專利名稱::基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
:本實(shí)用新型涉及一種醫(yī)療器械,尤其是一種腦部診斷用器械,具體地說是一種利用腦電波對病人進(jìn)行腦部診斷使用的基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號瀕試儀。
背景技術(shù):
:近年來,獨(dú)立分i分析(Ind印endentComponentAnalysis,ICA)技術(shù)得到了較快的發(fā)展,它是和盲信源分離(BlindSourceS印aration,BSS)緊密聯(lián)系的,它是信號處理領(lǐng)域在20世紀(jì)90年代后期發(fā)展起來的一項(xiàng)新處理方法。獨(dú)立分量分析源自基于盲信源分解技術(shù)的多道信號處理方法,最早是針對所謂"雞尾酒會問題"(從酒會的嗜雜人聲中提取所關(guān)心對象的語音)這一聲學(xué)問題發(fā)展起來的,它的基本含義就是把信號分解成若干個(gè)互相獨(dú)立的成分。獨(dú)立分董分析是屬于多導(dǎo)信號處理的一種方法,也是基于信號髙階統(tǒng)計(jì)特性的分析方法,以原始信號之間的獨(dú)立性為前提,旨在分離相互疊加的獨(dú)立信號。在以往的信號處理技術(shù)中多導(dǎo)信號的分解有兩項(xiàng)本質(zhì)統(tǒng)一、并被熟知的技術(shù),即主分量分析(PrincipalComponentAnalysis,PCA)和奇異值分解(SingularValueDecomposition,SVD),它們都建立在線性代數(shù)的基礎(chǔ)上。但不論SVD或PCA,分解出的分量都是按能量大小排序的,而且,如果原始數(shù)據(jù)的秩小于M(這意味著M導(dǎo)數(shù)據(jù)不是線性無關(guān)的),則某些奇異值和特征值將等于0,因此,SVD和PCA是提取信號特征的一種途徑。但是按主分量分析或奇異值分解原理做出的分解只能保證分解出來的各分量不相關(guān),卻不能保證這些分量互相獨(dú)立(除非它們都是高斯型過程,因?yàn)閷{斯型信號不相關(guān)便意味著獨(dú)立)。這就使得這樣的分解缺少實(shí)際生理意義,因而降低了所提取特征的典型性。在許多電生理測董中,觀察值實(shí)際上是由若干相對獨(dú)立的信源的加權(quán)和組成的,例如,胎兒心電記錄中的胎兒心電(FECG),母親心電(MECG)和肌電;腦電記錄中的自發(fā)腦電、誘發(fā)腦電及其他干擾成分(如快速眼動(REM),頭皮肌電、工頻干擾);心臟阻抗信號中的呼吸干擾等。在這類情況下,采用獨(dú)立分量分析來分解獨(dú)立分量,再從各獨(dú)立分量中提取有關(guān)特征,就可能會更有生理意義,有助于進(jìn)一步的模式識別。因此,獨(dú)立分量分析技術(shù)的發(fā)展引起生物醫(yī)學(xué)工程界較大注意。獨(dú)立分量分析也在一些其他科學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域:
引起重視。獨(dú)立分量分析在通訊領(lǐng)域它的應(yīng)用廣為人知,例如針對碼分多址(CDMA)通訊建立的模型符合含噪獨(dú)立分量分析的基本假設(shè),因此可以采用獨(dú)立分量分析技術(shù)把各用戶碼分解開來;又如,在經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的處理中可以利用獨(dú)立分量分析作經(jīng)濟(jì)動向的預(yù)測。此外,旋轉(zhuǎn)電機(jī)監(jiān)測、地展預(yù)報(bào)與地質(zhì)勘探、圖像處理、遙測遙感等領(lǐng)域都有獨(dú)立分量分析成功應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。根據(jù)近年來發(fā)表的有關(guān)獨(dú)立分量分析的論文檢索,獨(dú)立分量分析涉及的學(xué)科包括信息、通訊、生命、材料、電力、機(jī)械、化學(xué)等'就研究內(nèi)容看,早期工作集中于信源簡單線性組合的情況,近期除進(jìn)一步改進(jìn)這類情況的有關(guān)算法并推廣其應(yīng)用外,更注意探討一些更深入難題的解決。如各信號傳遞過程中有延遲或與通道發(fā)生巻積、系數(shù)時(shí)變、稀疏組合以及非線性、非平穩(wěn)等情況。進(jìn)行ICA分解的基本原則可以粗略地概括為兩條(1)原則一非線性去相關(guān)求解混陣在使其任意兩輸出/,,(J'-,/)不但本身不相關(guān),而且經(jīng)非線性變換后的分量《(y,),A(力)也不相關(guān)。(2)原則二使輸出盡可能非商斯化在輸出某分量/的方差恒定的條件下,將輸入Z各分量作線性組合y-5]6,jc,y。優(yōu)化選擇各權(quán)重6,,使y盡可能非髙斯化,則y的非高斯性的每一個(gè)周部極大值給出一個(gè)獨(dú)立分量。在信號處理領(lǐng)域內(nèi),盲信號處理(包括盲辨識、盲解巻、盲信源分解、盲通道均衡等)是20世紀(jì)90年代后期發(fā)展起來的,獨(dú)立分量分析是它的一個(gè)組成部分。文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)上一般把ICA的最早提出歸功于Jutten與Herault在1986年和1991年發(fā)表在SignalProcessing上的一組論文。論文雖然比較實(shí)用,但理論上不夠完蕃。其后,Comon在1994年發(fā)表的論文,從理論上作了比較嚴(yán)密的討論。20世紀(jì)末,隨著技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了各種不同的處理算法,其中目前被較廣泛采用的有以下幾個(gè)單位的研究成果(1)美國加州大學(xué)生物系計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室是以Sejmwski為學(xué)術(shù)帶頭人的研究室,他們提出的信息極大化(Info腿x,也就是InformationMaximization)及其擴(kuò)展算法(ExtendedInforaax)已被廣泛采用。他們的工作與腦電、腦磁及磁共振圖像結(jié)合得較緊,(2)日本Riken的數(shù)量神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室以Shun-ichiAmari為學(xué)術(shù)帶頭人的研究組。他們的工作多是結(jié)合互信息極小化(MinimizationofMutualInformation,MMI)進(jìn)行的,而且主要是采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來達(dá)到優(yōu)化目的,Amari提出的"在學(xué)習(xí)過程中用自然梯度(NaturalGradient)代替常用的最陡下降梯度"的算法可以在非正交坐標(biāo)系下給出計(jì)算量小而且收斂性更好的系數(shù)遞推公式,目前也獲得了廣泛應(yīng)用。(3)芬蘭赫爾新基工業(yè)大學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究中心(以Erkki0ja為首)和赫爾辛基大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系神經(jīng)信息研究組(以A鄰oHyvarinen為首)的工作,他們的早期工作主要圍繞非線性PCA進(jìn)行,其特點(diǎn)是分解雖然仍是基本分量的線性組合,但組合權(quán)重中則引人非線性函數(shù),因而實(shí)際上是把離階統(tǒng)計(jì)量引人到PCA過程中,而不暴只考慮二階統(tǒng)計(jì)特征。Hyvarinen工作中另一引人注意的亮點(diǎn)是提出了一種立足于逐次提取獨(dú)立分量的"固定點(diǎn)算法'(FixedPointAlgorithm),文獻(xiàn)中常稱之為快速ICA(fastICA)。該方法是建立在使提取信號非高斯性極大化概念上的,其計(jì)算量較小,收斂速度也較快。除以上幾個(gè)研究單位外還有許多其他研究組和人士在獨(dú)立分量分析領(lǐng)域進(jìn)行工作,如法國學(xué)者J.F,Cardoso,他提出的成批數(shù)據(jù)處理算法JADE,計(jì)算量雖然大些,但至今仍被人采用又如英國格拉斯哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的MarkGirolarai在獨(dú)立分量分析發(fā)展前期也有較多貢獻(xiàn),2000年編輯出版的專著AdvancesinInd印endentComponentAnalysis反映了ICA領(lǐng)域的新進(jìn)展。而人體神經(jīng)誘發(fā)電信號從特征上講是一組低幅度、低頻率的觀察信號,其中包含了許多生理功能核團(tuán)在誘發(fā)信號的作用下所產(chǎn)生的誘發(fā)信號,甚至包含有正常人體生理功能的電信號,這些信號經(jīng)過人體組織的組合和加權(quán)疊加,最終被電極或傳感器記錄到。因此,人體神經(jīng)誘發(fā)電信號理論上符合獨(dú)立分量分析模型,可以應(yīng)用獨(dú)立分量分析方法對人體誘發(fā)電位信號進(jìn)行處理,從而實(shí)現(xiàn)人體誘發(fā)電信號的去偽存真,獨(dú)立考察各個(gè)被誘發(fā)的人體生理核團(tuán)的誘發(fā)電信號情況,對于疾病診斷和治療具有重要的意義,但據(jù)申請人所知,目前尚無相關(guān)的檢測系統(tǒng)對這一人體重要信息加以檢測和統(tǒng)計(jì)分析并最終指導(dǎo)疾病的診斷和治療。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種用于檢測人體各類神經(jīng)誘發(fā)信號并最終為疾病診斷和治療提供依據(jù)的基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是—種基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀,其特征是它主要由CF接口及控制器l、DDS信號發(fā)生器2、誘發(fā)信號調(diào)理電路3、功率放大電路4、生理電信號預(yù)處理電路5、調(diào)理電路6、模數(shù)轉(zhuǎn)換器7、數(shù)字信號處理電路8組成,CF接口及控制器1設(shè)有與帶有CF插口的移動計(jì)算機(jī)設(shè)備平臺相連的插片,它的輸出分別接DDS信號發(fā)生器2的輸入、誘發(fā)信號調(diào)理電路3的一個(gè)輸入端及生理信號預(yù)處理電路5的一個(gè)輸入端,DDS信號發(fā)生器2的輸出與誘發(fā)信號調(diào)理電路3的另一個(gè)輸入端相連,誘發(fā)信號調(diào)理電路3的輸出與功率放大電路4的輸入端相連,功率放大電路4的輸出通過刺檄電極與人體相接觸;生理電信號預(yù)處理電路5的另一個(gè)輸入端通過反饋電極或傳感器與人體相連,其輸出與調(diào)理電路6的輸入相連,調(diào)理電路6的輸出與信號模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的信號輸入端相連,模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的信號輸出端與數(shù)字信號處理電路8的輸入端相連,數(shù)字信號處理電路8的輸出端與CF接口及控制器1的輸入端相連。