脑科学测量设备之间的并口同步精度研究

江旭，陈彪，张弦，梁振

1.安徽医科大学 生物医学工程学院，安徽 合肥 230032；2.安徽省食品药品审评认证中心，安徽 合肥 230011

引言

在脑科学实验中，经常会采用刺激-响应的模式来完成实验。这种模式要求使用外部设备产生刺激，同时测量其诱发大脑或肢体所产生的反应，从而探索相应脑区的工作机制或脑疾病的发病机制[1-4]。随着研究精度和复杂度的提升，多种采集设备被同时使用，要求多个设备之间必须达到很高的时序同步精度，通常认为同步误差要小于1 ms。

并口有着传输速度快，性能稳定等优点[5]，在过去被广泛用于脑科学设备之间的数据传输以及时间同步。随着接口技术的不断发展，并口逐渐在计算机上被淘汰，取而代之的是USB接口，而且为了能完成脑科学设备之间的时间同步，经常会使用USB转并口来实现。实际上，很多类似测量脑电位相关的刺激-响应实验对时间同步精度及时间误差要求都很高。然而，关于USB转并口的时序精度以及同步信号的时间误差尚未清楚，为了准确测量高精度的刺激-响应实验，我们需要明确USB转并口的时序精度及时间误差。

另外，脑科学领域的许多研究人员是通过PsychToolbox、PsychoPy、E-prime等软件来设计实验的。因为这些软件时序控制精度很高[6-7]，能够完成高精准的刺激-响应实验。本文选用研究人员常用的软件PsychToolbox、PsychoPy、E-prime、OpenSesame来呈现视觉刺激，利用逻辑分析仪来收集USB转并口的数据，精准测量USB转并口的时序精度及时间误差。测量的结果可以帮助研究人员消除在使用USB转并口时对时序精度以及时间误差的顾虑，同时指导研究人员选配一个良好测量环境，以便更精准地完成刺激-响应实验。

1 材料与方法

1.1 测量方法

本文使用PsychToolbox、PsychoPy、E-prime、OpenSesame来呈现视觉刺激和输出USB转并口的同步信号。如图1所示，在被测设备的显示器上交替显示300×300像素大小的白色方块和黑色方块作为刺激，周期为50 ms（显示器其他部位显示灰色），黑白正方形位于屏幕的左上角。在呈现黑色块指令结束后，立即从USB转并口发出十进制数170作为同步信号；呈现白色块指令结束后，立即从USB转并口发出十进制数85作为同步信号。为了减小随机误差，共测量10000次。被测设备主机的CPU型号为Inter i7-4790，显卡型号为AMD Radeon R7 200 Series，显示器为PHILIPS 322M7C，响应时间1 ms，分辨率为1920×1080，显示器刷新率为60 Hz，操作系统为Windows 10 64位专业版，并且程序在最高优先级下运行。

图1 测量设备连接示意图

利用光电转换器感知刺激的变化，用Saleae Logic pro 8逻辑分析仪同时采集光电转换器和USB转并口的数据。刺激信号的采样率设定为781.25 KS/s，USB转并口信号的采样率设定为6.25 MS/s。这两个信号都基于逻辑分析仪的高精度时钟，因而能够计算两个信号之间的同步延迟。利用呈现刺激的时间戳以及发送USB转并口信号的时间戳，计算出视觉刺激和USB转并口的同步信号之间的误差，而对于USB转并口时序精度的测量则是利用刺激的周期分布来体现。由于LCD显示器响应时间与液晶面板的温度相关[8]，1 h的预热可以将响应时间缩短2倍[9]。为了得到更精确的结果，被测设备LCD显示器实验前预热＞1 h。

1.2 数据处理

1.2.1 USB转并口的时间误差数据处理

刺激信号源自光电转换器，上升沿表示图像从白色块切换到黑色块，下降沿表示图像从黑色块切换到白色块，取最高电压的一半作为屏幕亮灭的阈值，所对应时刻分别设为TA1和TA2。同时，将USB转并口信号的第一下降沿设置为TD1和第一上升沿设为TD2。研究表明，液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）对灰度间跃迁的时间响应是不均匀的[8-10]，所以刺激信号上升沿与下降沿对应两种不同状态，故而分开计算两种状态下的同步信号误差。使用Python程序对逻辑分析仪导出的数据进行处理。为了去除测量过程中的干扰，使用6阶巴特沃斯低通滤波器对刺激信号进行滤波，滤波器截止频率设定为3500。随后，读取刺激信号阈值对应时刻TA1、TA2和串口数据起始时刻TD1、TD2，见公式(1)～(2)和图2。

图2 同步信号测量波形图

分别计算两种状态的时间误差，其中TDarken是从白色块切换到黑色块的时间误差，TBrighten是从黑色块切换到白色块的时间误差。通过绝对值TBrighten和TBrighten大小情况来明确USB转并口的同步信号之间的时间误差。为了便于分析，我们统计了时间误差的最大值（Max）、最小值（Min）、极差（Range）以及平均值（Mean）并绘制频率分布图。

1.2.2 USB转并口的时序精度数据处理

USB转并口信号是数字信号，同样使用Python程序对逻辑分析仪导出的数据进行处理。定义USB转并口信号脉冲串的第一下降沿时刻为USB转并口事件时间戳，筛选出两个相邻USB转并口事件时间戳，分别设定为TS1和TS2，见公式(3)。USB转并口同步信号波形图如图3所示。

图3 USB转并口同步信号波形图

计算出USB转并口信号的周期T。通过周期T的分布情况，明确USB转并口的时序精度。进而统计USB转并口的信号周期T的Max、Min、Range、Mean与标准差（Standard Deviation，SD），并绘制频率分布图。

