，如何超文[1]，辛如宇[8]等利用FPGA作为刺激发生器，驱动由高刷新频的显示器呈现刺激事件的同时向脑电采集设备发送同步信号触发脑电采集；郑璞洁[9]利用DSP芯片在刺激产生的时点通过I/O口触发脑电设备的采集。这些设计都是通过绕开计算机多任务操作以避免系统的延时从而提高ERP采集的时间精度。

有线的ERP采集系统有其固有的限制，无论是在临床应用还是基于ERP的脑机接口研究，有线系统都受限于环境约束，一般只能在特定的场合完成脑电的采集。随着穿戴式医疗的需求上升和无线通信技术的发展，ERP采集系统向无线采集的方向发展能够真正推动BCI从研究向现实生活应用。然而，目前针对ERP的无线采集的公开方案非常少，有鉴于目前所使用的无线脑电采集系统中普遍存在刺激事件时点同步记录的时间误差。数据无线传输过程中存在的延时和抖动影响事件同步精度，限制了ERP的研究。

无线传输过程中的延时指单次数据包发送和接收之间的时间差，主要由网络传输协议本身、数据丢包及网络拥塞等问题导致，无法消除，只能尽量降低。延时抖动是指数据包在信道传输过程中延时的不同，目前常用无线传输产生的延时抖动主要是由于触发信息传输用无线信道(如2.4G ISM Band)使用率过高而导致大量数据在此信道传输时有效时隙变短，频繁触发规避算法，甚至造成空中冲突导致传输错误并在协议控制下重传造成的延时突然增大。

对于无线数据传输过程中的延时和延时抖动的问题，目前公开的解决方案非常少。为了避免因信道拥塞产生的延时抖动，M.Foerster[10]采用了刺激事件信息和脑电数据分信道传输的方案，不同的传感器来检测不同种类的事件产生与否，在事件发生时通过对刺激事件编码无线发送至主控芯片，多个事件之间通过算法不断纠正各设备晶振因漂移带来的误差。U.Ghoshdastider[11]对刺激器、脑电采集器外加硬件同步模块，在采集之前由同步中央控制器发送等时间间隔的同步信号使各同步模块对齐时间完成同步。数据采集时，脑电数据通过Wi-Fi传给上位机，同步模块通过蓝牙将同步事件信息先传给同步中央控制器再经过整合传给上位机。但由于同步模块传输采用了蓝牙协议，每次采集都需要依靠较为复杂的算法同步对齐，不同设备的晶振误差使得系统在无线同步时的鲁棒性得不到保证。

为了保证时间同步的精度，系统设计上一方面需要尽量减少时钟源，避免多时钟源同步操作，最好以一个时钟源作同步；另一方面，需要规避使用复杂的传输协议以避免延时抖动，以保持延时恒定为设计目标。本文在上述方案的基础上，提出了一种以接收端主机为时钟基准的，将脑电数据和事件信息采用独立的双频段收发的方案，利用自定义无线传输协议保证传输链路固定的延时，通过回溯以实现事件时点精密同步。方案简单易于实现，在对硬件要求不高的情况下能够达到微秒级的事件同步精度。

1 系统整体方案设计

无线脑电采集中事件时点精密同步记录系统设计的通用框架如图1所示，系统分为无线采集端和无线接收端两部分。

图1 系统整体结构图

在无线采集端，脑电采集模块对人体脑电信号进行实时采集；刺激器产生刺激事件的同时触发微处理器对事件种类信息按自定义协议编码，编码完成后的事件信号经射频发送模块调制发送。脑电数据传输由于单位时间数据量较大，采用主流的2.4 GHz ISM频段，事件信号传输采用433 MHz频段，两者传输频段相互独立以避免冲突。