所述的CF接口及控制器1、DDS信號發(fā)生器2及數(shù)字信號處理電路8均由現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A構(gòu)成,CF接口及控制器1和DDS信號發(fā)生器2均在現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A內(nèi)部相連,現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的輸入輸出口133136、139144、147150、160、163、167170、172177、179、187、189193、195#200、202、203、205腳作為CF接口及控制器1的輸入輸出端與帶有CF插口的移動計(jì)算機(jī)設(shè)備平臺對應(yīng)輸入輸出腳相連現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的輸入輸出口5358、60、61、6365、6774腳接DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Ull構(gòu)成完整的DDS信號發(fā)生器2,DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Ull的電流輸出端3腳作為DDS信號發(fā)生器2的模擬信號輸出端接誘發(fā)信號調(diào)理電路3的輸入(即運(yùn)放U13、U14的反相輸入端),DDS信號發(fā)生器2的極性選擇控制端從現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的47腳引出接誘發(fā)信號調(diào)理電路3的控制輸入端(即數(shù)控繼電器集成電路U10的輸入端A0腳)。所述的DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Ull為DDS信號發(fā)生器的一部分,實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號向模擬信號的轉(zhuǎn)換。所述的誘發(fā)信號調(diào)理電路3由運(yùn)放U13、U14及其外圍電阻R16、R18、R19、R20、R23、R24、電容C16和數(shù)控繼電器集成電路U10以及由電感L2、L3、L4、電容C7、C8、C9、CIO、電阻R11構(gòu)成的低通貝塞爾小濾波器組成,其輸入從運(yùn)放U13、U14的反相輸入端引出接DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路U11的電源輸出端3腳,其輸出從低通濾波器輸出端即L2、C7的連接點(diǎn)引出接功率放大電路4的輸入。所述的功率放大電路4由運(yùn)放U7、晶體管Q1、Q2電阻R4、R5、肪構(gòu)成,其輸入接誘發(fā)信號調(diào)理電路3的輸出端(即低通濾波器的輸出端),其輸出從晶體管Q1的發(fā)射極和晶體管Q2的集電極引出接剌激電極或換能器(換能器可為閃光燈、喇叭等能量轉(zhuǎn)換裝置)用于刺激受試者。所述的生理電信號預(yù)處理電路由運(yùn)放U4及外圍電阻R3、數(shù)控繼電器集成電路U6構(gòu)成,其輸入從運(yùn)放U4的兩輸入端引出接覽于受試者身上的反餓電極或傳感器(如聲音傳感器、振動傳感器等)輸出,其輸出接調(diào)理電路6的輸入端。所述的調(diào)理電路6則運(yùn)放U5、U2串接構(gòu)成,其輸入從運(yùn)放U5的同相輸入端引出接生理電信號預(yù)處理電路5的輸出即運(yùn)放U6的輸出端6腳,其輸出從運(yùn)放U2的輸出端引出接模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的輸入。所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器7由模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路Ul構(gòu)成,其輸入從模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路Ul從模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U1的串行數(shù)字信號輸出端15腳引出接數(shù)字信號處理電路8的輸入端,數(shù)字信號處理電路8亦位于現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A內(nèi)部,現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的輸入輸出口41腳就作為數(shù)字信號處理電路8的輸入端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的輸出即模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路Ul的串行數(shù)字信號輸出端相連,數(shù)字信號處理電路8的輸出即現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A內(nèi)部與CF接口及控制器1相連,完成數(shù)據(jù)采集過程。本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型首次將獨(dú)立分量分析技術(shù)與檢測技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合,并可通過配套的分析軟件將所獲得的誘發(fā)神經(jīng)信號進(jìn)行分析后得出診斷結(jié)論,有利于提髙各類神經(jīng)性疾病,尤其是腦部疾病的診斷和治療水平,同時(shí)也可用于對其它疾病的輔助分析診斷和治療。本實(shí)用新型的電路簡單,易于實(shí)現(xiàn),成本較低。圖1是本實(shí)用新型的電基于CF接口技術(shù)的神經(jīng)誘發(fā)電信號測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是本實(shí)用新型的同心三層球模型。圖3是本實(shí)用新型的顱內(nèi)等效電流偶極子源的ICA模型。圖4是本實(shí)用新型的腦電信號來源模式圖。圖5是本實(shí)用新型的腦電信號ICA模式圖。圖6是本實(shí)用新型的CF卡結(jié)構(gòu)圖。圖7是本實(shí)用新型的CF卡接口接插件示意圖。圖8是本實(shí)用新型的P0CKETPCCF卡驅(qū)動構(gòu)架圖。圖9是本實(shí)用新型的DDS發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖。圖10是本實(shí)用新型的DDS波形RAM地址變化與PIR關(guān)系圖。圖11是本實(shí)用新型的DDS輸出信號與信號相位、波形RAM地址之間的關(guān)系圖。圖12是本實(shí)用新型的MAX7535模擬信號輸出部分典型應(yīng)用圖。圖13是本實(shí)用新型的9階ELLIPTICAL、7階BESSEL低通濾波器原理圖。圖14是本實(shí)用新型的功率放大器電路圖。圖15是本實(shí)用新型的DDS信號發(fā)生器輸出的正弦漢卡及其FFT處理結(jié)果。圖16是本實(shí)用新型的神經(jīng)電生理信號調(diào)理部分結(jié)構(gòu)圖。圖17是本實(shí)用新型的電源管理(MAX1702B)結(jié)構(gòu)圖。圖19是本實(shí)用新型的癩癇疑似患者的腦電圖ICA前后信號對比圖。圖19是本實(shí)用新型的痛癇腦電信號圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。如圖1所示。一種基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀,它主要由CF接口及控制器1、DDS信號發(fā)生器2、誘發(fā)信號調(diào)理電路3、功率放大電路4、生理電信號預(yù)處理電路5、調(diào)理電路6、模數(shù)轉(zhuǎn)換器7、數(shù)字信號處理電路8組成,CF接口及控制器i設(shè)有與帶有CF插口的移動計(jì)算機(jī)設(shè)備平臺相連的插片,它的輸出分別接DDS信號發(fā)生器2的輸入、誘發(fā)信號調(diào)理電路3的一個(gè)輸入端及生理信號預(yù)處理電路5的一個(gè)輸入端,DDS信號發(fā)生器2的輸出與誘發(fā)信號調(diào)理電路3的另一個(gè)輸入端相連,誘發(fā)信號調(diào)理電路3的輸出與功率放大電路4的輸入端相連,功率放大電路4的輸出通過刺激電極與人體相接觸生理電信號預(yù)處理電路5的另一個(gè)輸入端通過反餓電極或傳感器與人體相連,其輸出與調(diào)理電路6的輸入相連,調(diào)理電路6的輸出與信號模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的信號輸入端相連,模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的信號輸出端與數(shù)字信號處理電路8的輸入端相連,數(shù)字信號處理電路8的輸出端與CF接口及控制器1的輸入端相連。具體實(shí)施時(shí)所述的CF接口及控制器1、DDS信號發(fā)生器2及數(shù)字信號處理電路8均由現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A構(gòu)成,CF接口及控制器1和DDS信號發(fā)生器2均在現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A內(nèi)部相連,現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的輸入輸出口133136、139144、147150、160、163、167170、172177、179、187、189193、195#200、202、203、205腳作為CF接口及控制器1的輸入輸出端與帶有CF插口的移動計(jì)算機(jī)設(shè)備平臺對應(yīng)輸入輸出腳相連;現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的輸入輸出口5358、60、61、6365、6774腳接DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Ull構(gòu)成完整的DDS信號發(fā)生器2,DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Ull的電流輸出端3腳作為DDS信號發(fā)生器2的模擬信號輸出端接誘發(fā)信號調(diào)理電路3的輸入(即運(yùn)放U13、U14的反相輸入端),DDS信號發(fā)生器2的極性選擇控制端從現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的47腳引出接誘發(fā)信號調(diào)理電路3的控制輸入端(即數(shù)控繼電器集成電路U10的輸入端A0腳)。所述的DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Ull(型號可為MX7538)為DDS信號發(fā)生器的一部分,實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號向模擬信號的轉(zhuǎn)換。所述的誘發(fā)信號調(diào)理電路3由運(yùn)放U13、U14及其外圍電阻R16、R18、R19、R20、R23、R24、電容C16和數(shù)控繼電器集成電路U10(型號可為MAX412)以及由電感L2、L3、L4、電容C7、C8、C9、CIO、電阻Rll構(gòu)成的低通貝塞爾小濾波器組成,其輸入從運(yùn)放U13、U14的反相輸入端引出接DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Ull的電源輸出端3腳,其輸出從低通濾波器輸出端即L2、C7的連接點(diǎn)引出接功率放大電路4的輸入(即運(yùn)放U7的同相輸入端)。