2 结果

2.1 USB转并口的时间误差

为了更直观地观察时间误差的分布情况，纵坐标采用以10为底的对数坐标。频率分布图的横坐标为同时间误差大小（单位：ms），纵坐标为0.5 ms内的发生数。TDarken、TBrighten的值为正，说明USB转并口信号滞后于刺激信号；值为负，说明USB转并口信号超前于刺激信号。为了能体现实验数据的原始性，在绘图时并没有除去正负号。但在计算同步信号之间的时间误差时，只考虑TDarken和TBrighten绝对值大小即可。

由图4可知，在PsychToolbox软件下，同步信号之间的时间误差TDarken为-4.808～-3.168 ms（Mean=-4.167 ms，Range=1.640 ms），同步信号之间的时间误差TBrighten为-6.230～-4.731 ms（Mean=-5.560 ms，Range=1.500 ms）；在PsychoPy软件下，同步信号之间的时间误差TDarken为-5.290～-4.316 ms（Mean=-4.682 ms，Range=0.9746 ms），同步信号之间的时间误差TBrighten为-6.042～-5.094 ms（Mean=-5.447 ms，Range=0.9474 ms）；在E-prime软件下，同步信号之间的时间误差TDarken为-38.63～-30.51 ms（Mean=-38.52 ms，Range=8.117 ms），同步信号之间的时间误差TBrighten为-40.01～-39.76 ms（Mean=-39.88 ms，Range=0.2551 ms）；在OpenSesame软件下，同步信号之间的时间误差TDarken为28.57～46.66 ms（Mean=45.16ms，Range=18.41 ms），同步信号之间的时间误差TBrighten为43.15～45.13 ms（Mean=43.30 ms，Range=1.975 ms）。显而易见，在软件PsychToolbox和PsychoPy下的USB转并口的时间误差为-5.290～-3.168 ms，小于在软件E-prime和OpenSesame下的时间误差。因此，PsychToolbox和PsychoPy下的USB转并口的时间误差优于在软件E-prime和OpenSesame下的时间误差。

图4 USB转并口的时间误差图

2.2 USB转并口的时序精度

为了便于观察USB转并口的时序精度，纵坐标同样采用以10为底的对数坐标。而频率分布图的横坐标为周期，纵坐标也是0.5 ms内的发生数。通过观察周期的分布情况，来明确USB转并口的时序精度（图5）。

图5 USB转并口的时序精度图

在E-prime软件下，USB转并口的周期为125.3 ～141.4 ms（Mean=133.3 ms，SD=0.1183 ms，Range=16.05 ms）；在PsychoPy软件下，USB转并口的周期为99.41～166.4 ms（Mean=100.0 ms，SD=0.6706 ms，Range=67.03 ms）；在OpenSesame软件下，USB转并口的周期分布为99.41～166.4 ms（Mean=100.0 ms，SD=0.6706 ms，Range=67.03 ms）。因此，在E-prime、PsychoPy和OpenSesame软件下，USB转并口的周期分布都是比较分散的；而在PsychToolbox软件下，USB转并口的周期为98.49～101.3 ms（Mean=100.0 ms，SD=0.1938 ms，Range=2.770 ms）。很明显在PsychToolbox软件下，USB转并口的时序精度是最好的。

3 讨论

本文测量了USB转并口的时序精度以及同步信号之间的时间误差。在软件PsychToolbox和PsychoPy下的USB转并口的时间误差都比较小，而在E-prime和OpenSesame软件下的USB转并口的时间误差非常大。在时序精度方面，在PsychToolbox软件下的USB转并口的时序精度是最优的。因此，对于很多类似的测量脑电位相关的刺激-响应实验来说，应该选择在时序精度高且时间误差小的环境下进行脑科学相关的病理检测。

作为一种常用的实验范式[11-12]，刺激-响应实验模式是采用外部设备产生视觉、听觉和嗅觉等相关刺激，同时测量其诱发机体所产生的响应，从而利用响应来判断机体的工作机制或发病机制，常用于脑科学中相关疾病的检测。例如，利用刺激-响应实验范式来检测脑电位的变化，从而评估精神分裂症的状况[13-14]；利用刺激-响应实验范式计算脑科学中反应潜伏期的大小来推测动物体老化的特异性[15-16]。在以上的检测实验中都需要控制设备之间的时序精度以及时间误差，这样才能准确地检测出疾病的原因。

从测量结果来看，在PsychToolbox[17-18]和PsychoPy[19-21]下的同步信号之间的时间误差很相似并且都很小。在PsychToolbox软件下，USB转并口的时序精度是最好的。然而，在E-prime[22-23]和OpenSesame[24]软件下的USB转并口的时序精度是比较差的。同时，同步信号之间的时间误差也非常大。可能因为E-prime在呈现刺激的时候利用E-Basic的模块化设计来调用文件包里的黑白图片，而不是利用代码来生成黑白块刺激，这造成的时间误差很大。而OpenSesame可能是需要跨平台调用PsychoPy函数库来呈现刺激，其间接地增加了时间误差。因此，对于很多像测量脑电位相关的刺激-响应实验，建议选择时间误差比较小以及时序精度高的测量设备去检测。在测量时最好还是把较小的时间误差减去以得到一个高精准的实验结果，有助于我们对疾病的准确把握。

本研究只在PsychToolbox、PsychoPy、E-prime和OpenSesame测量软件上进行了实验，明确了USB转并口的时序精度以及同步信号之间的时间误差。对于其他测量软件，尚未进行相关的实验，未来将会在其他测量软件系统上进行实验，尽量将系统测量的范围涵盖整个医院常用的脑科学及神经学相关的软件。