根据无线采集端的设计，脑电数据的采样时点和刺激事件发生的时点到无线接收端获取对应数据的时点存在固定延时，且两者延时不同。为此，需要事先对两者的延时进行精准测量再对事件发生时点进行回溯，最终按照图2所示的数据包格式向上位机发送。具体做法为:以无线接收端的微处理器的时钟为基准，每次接收到一样本的脑电数据，记录其接收的时点，减去预先测得的延时作为该样本的时间戳。接收端微处理器应缓存足够多样本的脑电数据以便刺激事件的回溯。当有刺激事件发生，射频接收模块接收到事件信号时，微处理器记录事件信号接收的时点，解码事件信号并进行回溯。最后，将回溯后的刺激事件时点和脑电数据样本时间戳比对并在对应样本的事件标记打上事件种类信息。经过整合的数据包最后发送给上位机处理。整个过程中因为只涉及接收端微处理器时钟源，故能够保证刺激事件和脑电数据的精密同步。

图2 接收端数据包格式

2 无线传输方案设计

2.1 射频收发模块

在刺激事件信号的无线传输方面，基于实际应用中刺激事件发生的频率不高、数据流量小的特点，采用低功耗、低成本、可自定义数据传输协议的射频收发模块实现。本方案中采用的射频收发模块为OOK调制方式，模块的数据引脚兼容CMOS标准，可以直接连接单片机I/O口。

2.2 编码方案

根据系统设计要求，为了保证刺激事件时点的精密同步，刺激器产生刺激事件的时点与射频发送事件信号的时点之间的延时需要保持恒定可测。

微处理器片上的支持脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)的输出比较模式的通用定时器可灵活输出微秒级至毫秒级周期，指定占空比的波形。[11]同时，支持输入捕获模式的通用定时器，可以通过外部边沿触发使能内部的计数器。因此，对于某一种类的刺激事件标记，可以通过设置一个定时器的通道输入与刺激器相连，令刺激器产生刺激事件的同时输出一个脉冲信号，脉冲信号的第一个边沿为刺激事件发生的真实时点。定时器对该信号进行边沿检测，触发其内部从模式控制器使能计数连续输出特定的PWM波形作为编码信号[12]。编码信号的设计需要能够既反应刺激事件发生的真实时点，又能够编码刺激事件的种类，如图3所示，编码信号采用“同步码＋引导码＋数据码＋校验码”的码组格式。同步码长12 ms以避免背景噪声；用3 ms前导码来标记数据码读取位置供接收端通过延时回溯刺激事件发生的真实时点；数据码表示刺激事件种类，可以根据事件种类总数调整码长，本文用8位数据码表示刺激事件种类可表示总计256种刺激事件；校验码采用奇偶校验，数据码和校验码采用同样的编码方式，数据小端对齐。上述码彼此的周期，占空比不尽相同，便于解码时区分，同时不至于脉宽过长或过窄导致误码。PWM信号设置为高电平有效，确保无数据发送时输出为低电平以降低整体功耗。最后，射频发送模块将该编码信号发送至射频接收模块。

图3 编码信号波形(以数据码0xAA为例)

上述编码方案中的延时由两部分组成:一是由于通用定时器的外部边沿检测器为时序电路实现，存在两个时钟周期的固定延时，其余部分为逻辑电路实现，延时可忽略不计；二是外部触发微处理器中断处理的延时和延时抖动。对脑电采集通常采用的毫秒级采样间隔而言微处理器中主时钟和挂载通用定时器的时钟在MHz级别时，上述的延时都在微秒级，可以忽略不计。综上所述，本编码方案能够保证刺激事件发生的时点到编码事件信号发送的时点间延时恒定。

2.3 解码方案

基于上述编码方案，无线接收端的微处理器只要获取PWM编码信号的周期和占空比即可完成解码。按照图4的流程图所示，接收端的微处理器需要开启两个通用定时器，其中一个定时器用于解码，其通过输入捕获模式获取一组完整的PWM编码信号，对数据码进行解码以获取刺激事件种类信息。第二个定时器作为接收端的主时钟，在前导码读取完成时记录主时钟的当前值用于时点回溯，也即用读取完成前导码的时点减去前导码和同步码的固定延时共15 ms、无线收发空中的延时即可得到刺激事件发生的精准时点信息。其中无线收发空中的延时可以通过高精度的双踪示波器测得，以保证时间精度。