所述的功率放大電路4由運(yùn)放L7、晶體管Q1、Q2電阻R4、R5、R6構(gòu)成,其輸入接誘發(fā)信號調(diào)理電路3的輸出端(即低通濾波器的輸出端),其輸出從晶體管Q1的發(fā)射極和晶體管Q2的集電極引出接刺激電極或換能器(換能器可為閃光燈、喇叭等能量轉(zhuǎn)換裝置)用于刺瀲受試者。所述的生理電傕號預(yù)處理電路由運(yùn)放U4及外圍電阻R3、數(shù)控繼電器集成電路U6(型號可為MAX4121)構(gòu)成,其輸入從運(yùn)放1)4的兩輸入端引出接置于受試者身上的反餓電極或傳感器(如聲音傳感器、振動傳感器等)輸出,其輸出接調(diào)理電路6的輸入端。所述的調(diào)理電路6則運(yùn)放U5、U2串接構(gòu)成,其輸入從運(yùn)放U5的同相輸入端引出接生理電信號預(yù)處理電路5的輸出即運(yùn)放U6的輸出端6腳,其輸出從運(yùn)放U2的輸出端引出接模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的輸入,所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器7由模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路Ul(型號可為MAX186)構(gòu)成,其輸入從模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U1的模擬信號輸入端CH4引出接調(diào)理電路的輸出即運(yùn)放U2的輸出端,模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出從模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U1的串行數(shù)字信號輸出端15腳引出接數(shù)字信號處理電路8的輸入端,數(shù)字信號處理電路8亦位于現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A內(nèi)部,現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的輸入輸出口41腳就作為數(shù)字信號處理電路8的輸入端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器7的輸出即模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路Ul的串行數(shù)字信號輸出端相連,數(shù)字信號處理電路8的輸出即現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A內(nèi)部與CF接口及控制器1相連,完成數(shù)據(jù)采集過程。本實(shí)施例未涉及的其它部分均可利用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。下面對照附圖2-XX對本實(shí)用新型的工作原理和具體應(yīng)用作一具體的說明。神經(jīng)誘發(fā)電侑號的獨(dú)立分l:分析模型的建立人類的腦包括大腦、間腦、小腦及腦干4個(gè)部分。大腦分左右兩個(gè)大腦半球,由胼胝體及大腦前后聯(lián)合連接在一起。大腦半球的最表面為灰質(zhì),主要有神經(jīng)細(xì)胞所組成,稱為大腦皮質(zhì)。大腦半球的深部由神經(jīng)細(xì)胞的纖維組成,稱為白質(zhì)。大腦半球又分成額、頂、枕、顳4葉;間腦位于兩側(cè)大腦半球之間,中腦的上方,包括丘腦、丘腦下部和第三腦室;腦干則分為中腦、腦橋及延髓。大腦皮質(zhì)是人類高級精神活動的最髙中樞,也是腦波活動的主要解剖基礎(chǔ)。人的大腦皮質(zhì)是由約140億個(gè)神經(jīng)元和無計(jì)其數(shù)的突觸形成龐大而復(fù)雜的信息傳遞向?,F(xiàn)在普遍認(rèn)為腦電活動是由垂直方向的錐體神經(jīng)元與它們的頂樹突的突觸后電位產(chǎn)生的。大腦皮質(zhì)電位的總和主要發(fā)生在皮質(zhì)垂直方向排列的大錐體細(xì)胞。以下幾個(gè)因素便這些神經(jīng)元具有總和作用U)錐體細(xì)胞的樹突幾乎伸延至大腦皮質(zhì)的各層,引導(dǎo)在皮質(zhì)深層的細(xì)胞體及穿過皮質(zhì)全厚度的位于更表層的樹突的PSP所產(chǎn)生的電流流動;(2)這些神經(jīng)元彼此緊密的平行排列,便于由每個(gè)神經(jīng)元所產(chǎn)生的電流在空間總和;(3)這些神經(jīng)元群接受同樣的傳入沖動及對沖動產(chǎn)生反應(yīng),有相同方向和同步的電位改變。由這些神經(jīng)元所產(chǎn)生的電流總和在細(xì)胞外間隙。大多數(shù)電流限于皮質(zhì),少部分穿過腦膜、腦脊液及頭顱到達(dá)頭皮,引起頭皮不同部分有不同的電位水平。這些電位差之波幅為10100HV,可在兩個(gè)電極間被記錄,這就是腦電圖。腦電圖記錄的是大腦電活動在頭皮上產(chǎn)生的電位變化,這個(gè)電位是大腦皮質(zhì)電位通過顱腦這個(gè)在電學(xué)特性上近似線性的系統(tǒng)在頭皮上的總和,是大腦上各個(gè)功能集團(tuán)內(nèi)神經(jīng)元同步電活動的線性組合與疊加。在腦神經(jīng)科學(xué)中,為了了解大腦的工作過程和機(jī)理,科學(xué)家們對大腦活動區(qū)域的情況進(jìn)行了研究。腦電是大腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞群的電生理活動所產(chǎn)生的電場經(jīng)由皮層、顱骨、頭皮等組織構(gòu)成的容積導(dǎo)體在頭表面所形成的電位信息。為了方便考察大腦內(nèi)腦電信號源活動規(guī)律,建立相應(yīng)的腦電信號源和人的頭顱模型是必要的。于是在解剖學(xué)、醫(yī)學(xué)影像學(xué)和組織生理學(xué)基礎(chǔ)上逐步建立了將腦電信號源理想化為偶極子和將頭顱理想化為各種頭球模型。煩內(nèi)電活動的偶極子模型在人的顱內(nèi)生物電信號源模型的構(gòu)造上,其基本要求是既要有合理明晰的神經(jīng)生理學(xué)意義,又要在數(shù)學(xué)上便于處理,并且最后可以解釋實(shí)驗(yàn)事實(shí)。符合這一基本要求的經(jīng)典模型,是Brazier早在1949年解釋腦電時(shí)提出的電流偶極子模型。該模型的中心思想是用一個(gè)電流偶極子模擬一個(gè)周域的腦神經(jīng)活動,偶極矩就是局域電流與流動方向上電流線度的乘積。電流偶極子模型經(jīng)歷了幾十年的考驗(yàn),至今仍為人們所推紫并被廣泛應(yīng)用在腦電磁研究中。在偶極子模型定位方法的發(fā)展中,早期多釆用瞬時(shí)狀態(tài)偶極子模型,利用電磁場的空域數(shù)據(jù)(某一瞬時(shí)多測量位置處電磁場數(shù)據(jù),故也稱瞬時(shí)腦電數(shù)據(jù)),通常選在信號強(qiáng)度較大具有高信噪比處,這樣可保證有較好的定位精度,當(dāng)腦內(nèi)電活動的空間局域性較好時(shí),使用單個(gè)偶極子就可以較好地估計(jì)大腦的電活動。盡管單偶極子源在現(xiàn)今廣泛使用,但應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是對于大腦表面復(fù)雜的場分布需要多偶極子源。通常情況下,由于多偶極子的時(shí)間序列重疊及電壓相互消去,腦電地形圖空間表面檢査通常有誤導(dǎo)作用.在這些情況下,發(fā)展了時(shí)間一空間偶極子模型,時(shí)空偶極子模型的主要假設(shè)是存在這樣幾個(gè)偶極子,它們保持位置、方向不變,但是強(qiáng)度是時(shí)間的函數(shù),要隨時(shí)間變化。由于利用了時(shí)域一空域腦電數(shù)據(jù)(即某一連續(xù)時(shí)間段上的各測量點(diǎn)處的腦電磁場數(shù)據(jù)〉,可以充分利用數(shù)據(jù)的相關(guān)性從而提髙定位精度,同時(shí)推斷腦電磁源的動態(tài)演化行為,時(shí)空偶極子模型分為三種移動偶極子、位置固定偶極子和固定價(jià)置與方向偶極子。腦電生理研究中的頭球模型為了估計(jì)腦內(nèi)電流的分布,需要使用腦電信號源產(chǎn)生的頭皮電位測量數(shù)據(jù),因此首先必須假設(shè)頭的模型,頭模型構(gòu)造的研究是腦電問題研究中的一個(gè)熱點(diǎn),也是腦電問題計(jì)算的基礎(chǔ),通過建立頭模型,可以把腦內(nèi)源的活動和頭皮的上測得的電位分布聯(lián)系起來。建立頭模型時(shí),需要考慮頭部不同組織的導(dǎo)電性,比如,腦,頭骨,腦皮層等。頭模型建立的精確程度決定著腦電問題的定位精度。從以前完成的大部分工作來看,使用的頭模型大致有球模型、橢球模型和真實(shí)頭模型等幾種形式,雖簡單的球模型是均勻球模型,即把頭看成各向同性、電導(dǎo)率均勻的介質(zhì)球。采用球形模型時(shí),頭模型可任意位置的偶極子所產(chǎn)生的電勢在頭皮上的分布解析解。也就是說,如果給出偶極子的位置、方向和極矩參數(shù),我們可以推導(dǎo)出計(jì)算模型表面任意一點(diǎn)的電勢的公式。如果模型假設(shè)是體積導(dǎo)體井且是線性的,多個(gè)偶極子的電勢分布可以通過簡單的疊加來實(shí)現(xiàn)。這種模型會產(chǎn)生較大的定位誤差,這是由于顱骨的低電導(dǎo)率,不僅削弱了頭皮電位的強(qiáng)度,而且使得頭皮電位變模糊,其作用相當(dāng)于對電位分布施加了低通空間濾波。多層同心球模型的使用使得定位準(zhǔn)確性顯著提高。常用的三層同心球模型(圖2),頭被看作是三個(gè)同心球,分別代表頭皮(Scalp)、顱骨(Skull)和大腦皮層(Brain),又稱之為SSB(Scalp-Skull-Brain)頭模型。有的模型中還包括腦膜,這樣就構(gòu)成了四層同心球模型。Cuffin等利用SSB模型從頭皮電位估計(jì)腦內(nèi)人工放置的電流源的位置,證實(shí)如果恰當(dāng)?shù)剡x取各層的電導(dǎo)率,估計(jì)出的偶極子位置與從X射線圖像中得到的實(shí)際電極位置非常接近,誤差預(yù)計(jì)在5mm左右甚至更小。大腦皮層、顱骨、頭皮的導(dǎo)電率分別為、k、1,半徑分別為a、a、a,帶有三個(gè)分量px、py、pz的偶極子P位于z軸線距球心fa處(0<f<)有時(shí)在研究中也采用橢球模型來研究腦電問題。希望通過采用扁長的或扁平的橢球模型,或者偏心球模型,來逼近真實(shí)頭部形狀,從而提高計(jì)算的糖度。但研究結(jié)果表明,采用其它形狀的球模型和采用球模型相比,對計(jì)算的精度影響不大,故較少采用。球模型可以被利用到用計(jì)算機(jī)快速求解,但球形頭模型有兩個(gè)缺點(diǎn)球模型和人的頭部的真實(shí)形狀有明顯的差別,球模型只是真實(shí)頭模型的一個(gè)簡單粗糙的近似球模型的電導(dǎo)率一般假設(shè)為均勻的,與人頭部的實(shí)際情況不相符。真實(shí)頭模型是根據(jù)人腦的實(shí)際結(jié)構(gòu)(根據(jù)人腦的MRI、X-CT等成像手段或者解剖學(xué)知識)而得到,實(shí)際模擬人腦的結(jié)構(gòu),模型復(fù)雜。由于真實(shí)頭模型更為接近人腦的形狀,與球模型和橢球模型相比,計(jì)算和定位精度也顯著提高,是目前頭模型中研究的熱點(diǎn)。真實(shí)頭模型的計(jì)算一般通過數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行,常用的數(shù)值計(jì)算方法有,邊界元法(BEM)、有限元法(FEM)、有限體元法(FVM〉等。基于偶極子模型和頭球模型的獨(dú)立分量分析模型的建立大腦一個(gè)小區(qū)域的活動可以看作是一個(gè)等效電流偶極子源,由這些區(qū)域產(chǎn)生的頭皮腦電包含了關(guān)于這個(gè)等效偶極子源的位置和大小信息,這個(gè)偶極子最終能夠提供它所代表的腦組織的活動信息(如圖3)。當(dāng)腦內(nèi)電活動的空間局限性較好時(shí),使用單個(gè)偶極子就可以比較好地估計(jì)大腦的電活動,當(dāng)腦電活動分散在幾個(gè)中心時(shí),就要引入兩個(gè)或多個(gè)等效偶極子。但是,由于逆問題對于噪聲較敏感,當(dāng)超過兩個(gè)偶極子時(shí),很難得到穩(wěn)定的有意義的解,傳統(tǒng)上,一般認(rèn)為兩個(gè)偶極子是逆問題的一個(gè)極限。由于實(shí)際觀測數(shù)據(jù)有限,且含有各種噪聲干擾,尋找較好的偶極子定位方法比較困難,目前應(yīng)用較多的方法有非線牲最小二乘法、基于遺傳算法和模擬退火等的全局優(yōu)化算法、子空間分解算法等。本文等將獨(dú)立分量分析(ICA)弓l入到多個(gè)腦電源定位中,首先用主成分分析(PCA)將腦電信號分解為信號子空間和噪聲子空間,然后用獨(dú)立分量分析將信號子空間分解,再由MUSIC算法分別去定位。由于是對多個(gè)偶極子分別去定位,降低了搜索的復(fù)雜性。腦電信號可以表示為顱內(nèi)各個(gè)獨(dú)立腦電信號源(偶極子)發(fā)出的神經(jīng)電信號在頭皮上的線性疊加,由此,在頭皮處采集到的腦電數(shù)據(jù)可以用非高斯的、統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的信號源的線性組合來建模,進(jìn)而應(yīng)用獨(dú)立分量分析的方法來進(jìn)行處理(如圖4)。設(shè)從N個(gè)腦電電極獲得的觀測信號為X-(x,,x2,,x、)t,每個(gè)觀測信號是顱內(nèi)包括癱網(wǎng)灶在內(nèi)的M個(gè)獨(dú)立源信號S-(s,,s2,,s,)t的線性組合,即X-A,S(1)其中A-(a皿j)柳為未知的混合矩陣,N〉M。ICA方法就是在混合矩陣A和獨(dú)立成分S未知的情況下,根據(jù)觀測數(shù)據(jù)確定分離矩陣W-[w,,^…,w,]t,使得變換后的輸出Y=W,X(2)是對S的鼉優(yōu)估計(jì),從而實(shí)現(xiàn)從腦電觀測信號向原始顱內(nèi)的獨(dú)立源信號的變換t如圖5)。本實(shí)用新型的檢測裝置具有兩個(gè)誘發(fā)信號輸出通道和十六導(dǎo)生理電信號信號輸入通道,可以輸出重復(fù)頻率0.01Hz100Hz、占空比5%95%、幅度0V土5V并連續(xù)可調(diào)的各種函數(shù)或任意定義的誘發(fā)電信號,以50ksps的采樣率實(shí)時(shí)采集誘發(fā)電位輸入信號,并可以對輸入信號進(jìn)行模擬、數(shù)字信號處理,以滿足研究需要。在PDA等移動計(jì)算設(shè)備的CF接口基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出工作于IO模式的CF+卡,并編寫出運(yùn)行于WindowsCE等移動操作系統(tǒng)平臺上的設(shè)備驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)采集、處理程序,完成誘發(fā)電信號的產(chǎn)生和誘發(fā)電位的采集。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程簡單,軟件設(shè)計(jì)平臺完巷。實(shí)踐表明基于PDA等移動計(jì)算設(shè)備和CF接口技術(shù)的誘發(fā)電位測試系統(tǒng)的卓越的誘發(fā)信號發(fā)生和實(shí)時(shí)采集、處理誘發(fā)電位信號的能力,滿足大多數(shù)誘發(fā)電位生理研究的需要。隨著各種PDA等移動移動計(jì)算設(shè)備的推出、推廣,其功能和易用性的增強(qiáng),極大地推動著基于這些設(shè)備的便攜式測試系統(tǒng)的研究,代表著測試系統(tǒng)微型化、虛擬化的發(fā)展趨勢。虛擬神經(jīng)誘發(fā)電侑號檢擁系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)神經(jīng)誘發(fā)電信號測試系統(tǒng)通常包括誘發(fā)信號發(fā)生和神經(jīng)誘發(fā)電信號采集兩部分,誘發(fā)信號發(fā)生部分可以根據(jù)霈要產(chǎn)生相應(yīng)的誘發(fā)電信號,這個(gè)電信號再通過電極或各種換能器作用于人體,使人體產(chǎn)生神經(jīng)誘發(fā)電信號;神經(jīng)誘發(fā)電信號采集部分則將電極或各種傳感器輸入的信號進(jìn)行必要的調(diào)理并顯示、存貯起來,或進(jìn)一步將信號數(shù)字化并將數(shù)字化的信號進(jìn)一步處理。早期的神經(jīng)誘發(fā)電信號測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單,僅有序列脈沖發(fā)生器作為誘發(fā)信號發(fā)生部分和模擬示波器作為神經(jīng)誘發(fā)電信號顯示部分,信號的記錄和分析要使用坐標(biāo)紙手工描繪或用照相機(jī)拍照等手段;隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,神經(jīng)誘發(fā)電信號測試系統(tǒng)的誘發(fā)信號發(fā)生器和神經(jīng)誘發(fā)電信號記錄裝置有了較大的改進(jìn),用多種函數(shù)信號發(fā)生器取代了序列脈沖發(fā)生器,模擬信號記錄儀被用來記錄神經(jīng)誘發(fā)電信號信號["3。20世紀(jì)90年代末,微型計(jì)算機(jī)技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用,在微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動下,神經(jīng)誘發(fā)電信號測試系統(tǒng)的誘發(fā)信號發(fā)生器被設(shè)計(jì)成基于DDS技術(shù)的信號發(fā)生器,而神經(jīng)誘發(fā)電信號的觀察記錄部分則被全數(shù)字化,神經(jīng)誘發(fā)電信號不僅能夠方便地觀察和以數(shù)字方式存貯,而且可以進(jìn)行各種分析處理。相對于體積龐大的神經(jīng)誘發(fā)電信號測試系統(tǒng),在i午多應(yīng)用場合對其小型化和便攜性能提出了較高的要求,比如手術(shù)室、動物實(shí)驗(yàn)操作間和某些疾病的大范圍的篩査等。為滿足基礎(chǔ)生理研究、疾病診療和篩査等實(shí)際應(yīng)用的要求,我們設(shè)計(jì)了一套基于PDA等移動計(jì)算平臺和CF接口技術(shù)的神經(jīng)誘發(fā)電信號測試系統(tǒng)?;赑DA等移動計(jì)算設(shè)備平臺和CF接口技術(shù)的神經(jīng)誘發(fā)電信號測試系統(tǒng)主要包括CF接口和控制器部分、DDS信號發(fā)生器部分、誘發(fā)信號調(diào)理和功率放大部分、生理電信號信號預(yù)處理和調(diào)理部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理部分、電源管理部分等,如圖6-l。其中CF接口和控制器部分、DDS信號發(fā)生器部分、數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換器接口和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器接口以及數(shù)宇信號處理部分等數(shù)字部分主要由一片F(xiàn)PGA(Altera公司Cyclone系列EP1C6F256)實(shí)現(xiàn),以降低PCB板設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度,提高電路可靠性,同時(shí)也減小了電路板的面積,削減了功耗,符合便攜式儀器的要求。系統(tǒng)的CF接口和控制器部分主要完成與主機(jī)的數(shù)據(jù)與信息交換,使主機(jī)識別本系統(tǒng)并協(xié)同主機(jī)完成初始化歩驟,在應(yīng)用過程中接受主機(jī)的指令和數(shù)據(jù),控制系統(tǒng)的誘發(fā)電信號的發(fā)生和調(diào)理,神經(jīng)誘發(fā)電信號信號的采集和處理,同時(shí)適時(shí)地(利用中斷方式或主機(jī)査詢方式)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī);系統(tǒng)的DDS信號發(fā)生-器部分主要完成將主機(jī)發(fā)送來的誘發(fā)信號的波形數(shù)據(jù)合成模擬的電信號,并根據(jù)主機(jī)的指令改變誘發(fā)信號的頻率、幅度和占空比等參數(shù)。誘發(fā)信號調(diào)理和功率放大部分主要將DDS信號發(fā)生器輸出的電信號濾波,濾除離頻分量,使信號變得光滑,最后將其放大到一定的功率輸出;生理電信號信號預(yù)處理和調(diào)理部分主要將輸入的生理電信號信號緩沖、放大,用抗混疊濾波器濾除高頻分量,以降低模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號的偽低頻噪聲,并根據(jù)主機(jī)的指令,調(diào)整其增益,使輸入的信號幅度適合模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求;模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理部分根據(jù)主機(jī)的設(shè)置,以一定的采樣率釆集模擬生理電信號信號,并在主機(jī)的控制下用硬件的方法將數(shù)字信號加以處理,從強(qiáng)噪聲背景中提前真實(shí)的生理電信號信號,或?qū)⑿盘栕鞲鞣N變換(比如F打、WaveletTransform等),以便從其它角度(時(shí)域、頻域或其它空間)考察神經(jīng)誘發(fā)電信號。電源管理部分將主機(jī)通過CF接口提供的3.3V或5.0V電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各部分需要的電壓,并在必要時(shí)候關(guān)閉部分電路的電源供應(yīng)以降低系統(tǒng)的功耗,延長PDA等移動計(jì)算設(shè)備的電池使用時(shí)間。CF接口技術(shù)CF接口技術(shù)繼承于PCMCIA接口技術(shù),它是在PCMCIA技術(shù)的基礎(chǔ)上,由SanDisk公司于19訴年推出并逐漸得到眾多的移動計(jì)算設(shè)備生產(chǎn)商和IEEE組織的認(rèn)可'°"。隨著便攜式移動計(jì)算設(shè)備的不斷涌現(xiàn),它們對外部數(shù)據(jù)存貯器和外部設(shè)備的要求不斷增加,CF卡的功能也B趨多樣化,CF接口技術(shù)協(xié)議也不斷得以擴(kuò)充?,F(xiàn)在CF卡的種類除了數(shù)據(jù)存貯卡外,還涵兼了基于CF接口的Mini硬盤、以太網(wǎng)卡、無線網(wǎng)卡(802.11a/b/g)、傳真/調(diào)制解調(diào)器卡(啦d棚)、無線尋呼卡(pager〉、數(shù)據(jù)采集卡等。基于CF接口的其它非存貯卡一般稱CF+卡,以與單純的僅有存貯功能的CF卡區(qū)分。CF卡的結(jié)構(gòu)根據(jù)它的功能一般包括主機(jī)接口、控制器和Flash存貯器模塊(CF卡)或I/0模塊(CF+卡)三部分,如圖6。CF卡的主機(jī)接口、控制器和Flash存貯器模塊通常集成在一起,以單集成電路的形式來減小體積、降低功耗,節(jié)約成本;CF+卡根據(jù)不同功能,它的IO模塊不同,所以它的主機(jī)接口、控制器和I/0模塊通常是分離的,只有少數(shù)發(fā)行量較大的CF+卡有專用集成電路支持,它的三部分集成在一起。CF卡可以工作在3.3V和5.OV兩種供電系統(tǒng)中,電源電壓誤差分別應(yīng)不超過±5%和±10%。