图4 无线接收端解码流程图

3 实验验证

为了验证上述方案的可行性，实验采用可编程信号源模拟刺激器输出端，每1 s触发一次刺激事件产生；微处理器采用STM32。为了验证信号传输的可靠性，编码的刺激事件种类设置为十六进制的0xAA(8位码长)。接收端需要以自身的主时钟为基准完成进行事件时点的回溯工作，同时需要完成误码的校验，并在上位机显示事件信息(包括事件种类和时点)。

测试实验选用RIGOL MSO4034双踪示波器测量系统延时。在对无线收发空中延时测量时，如图5所示，上方为射频发送模块输出信号，下方为射频接收模块输出信号，以发送端信号输出通道作为触发源通道以观察延时。经多次测量其延时在43μs(±1μs)。

图5 无线收发空中延时

由上述测量可知，在整个过程中的延时只包括无线收发空中延时43μs(±1μs)，在进行事件回溯时，需要以接收端主时钟标记的前导码读取完毕的时点减去12 ms同步码、3 ms前导码的固定延时和43μs(±1μs)的空中延时即可获得刺激事件产生的真实时点。

在对上述延时进行测量后，需要对信号源RIGOL DG4162和STM32主频时钟进行测量，以确保收发端时间精度。采用示波器的频率计为基准对上述仪器进行测试。对于信号源时间精度的测试，令信号源输出1 MHz的测试方波。对于开发板主频时钟的测试，由于主频时钟由板载外部晶振提供，实际是对外部晶振的精度进行性能测试。

测试结果如表1所示，可知信号源可以提供精准的1 s触发信号，而受负载电容和晶振精度等情况的影响，由外部晶振提供的HSE时钟输出偏快。以本方案所用的定时器的时钟为例，时钟是由HSE倍频再分频得1 MHz的频率(即1μs的计数节拍)，实际值为1.000 041 25 MHz。经计算，在对信号源产生1 s输出计数时，实际每次将产生41.25μs的计数误差，即多计数41~42次。同时，连续计数时会产生线性的累计误差。而对于编码信号来说，误差低于1μs且不存在误差的累计，在本系统精度要求下可以忽略不计。

表1 时间精度测试数据

基于此测量结果，由信号源每隔1 s精准触发产生了100次脉冲信号模拟刺激事件，提取了接收端主时钟记录的时点信息做分析。将100次事件时点数据导入MATLAB处理，因为晶振引起的误差在μs级别，舍弃整数部分并作图，如图6所示，可以看出其时间增长呈线性变化，结果符合预期。对累计误差做线性拟合[13]并做残差分析，如图7所示，结果表明其残差分布在±10μs附近，该随机误差可能由于程序中断、晶振温漂等原因产生。上述实验表明，对于收发端提供外部时钟的晶振偏差带来的时点累计误差的问题，可以通过①精选晶振基础频率；②利用基础频率不准确但稳定性好的晶振驯服微处理器内部高频RC振荡器输出更精确的计数频率；③对采样结果进行线性回归并事后校正使误差降低在可接受的微秒级的范围内。这些方案均可满足准确输出事件发生时点的目的。

图6 晶振累计误差统计图

图7 残差分析图

4 总结

本文介绍了一种无线脑电采集中事件时点精密同步记录系统的设计原理和实现方法。本文提出了一种基于低成本通用微处理器的方案:将刺激事件通道从脑电数据采集通道中独立出来以不同信道传输并设计底层低延迟通信协议，再通过采集器软硬件联合保障系统固定延时，最终以无线接收端时钟为基准，通过延时回溯标记事件对应时点以获得高精度事件时点同步。该方案在消除延时抖动的同时，通过对延时测量并再回溯的方式，以简单且通用的实现方案达到了高精度的事件时间同步。对于任何集成支持输入捕获、输出比较功能的单片机都能够实现本方案的编解码设计。通过实际测试得到的数据表明，在对硬件精度要求不高的情况下能够做到微秒级的事件时点的精密同步。该系统能够支持便携式、低功耗的无线脑电采集的应用场景，服务于ERP类BCI研究与应用。