在3.3V邏輯狀態(tài)下,邏輯低電平應(yīng)不高于0.6V,邏輯高電平應(yīng)不低于1.5V;在5.0V邏輯狀態(tài)下,邏輯低電平應(yīng)低于0.8V,邏輯高電平應(yīng)大于2.0V。綜合3.3V和5.0V邏輯系統(tǒng),其輸入、輸出邏輯電平只要諶守通用3.3VCMOS電平要求即可,也就是邏輯低電平應(yīng)低于0.4V,邏輯高電平應(yīng)高于2.4V。CF卡的主機(jī)接口為25X2的雙列Female型連接件,孔間距1.27mm,接口連接件外觀如圖7所示。CF卡具有三種工作模式,即存貯卡模式、IO模式和trueIDE模式,在這三種模式下其接口信號腳定義有差別。就本研究中CF+卡所使用的IO模式,信號定義見表l。根據(jù)CF技術(shù)規(guī)范,就工作于10模式的CF+卡而言,其卡內(nèi)地址空間大致分三部分屬性存貯器空間、普通存貯器空間和10空間。對屬性存貯器空間和普通存貯器空間的操作均涉及到/REG、/CE、/0E、/WE、A10A0、D15D0信號,其中對屬性存貯器空間操作時(shí)REG信號低電平有效,以與普通存貯器空間操作(REG信號高電平有效)區(qū)別,并且它的AO信號總保持0,即它的D15D8信號無效;對10空間操作涉及到/REG、/CE、/10RD、/10WE、A10A0、D15D0信號,它的REG信號雖然也是低電平有效,但讀寫操作由/I0RD、/10WE信號替代了/0E和/WE信號,這樣就與屬性存貯器空間的操作區(qū)分開表l.信號名稱信號方向信號編號功能A10A0I8,1012,14~2011位地址總線/STSCHGI/O46CF卡的狀態(tài)改變/SPKRI/O45二進(jìn)制音頻輸出,若無此功能,該腳接地/CD1,/CD2026'25CF卡接入檢測/CE1、/CE2I7,32芯片選擇/CSELD15D00GNDI/O393廣27,4947,62,23~211,50在IO模式中該腳不用16位數(shù)據(jù)總線電源及信號地/INPACK043主機(jī)讀寫操作響應(yīng)/IORDI34IO空間讀取信號/IOWRI35IO空間寫入信號/0EI9屬性和普通空間讀取信號/1卿037中斷請求信號/REGI44讀寫操作空間選擇RESETI41復(fù)位信號VCC—13,38電源/VS1、/VS2033,40電源電壓選擇/WAIT042主機(jī)讀寫等待指示信號/WE/I0IS1603624屬性和普通空間寫入信號16位操作指示信號對于一個(gè)CF卡來說,它是否能夠被主機(jī)識別并正常運(yùn)行,取決于它的;CIS(CardInformationStructure)編寫是否正確、恰當(dāng)。CIS是存貯在CF卡內(nèi)非揮發(fā)存貯器中的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),主機(jī)的操作系統(tǒng)通過讀取CIS來檢測安裝的CF的類型、工作速度、可操作的空間大小和對系統(tǒng)資源的需求等。CIS—般位于CF的屬性存貯器空間,最大長度為256字節(jié),起始地址為0x0000。由于為了與8位系統(tǒng)兼容,CIS僅使用數(shù)據(jù)總線的低8位進(jìn)行操作,因此CIS數(shù)據(jù)只占用偶數(shù)地址,于是它最大將占用512字節(jié)的屬性存貯器空間。作為只讀存貯器,它只能進(jìn)行讀取操作,對它的寫入操作將是非法的和無效的。CIS是由一系列的被稱為"Tuple"的數(shù)據(jù)段(或稱為數(shù)據(jù)快)鏈接組成,每個(gè)"T叩le"的結(jié)構(gòu)大致相同,其主要包括一個(gè)字節(jié)TPL—CODE、一個(gè)字節(jié)TPLJJNK、和2-N字節(jié)的TPL_DATA(包括"Tuple"結(jié)束標(biāo)志符OxFF),其中TPL_C0DE表明存貯于"Tuple"中的信息類型,TPLJJNK指向下一個(gè)"T叩le"(通常是本"Tuple"中還剩余的字節(jié)數(shù)),而TPIJ)ATA則為本"Tuple"信息的詳細(xì)說明數(shù)據(jù),不同的"T叩le"信息類型*其包含的TPU)ATA數(shù)據(jù)數(shù)量不同。關(guān)于"Tuple"的詳細(xì)內(nèi)容,可參閱相關(guān)參考文獻(xiàn),CF接口部分的設(shè)計(jì)基于PDA等移動計(jì)算設(shè)備平臺和CF接口技術(shù)的誘發(fā)電位測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于CF接口電路和相關(guān)固件的設(shè)計(jì)及設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計(jì)的編寫.CF接口電路和相關(guān)固件等主要由FPGA實(shí)現(xiàn),對于FPGA的設(shè)計(jì)采用Altera公司的集成開發(fā)環(huán)境Quartus下的VHDL語言,對于CF+卡的設(shè)備驅(qū)動程序的編寫采用Microsoft公司的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)工具DDK和嵌入式VisualC++(eMbeddedVisualC++)集成開發(fā)環(huán)境。CF接口部分睡件的設(shè)計(jì)由于所選用的FPGA的IO腳電平與CF卡信號電平完全兼容,因此,CF+卡的各個(gè)接口信號配置顯得非常簡單易行,這樣,CF+接口部分設(shè)計(jì)的重點(diǎn)則是CIS的實(shí)現(xiàn)。分析本研究中用VHDL語言表達(dá)的CIS模塊。EntityCISisPort(reg,n一cel,n一ce2,n一oe,n一we:instd一logic:a:inintegferrange0to2Q47:data-outintegerrange0to65535),endCIS;一一以上定義CIS模塊的接口,由于CIS位于屬性存貯器空間,對它的操作僅涉及n一we,n一oe信號,ArchitectureCIS—behaviorofCISistypecis_blockisarray(0to255)ofstd一logic一vector(7do曹nto0):一一以上定義一個(gè)數(shù)組結(jié)構(gòu),用于組織CIS數(shù)據(jù)。constantc'is:cis_block:=(----定義CIS數(shù)據(jù)。x*01',x*03',x*D9',x*0r,x*Fr,——第一個(gè)"T叩le",定義CF卡的識別號、速度和空間大小等。x*lC*,,05*,x*03*,x*D9*,x*01*,x"FF、x*00:——第二個(gè)"Tuple",定義工作電壓等。x'18人x"02',x勺F",x'0r,——第三個(gè)"Tuple",定義JEDEC識別碼。xw2(T,x"0(T,jT0(T,x"00",x"O(T,xw0(T,——第四個(gè)"Tuple",定義生產(chǎn)商代碼,此代碼由CF協(xié)會分配。x一15jc'17:)T0廣,x'0(T,一一第五個(gè)"Tuple",定義固件版本和生產(chǎn)商名稱的字符串等,版本號l.O。x"4E',x"6r,,6E",x*6A",x*69*,x"6E",x"67",x"20",——生產(chǎn)商名稱的字符串,"Nanjing"。,47:x*65x*6E*,,6E*,x'69',,6E*,,65*,x*72*,x一6廣,x'6(T,x*20*,——"General"。x*48*,x*6F*,3C'73',x*70*,x"69',x*74*,x*61',x*6C',x*2(T,——"Ho印ital"。x*14*,x*00*,jT*,x'FF'—-CIS中*后一個(gè)"Tuple",通常表示CIS的結(jié)束。signala_vector:std_logic_vector(15downto0):signaldata一t卿std一logic一vector(15downto0):signala一divintegerrange0to255:begina—vector<=conv一std」ogic—vector(a,16):a_div<=a/2:-—偶數(shù)地址有效process(reg,n_cel,n_oe,njre)----完成對一個(gè)CIS數(shù)據(jù)段的讀取操作beginif(reg=*0'andn_cel='0'andn_oe='0'andn一nre='1,anda一vector(O)=,0,)thendata一tmp<=(0=>cis(a—div)(0),1=>cis(a一div)(1),2=>cis(a一div)(2),3=>cis(a一div)(3),4=>cis(a_div)(4),5=>cis(a一div)(5),6=>cis(a一div)(6),7=>cis(a_div)(7),others=>,0,helsedata一t卿<='ZZZZZZZZZZZZZZZZ':endif:data<=conv—integer(data_tmp):endprocess;endcis_behavior;CF接口部分豕動程序的設(shè)計(jì)PocketPC駆動簡介WindowsCE3.0是微軟公司針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),具有可以獨(dú)立開發(fā)的內(nèi)核和設(shè)備駆動程序模塊,PocketPC是針對掌上電腦的定制化的WindowsCE操作系統(tǒng),其驅(qū)動程序模塊類型與WindowsCE—致。PocketPC驅(qū)動程序模塊以靜態(tài)連接庫(.lib文件)或動態(tài)連接庫(.dll文件)形式實(shí)現(xiàn),共支持四種驅(qū)動程序類型本機(jī)驅(qū)動(Nativedriver〉、流接口驅(qū)動(StreamInterfacedriver〉、USB接口驅(qū)動(USBdriver)和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(NDISdriver)。本機(jī)驅(qū)動是指本地設(shè)備的驅(qū)動程序,如點(diǎn)觸式面板,顯示器,鍵盤,發(fā)光二極管,電池等的驅(qū)動,USB和NDIS驅(qū)動分別是針對USB設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議驅(qū)動實(shí)現(xiàn),流接口驅(qū)動暈為連接基于WindowsCE平臺的外圍設(shè)備而設(shè)計(jì)的,包括串口、PC卡,CF卡等。CF卡驅(qū)動架構(gòu)和原理設(shè)計(jì)CF卡驅(qū)動程序的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)PocketPC應(yīng)用程序?qū)F卡系統(tǒng)硬件的訪問,實(shí)現(xiàn)CF卡設(shè)備的管理和即插即用。應(yīng)用程序?qū)F卡硬件的訪問霈要考慮驅(qū)動程序的體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用程序與驅(qū)動程序的交互、驅(qū)動層的中斷處理等問題;CF卡的即推即用問題涉及設(shè)備管理程序、設(shè)備文件名等等。流接口驅(qū)動程序的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)PocketPC中CF卡驅(qū)動程序?qū)?yīng)的是流接口驅(qū)動。流接口驅(qū)動程序是一個(gè)管理外圍設(shè)備的動態(tài)連接庫(.dll),它把設(shè)備表示為文件系統(tǒng)的一個(gè)特殊文件,主要任務(wù)是把外設(shè)的使用傳遞給應(yīng)用程序。PocketPC的設(shè)備文件存在固定的路徑"WWindows"下,以一個(gè)特殊的命名慣例來區(qū)分設(shè)各文件和其他文件。流接口驅(qū)動程序接收設(shè)備管理器和應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用的命令,并且封裝所有命令,轉(zhuǎn)換成控制設(shè)備適當(dāng)?shù)膭幼餍畔?。圖8給出了CP卡的流接口驅(qū)動程序和其他系統(tǒng)部件間的相互關(guān)系流接口驅(qū)動程序通過內(nèi)部硬件訪問外圍設(shè)備。對CF卡而言,內(nèi)部設(shè)備是PF卡插槽,由內(nèi)置CF卡插槽驅(qū)動程序驅(qū)動,而CF卡插槽驅(qū)動程序提供編寫CF卡流接lt]驅(qū)動程序的插槽接口函數(shù)。即CF卡的設(shè)備驅(qū)動程序使用CF卡服務(wù)庫(由CF卡插槽接口函數(shù)組成),CF卡服務(wù)庫控制CF卡插槽硬件。實(shí)現(xiàn)即插即用在PocketPC中,中斷、1/0端口等系統(tǒng)資源被操作系統(tǒng)接管,并由其根據(jù)情況進(jìn)行智能分配,當(dāng)設(shè)備連接到掌上電腦時(shí),操作系統(tǒng)能自動識別并啟動相應(yīng)的擊動,這就是即插即用,為實(shí)現(xiàn)PocketPC的CF卡即插即用,必須理解兩個(gè)概念設(shè)備管理程序(DeviceManager,DM)和設(shè)備文件名。設(shè)備管理程序設(shè)備管理程序?qū)儆谟脩魧映绦颍c內(nèi)核,注冊表和流接口驅(qū)動程序DLL相互作用并實(shí)現(xiàn)特定功能(見圖8),從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用。設(shè)備管理程序執(zhí)行下列任務(wù)-1.初始化驅(qū)動程序的加載,在系統(tǒng)啟動或收到用戶在基于PocketPC平臺上增加外圍設(shè)備的信息時(shí),開始加載相應(yīng)驅(qū)動2.向內(nèi)核注冊設(shè)備文件名。該文件名把應(yīng)用程序使用的流I/O函數(shù)映射到流接口驅(qū)動程序的對應(yīng)函數(shù);3.啟動相應(yīng)的驅(qū)動程序。通過從外圍設(shè)備獲得即插即用標(biāo)識符或激活一個(gè)檢査模塊為外圍設(shè)備尋找合適的設(shè)備驅(qū)動程序;4.自動卸載設(shè)備驅(qū)動程序。通過讀寫注冊表值加載和媒蹤驅(qū)動程序,當(dāng)不再霈要設(shè)備時(shí)卸載其軀動程序。設(shè)備文件名應(yīng)用程序通過文件系統(tǒng)里的特殊入口訪問外圍設(shè)備,PocketPC的文件系統(tǒng)可以識別特殊文件名并重定向文件1/0操作到適當(dāng)?shù)牧鹘涌隍?qū)動程序。設(shè)備文件名前綴由三個(gè)大寫字母組成,用來識別與特殊流接口驅(qū)動程序相對應(yīng)的特殊設(shè)備文件名。文件名前綴存儲在注冊表的相應(yīng)驅(qū)動程序的鍵值中。在用戶生成流接口驅(qū)動程序時(shí),必須指定這三個(gè)前綴字母。即插即用驅(qū)動加載過程就是對中斷、1/0端口等系統(tǒng)資源進(jìn)行系統(tǒng)分配的過程。此過程與設(shè)備營理程序和設(shè)備文件名緊密相關(guān)。1.加載流接口軀動CF卡加載流接口驅(qū)動有兩種方法第一種加栽的類型是在設(shè)備管理程序自動檢測到CF卡與PocketPC平臺的連接時(shí)進(jìn)行的,第二種加載的形式是在設(shè)備管理程序不能自動檢測到CF卡與平臺的連接時(shí),使用該CF的應(yīng)用程序必須列出該外圍設(shè)備的驅(qū)動程序,即主動調(diào)用"RegisterDevice()"或者"ActivateDevice()"函數(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的加載。即插即用時(shí)驅(qū)動的加載是采用第一種類型。實(shí)現(xiàn)CF卡即插即用,首先下位機(jī)需要修改相應(yīng)的CIS(CardInformationStructure),在驅(qū)動中添加檢測模塊,并且在注冊表添加設(shè)備注冊信息。當(dāng)系統(tǒng)開啟或者CF卡插入槽后,設(shè)備管理程序會調(diào)用在注冊表中設(shè)置的檢測模塊檢測插卡類型,如果符合,則會加載相應(yīng)的驅(qū)動,檢測模塊寫成DLL的形^,調(diào)用CF卡插榷接口函數(shù)檢測CIS中的數(shù)據(jù),判斷是否對應(yīng)設(shè)備。如果對應(yīng),則吿訴DM需要加載注冊表中指定的相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動程序。2.卸載流接口驅(qū)動流接口驅(qū)動根據(jù)加載驅(qū)動的方式用兩種方式分別卸載。對設(shè)備管理程序自動加載的設(shè)備,當(dāng)檢測到CF卡從插槽拔出時(shí),設(shè)備管理程序從"HKEY_L0CAL—MACHINE\Driver\Active"鍵中刪除相應(yīng)驅(qū)動程序項(xiàng),并調(diào)用"DeregisterDevice"函數(shù)從文件系統(tǒng)中刪除相應(yīng)外圍設(shè)備的文件名,同時(shí)通知"FreeLibrary"函數(shù)卸載動態(tài)連接庫。對應(yīng)用程序主動加載的驅(qū)動設(shè)備,應(yīng)用程序必須在動態(tài)連接庫存在前通過調(diào)用函數(shù)"DelregisterDevice"來卸載動態(tài)連接庫。編寫CF卡接口驅(qū)動程序動態(tài)連接庫CF卡驅(qū)動程序使用CF卡插槽接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動。對每個(gè)驅(qū)動程序而言,其所要求的標(biāo)準(zhǔn)的入口點(diǎn)用來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)文件I/0函數(shù)和電澳管理函數(shù),這些函數(shù)由WinCE操作系統(tǒng)的內(nèi)核使用。這些標(biāo)準(zhǔn)入口點(diǎn)為XXX_Close、XXX_Denit、XXX_Init、XXX一IOControl、XXXJ)pen、XXX一PowerDown、XXX_PowerUp、XXX_Read、XXX_Write等。生成一個(gè)動態(tài)連接庫之前,必須用設(shè)備文件名前綴替換入口點(diǎn)名字中的XXX,以對應(yīng)不同的設(shè)備驅(qū)動。CF卡驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)PocketPC2003的CF卡驅(qū)動,即采用EVC4.0+PocketPCSDK,在EVC里編譯代碼,生成動態(tài)連接庫,然后導(dǎo)入到PocketPC的"\\Windows"目錄下,并添加注冊表信息,實(shí)現(xiàn)即插即用。實(shí)現(xiàn)流接口驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)接口(這里假設(shè)設(shè)備文件名取CFC)1.CFC一Init設(shè)備管理程序調(diào)用"RegisterDevice"或"ActivateDevice"進(jìn)入此模塊。通過XXX一Init()的返回值判斷CF卡初始化是否執(zhí)行成功。此模塊完成以下功能a.初始化CF卡硬件。b.分配資源。c.注冊回調(diào)函數(shù),當(dāng)設(shè)備狀態(tài)變化,則操作系統(tǒng)調(diào)用此回調(diào)函數(shù)CardRegisterClientod.分配IO資瀕,調(diào)用CF卡插槽驅(qū)動接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)。e.注冊中斷函數(shù),調(diào)用CardR叫uestIRQ()函數(shù)。f.配置CF卡寄存器。2.CFC一Deinit系統(tǒng)設(shè);管理程序調(diào)用此模塊卸載CF卡。需要做的工作是釋放申請的資源等。3.CFC一Qpen應(yīng)用程^調(diào)用"Createfile"時(shí)進(jìn)入此模塊,主要是分配資源,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化。4.CFC一Close應(yīng)用程調(diào)用API接口"CloseHandle(hFile)"進(jìn)入此模塊,關(guān)閉CF卡的驅(qū)動。5.CFC一Read應(yīng)用程調(diào)用AFI接口"ReadFile"進(jìn)入此模塊,讀取CF卡數(shù)據(jù).6.CFC_Write應(yīng)用程調(diào)用API接口"WriteFile"進(jìn)入此模塊,向CF卡寫數(shù)據(jù)。7.CFQJOControl應(yīng)用層調(diào)用"DeviceIoControl()"進(jìn)入此模塊。驅(qū)動中斷處理PocketPC處理中斷的方法是在處理XXX一Init調(diào)用的過程中讓流接P驅(qū)動程序生成一個(gè)新的線程,這個(gè)線程叫做中斷服務(wù)線程(1ST)。在中斷發(fā)生時(shí),操作系統(tǒng)就給中斷服務(wù)線程發(fā)信號。CF卡驅(qū)動程序的中斷服務(wù)線程從CardRequestIRQ函數(shù)接受信號。因?yàn)閮?nèi)建CF卡插榷的驅(qū)動程序得到由CF卡插槽生成的原始中斷,所以PC卡驅(qū)動程序并不直接處理中斷。在中斷發(fā)生時(shí),進(jìn)入CardR印uestIRQ指定的PC卡插槽驅(qū)動程序調(diào)用的回調(diào)函數(shù)。應(yīng)用程序與驅(qū)動交互PocketPC對設(shè)備的操作是釆用文件操作實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用層可以調(diào)用以下API接口函數(shù)對設(shè)備進(jìn)行操作Createfile():創(chuàng)建設(shè)備文件。ReadFile():讀取設(shè)備數(shù)據(jù)。WriteFile():放送數(shù)據(jù)至設(shè)備。DeviceIOControl():其他的相關(guān)操作。CloseHandle(〉關(guān)閉設(shè)備文件。應(yīng)用程序經(jīng)由"CreateFile()"打開和存取CF卡驅(qū)動程序,產(chǎn)生一個(gè)對CF卡驅(qū)動程序中"CFCJ)peri()"的調(diào)用,驅(qū)動程序返回一個(gè)句柄,然后該句柄被常規(guī)的Win32文件功能所用,如"WriteFile()"和"ReadFile()"。調(diào)用"WriteFile()"和"ReadFile()"分別對應(yīng)驅(qū)動程序的"CFCJfrite()",和"CFC一Read()"模塊。最后,"CloseHandle()"調(diào)用驅(qū)動程序的"CFC—Close()"模塊釋放內(nèi)部資源。驅(qū)動程序的安裝驅(qū)動程序的安裝并不只是一個(gè)動態(tài)連接庫,包括需要用到的數(shù)據(jù)文件、配置文件,和添加事先定義好的注冊表項(xiàng)。以下是添加系統(tǒng)注冊表例子[HKEY一LOCAL一MACHI,rivers、CFC]"D11"="CFCDiriver.dll""Prefix"="CFC"驅(qū)動安裝過程是將驅(qū)動程序"CFCDriver.dll"文件存到POCKETPC中Wwindows目錄下,并且修改注冊表,制作安裝包可以采樣SDK中自帶的工具實(shí)現(xiàn)。DDS侑號發(fā)生器都分的設(shè)計(jì)DD6技術(shù)直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS,如圖12)是從相位概念出發(fā)利用數(shù)字撥術(shù)直接合成所需要波形的一種新的頻率合成技術(shù),在DDS系統(tǒng)中,輸出信號一個(gè)完整周期的幅度值類序地存放在波形RAM中,在系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動下,相位累加器產(chǎn)生信號在一個(gè)周期中的一系列的相位值,這些值可以一一映射到波形RAM的地址域中當(dāng)輸出信號相位變化從而使與之一一映射的RAM地址變化時(shí),數(shù)模轉(zhuǎn)換器將波形RAM中相應(yīng)地址上的信號幅度值轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號,該直接數(shù)字合成的信號的頻率與RAM地址或者說與信號相位變化的速率成正比(如圖ll、13所示)。在DDS系統(tǒng)中,一個(gè)完整的DDS發(fā)生器通常包括一個(gè)N位全加器(NbitsPul1Adder,FA)、一個(gè)Nl位相位増量寄存器(N,.bitsPhaseIncrementRegister,PIR)、一個(gè)N位相位寄存器(NbitsPhaseRegister,PR)、一個(gè)M位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以及波形RAM(WaveRAM,WRAM)及其控制器等部分,如圖11所示。在每一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期中,存貯于相位增量寄存器(PIR)中的相位増量都與存貯于相位寄存器(PR)中的相位值在全加器中累加,其結(jié)果仍鎖存于相位寄存器(PR)中,相位寄存器(PR)的最髙端隊(duì)位用來確定波形RAM的地址(N,取即為波形RAM地址的位數(shù),波形RAM的容量應(yīng)該是2&)。當(dāng)相位寄存器(PR)溢出時(shí),DDS發(fā)生器完成對整個(gè)波形RAM的掃描,同時(shí)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出一個(gè)完整周期的信號波形。改變相位增量寄存器(PIR)的值以改變相位寄存器(PR)在每個(gè)時(shí)鐘周期中的變化值,也就是改變波形RAM地址的變化速率,從而改變波形的輸出頻率,如圖ll所示。在DDS系統(tǒng)中,根據(jù)直接數(shù)字合成技術(shù)的原理,輸出信號的頻率F通常與系統(tǒng)時(shí)鐘頻率Ftu、相位寄存器(PR)的位數(shù)N、相位增豕寄存器(PIR)的值PIR有如下關(guān)系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage20</formula>輸出信號的最小頻率^應(yīng)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage20</formula>此時(shí)相位增量寄存器(PIR)的值尸漢-1,根據(jù)奈奎斯特(Nyquist)定理,輸出信號的頻率條大值F-,應(yīng)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage20</formula>此時(shí)相位增量寄存器(PIR)的值P/及-2"。當(dāng)要求信號精密輸出也就是波形RAM中每一個(gè)數(shù)據(jù)都是輸出信號在一個(gè)甩期中的一個(gè)幅度值時(shí),輸出信號的雖大頻率F-,與系統(tǒng)時(shí)鐘頻率Feu、波形RAM地址的位數(shù)N,有如下關(guān)系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>此時(shí)相位增l:寄存器(PIR)的值P漢-2"—,輸出信號的榮小頻率!^與系統(tǒng)時(shí)鐘頻率F,u、相位寄存(PR)的位數(shù)N有如下關(guān)系mm2W(6.4丄2)此時(shí)相位増量寄存器(PIR)的值戶說-1,輸出信號頻率F的最小變化量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>此時(shí)相位增置寄存器(PIR)的值K/VJ^2W—&。在實(shí)際DDS信號發(fā)生器設(shè)計(jì)中,根據(jù)需要,確定信號發(fā)生器工作參數(shù)如下輸出信號的最大頻率F-,-lOOHz,最小頻率F,,,-O.OlHz,頻率變化量,在F〈l.加z時(shí)為厶F=0.01Hz,在頻率1《F〈10Hz時(shí)為厶F-0.1Hz,在頻率10《F《100Hz時(shí)為AF=lHz,為了輸出波形精度以及設(shè)計(jì)方便等考慮,取DDS中數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的位數(shù)為14位,取波形RAM的容量為16KB,即M-14bits,NA=14bits。由上述公式(6.4,1.1)有,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>于是,即,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>再由公式(6.4.1.3)有,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>于是,即,基于設(shè)計(jì)方便并兼顆輸出信號精度考慮,在實(shí)際設(shè)i+中,N取32位,再由公式(6.4.1.2)有,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>,綜合考慮到PIR取傢、電路元器件選擇和軟件編寫等因素,取Felk=14.318MHz。這樣,確定DDS中各參數(shù)如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>Fclk=14.318MHz,當(dāng)PIR及=2.999697≈3時(shí),可得輸出信號Fmin=0.OlHz,當(dāng)PIR=29996.9779≈30000時(shí),可得輸出信號Fmax=100Hz,當(dāng)ΔPIR=2.999697≈3時(shí),可得輸出信號ΔF=0.01Hz?;贒DS技術(shù)的信號發(fā)生器的組成根據(jù)DDS技術(shù)的原理,基于DDS技術(shù)的信號發(fā)生器主要由DDS控制器、高速靜態(tài)RAM、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器、復(fù)位電路、數(shù)字電源、模擬電源等部分組成,其中DDS控制器用來完成與微處理器接口、波形RAM的刷新、波形RAM的掃描讀取、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的刷新與控制等功能,高速靜態(tài)RAM用來存放波形數(shù)據(jù),高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器在DDS控制器控制下完成對數(shù)字形式的波形進(jìn)行模擬化轉(zhuǎn)換輸出,低通濾波器用以濾除附加在較低頻率信號上的高頻數(shù)字偽信號。如圖12所示。由于DDS技術(shù)具有其它頻率合成技術(shù)所無法比擬的優(yōu)點(diǎn),所以它在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。也正是它的廣泛應(yīng)用,促使了眾多半導(dǎo)體器件供應(yīng)商竟相研發(fā)推出了具有不同特色的DDS專用集成電路(ASIC),比較著名的DDS專用集成電路有Qualcomm公司的Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368等系列以及美國ADI公司的AD985X系列等等,另外,可編程邏輯器件供應(yīng)商也紛紛推出了基于自己CPLD、FPGA的DDS的IP核,因此,現(xiàn)在設(shè)計(jì)DDS控制器相對比較簡單、容易。綜合考慮到系統(tǒng)對DDS控制器的要求、設(shè)計(jì)難度、設(shè)計(jì)復(fù)雜程度以及設(shè)計(jì)成本等因素,在DDS信號發(fā)生器設(shè)計(jì)中,我們采用了ALTERA公司的EPM7128AETC144-10可編程邏輯器件來設(shè)計(jì)DDS控制器?;贒DS技術(shù)的信號發(fā)生器必須通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)將其數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,我們選用了美國美信(MAXIM)公司的MAX7535。MAX7535是14位電流輸出型的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器,對于MAX7535輸出信號的不同配置,可以將其輸出信號配置為單極負(fù)輸出和雙極輸出,如圖13所示。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出的模擬信號必須經(jīng)過低通濾波器以濾除附加在較低頻率信號上的高頻數(shù)字偽信號。考慮到不同的輸出信號類型,我們設(shè)計(jì)了兩種不同的低通濾波器用于處理正弦波和方波信號的帶寬為10MHz的9階Elliptical濾波器和用于處理其它類型信號的帶寬為5MHz的7階Bessel濾波器,如圖6-9所示。當(dāng)神DDS信號發(fā)生器需要產(chǎn)生不同的信號時(shí),微處理器自動選擇相應(yīng)的低通濾波器,以使神經(jīng)閾值刺激儀獲得最佳的模擬信號輸出。功率放大器由于儀器輸出信號的頻率較低(0.01100Hz),因此功放電路必須采用直流耦合的推挽式放大電路,如圖14所示,圖中功放管采用3個(gè)型號為TIP41C的三極管。該放大電路具有結(jié)構(gòu)簡單,噪聲小,失真度低,性能可靠等諸多優(yōu)點(diǎn),是眾多直流功放電路中較典型的一種。測試結(jié)果DDS信號發(fā)生器在經(jīng)過印刷線路板制作、仔細(xì)調(diào)試、整機(jī)組裝后,利用Tektronix公司生產(chǎn)的TDS3034B型四通道數(shù)字存貯示波器對其產(chǎn)生的正弦波進(jìn)行觀察并進(jìn)行FFT處理,如圖15所示,處理測量結(jié)果如表2所示。根據(jù)失真度計(jì)算公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage22</formula>(Uhl,Uh2,IV"IL為各諧波的幅度值,Ub為基波的幅度值)將測量結(jié)果用代入,有γ=0.31%。表2DDS信號發(fā)生器輸出的正弦波經(jīng)FFT處理后測量結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>信號調(diào)理部分的設(shè)計(jì)神經(jīng)龜生理信號調(diào)理部分主要分信號緩沖、預(yù)放大、定標(biāo)、主放大器以及電平調(diào)理等環(huán)節(jié)組成,如圖16。從生理電極擷取的微弱的神經(jīng)電生理信號送入由3運(yùn)算放大器組成的可調(diào)增益的儀表放大器(比如INA128A等)中進(jìn)行緩沖和預(yù)放大儀表放大器的高輸入阻抗提高了整個(gè)儀器輸入端的輸入阻抗,降低了生理電極的信號衰減其高共模抑制比增強(qiáng)了系統(tǒng)初級的抗共模干擾能力,提髙了儀器的穩(wěn)定性另外,儀表放大器可以用單一電阻調(diào)節(jié)其增益,增益范圍可以為150V/V,且增益的調(diào)節(jié)基本上不影響放大器的輸入阻抗、共模抑制比和帶寬,有利于各通道神經(jīng)電生理信號的一致性調(diào)節(jié)。經(jīng)緩沖預(yù)放大的神經(jīng)電生理信號經(jīng)精密模擬開關(guān)(如DG528等)與標(biāo)準(zhǔn)方波信號進(jìn)行定標(biāo)當(dāng)控制信號將模擬開關(guān)切換到神經(jīng)電生理信號通道上時(shí),其向主放大器輸出預(yù)放大的腦電信號,當(dāng)控制信號將模擬開關(guān)切換到定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)方波信號通道上時(shí),其向主放大器輸出標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)方波信號(5VVp-p,20Hz,50%占空比)。主放大器將神經(jīng)電生理信號或定標(biāo)信號進(jìn)一步放大,經(jīng)電平調(diào)理后輸出到精密模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。整個(gè)神經(jīng)電生理信號調(diào)理部分放大器的增益為1000200000倍(V/V),輸入阻抗大于2.5M,共模抑制比大于98dB,頻率范圍0.01Hz100Hz,滿足神經(jīng)電生理信號的放大要求。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部分的設(shè)計(jì)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部分主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、驅(qū)動時(shí)鐘、控制邏輯以及錄據(jù)緩沖與整理等部分組成。.鋃據(jù)腦電信號的幅頻特征,模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率選擇128psp,字長8位,采用單片多模擬信號輸入通道輪采方式以減少ADC的數(shù)量,從而降低系統(tǒng)功耗和相互電磁干擾、減小系統(tǒng)體積和簡化設(shè)計(jì)難度;驅(qū)動時(shí)鐘、控制邏輯以及數(shù)據(jù)緩沖與整理等部分整合于一片大規(guī)模的可編程邏輯器件(CPLD)內(nèi),減少電路板的復(fù)雜程度和走線難度,提離電路的可靠性,這也符合便攜式儀器對功耗、體積和電磁兼容性的要求。電源管理部分的設(shè)計(jì)對于便攜式設(shè)計(jì),電源部分的設(shè)計(jì)非常重要,它有時(shí)甚至影響到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。對于便攜式儀器,其電源部分基本要求包括高效率,小體積,性能穩(wěn)定,電磁兼容性好,區(qū)分不同應(yīng)用,不僅具有多電壓、多電流輸出,而且可以具有正常工作輸出和休眠或待機(jī)輸出等。痛癇腦電信號處理系統(tǒng)中腦電信號檢測模塊盒的電源取自筆記本計(jì)算機(jī)的USB口或個(gè)人數(shù)宇助理的CF口,由于計(jì)算機(jī)的USB口提供的電源為5.0V/500mA,個(gè)人數(shù)字助理的CF口提供的龜源為3.3V/300mA,因此,電源部分設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)于這兩種接口所提供的電源,如圖17所示,電源模塊(MAX1702B)的輸入電壓范圍為2.65.5V,允許USB和CF接口所提供的電源有1諷的波動;電源輸出電壓有三路,并且這三路電壓可分別控制輸出/關(guān)閉,有專用信號指示其工作狀態(tài)(正常工作/關(guān)閉/過流)。整個(gè)電源部分包括功率管等都集成于一片集成電路內(nèi),僅ff少量電感、電阻、電容等外圍器件,再加上芯片工作頻率較離Ol朋z),有效地減小了外圍器件的參數(shù),從而減小了這些器件的體積。因此,整個(gè)電源管理部分就顯得緊湊、可靠、功能強(qiáng)大和設(shè)計(jì)簡便。腦電信號的分析方法腦電信號ICA分析的一般步驟包括1.數(shù)據(jù)采集按"4.1神經(jīng)誘發(fā)電信號的采集方法"放置16導(dǎo)電極,以256Hz采樣率采集16導(dǎo)腳電,所有信號都以耳突為參考點(diǎn),采樣時(shí)間約長度10s。2.ICA算法采用FastICA算法,即,設(shè)X為采集的原始信號,W為解泡陣,則Y-WX為分解出的獨(dú)立分量。算法共分三歩,包括I.準(zhǔn)備工作(D去均值,從x中減去MX}使x成為零均值變量;②白化(Whitening,或叫球化,Sphering),將X轉(zhuǎn)化成為白化的矢量^,使其分量不相關(guān)且為單位方差,即£{JeT"}=/。II.求一個(gè)ltlt分i的FastICA算法該算法最大化約束函數(shù)/使m的非高漸性最大,首先插出、fc"j的導(dǎo)數(shù)&rw、&W,然后按如下方法進(jìn)行迭代運(yùn)算①選擇初始的權(quán)矢量③令『-li^li;④如果)Ml板i,則返回②,重復(fù)計(jì)算r,直到iir收斂。III.求多個(gè)ft^分量的FastICA算法為估計(jì)幾個(gè)獨(dú)立分量,需要使用權(quán)矢量W,,K來運(yùn)行上述算法。為避免不同的矢量收斂于同一個(gè)暈大值,在每次迭代后必須去K乂…,《7的關(guān)聯(lián)性。一些特定的應(yīng)用中,要求使用對稱的去關(guān)聯(lián)法。另外應(yīng)用條件要求觀擁信號的數(shù)量不能少于要分離的獨(dú)立分量數(shù)量。3.處理結(jié)果應(yīng)用自行研制的腦電信號采集系統(tǒng)采集記錄疑似痛癇患者的腦電信號,并用獨(dú)立分量分析方法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。經(jīng)過獨(dú)立分量分析處理,從原始16導(dǎo)腦電信號數(shù)據(jù)中分離得到12路淸晰的獨(dú)立信號,其中5路信號無論從波形強(qiáng)度或波形特征上考察都可以明顯、方便地分辨出尖釘樣棘波,其它7路信號則基本上不包含尖釘樣棘波,如圖18所示,進(jìn)一步根據(jù)獨(dú)立分量分析處理過程得到的W矩陣和其逆陣A,將含有尖釘樣棘波,立信號進(jìn)行逆處理,在得到的16導(dǎo)逆處理信號中,明顯含有尖釘樣棘波的各導(dǎo)信號(該導(dǎo)信號中尖釘樣棘波的能量譜相對較大)的取樣電極即與癩癇灶位置相關(guān),也就是,癱癇灶條靠近這些腦電信號取樣電極。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明該癱癇患者顱內(nèi)8癇灶局限于一處,呈灶內(nèi)多點(diǎn)樣放電,但各點(diǎn)放電活動相對孤立。相關(guān)的影像學(xué)檢査和外科手術(shù)也證實(shí)這個(gè)結(jié)論。癱癇腦電信號如掛19所示。權(quán)利要求1、一種基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀,其特征是它主要由CF接口及控制器(1)、DDS信號發(fā)生器(2)、誘發(fā)信號調(diào)理電路(3)、功率放大電路(4)、生理電信號預(yù)處理電路(5)、調(diào)理電路(6)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)、數(shù)字信號處理電路(8)組成,CF接口及控制器(1)設(shè)有與帶有CF插口的移動計(jì)算機(jī)設(shè)備平臺相連的插片,它的輸出分別接DDS信號發(fā)生器(2)的輸入、誘發(fā)信號調(diào)理電路(3)的一個(gè)輸入端及生理信號預(yù)處理電路(5)的一個(gè)輸入端,DDS信號發(fā)生器(2)的輸出與誘發(fā)信號調(diào)理電路(3)的另一個(gè)輸入端相連,誘發(fā)信號調(diào)理電路(3)的輸出與功率放大電路(4)的輸入端相連,功率放大電路(4)的輸出通過刺激電極與人體相接觸;生理電信號預(yù)處理電路(5)的另一個(gè)輸入端通過反饋電極或傳感器與人體相連,其輸出與調(diào)理電路(6)的輸入相連,調(diào)理電路(6)的輸出與信號模數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)的信號輸入端相連,模數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)的信號輸出端與數(shù)字信號處理電路(8)的輸入端相連,數(shù)字信號處理電路(8)的輸出端與CF接口及控制器(1)的輸入端相連。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀,其特征是所述的CF接口及控制器(1)、DDS信號發(fā)生器(2)及數(shù)字信號處理電路(8)均由現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A構(gòu)成,CF接口及控制器(1)和DDS信號發(fā)生器(2)均在現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A內(nèi)部相連,現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的輸入輸出口133136、139144、147150、160、163、167170、172177、179、187、189193、195200、202、203、205腳作為CF接口及控制器(1)的輸入輸出端與帶有CF插口的移動計(jì)算機(jī)設(shè)備平臺對應(yīng)輸入輸出腳相連;現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的輸入輸出口5358、60、61、6365、6774腳接DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Ull構(gòu)成完整的DDS信號發(fā)生器(2),DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Ull的電流輸出端3腳作為DDS信號發(fā)生器(2)的模擬信號輸出端接誘發(fā)信號調(diào)理電路(3)的輸入,DDS信號發(fā)生器(2)的極性選擇控制端從現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的47腳引出接誘發(fā)信號調(diào)理電路(3)的控制輸入端。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于獨(dú)立分i分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀,其特征是所述的DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Ull為DDS信號發(fā)生器的一部分,實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號向模擬信號的轉(zhuǎn)換。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀,其特征是所述的誘發(fā)信號調(diào)理電路(3)由運(yùn)放U13、U14及其外圍電阻R16、R18、R19、R20、R23、R24、電容C16和數(shù)控繼電器集成電路U10以及由電感L2、L3、L4、電容C7、C8、C9、CIO、電阻R11構(gòu)成的低通貝塞爾小濾波器組成,其輸入從運(yùn)放U13、U14的反相輸入端引出接DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Ull的電源輸出端3腳,其輸出從低通濾波器輸出端即L2、C7的連接點(diǎn)引出接功率放大電路(4)的輸入。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀,其特征是所述的功率放大電路(4)由運(yùn)放U7、晶體管Q1、(^電阻R4、肪、肪構(gòu)承,耳輸入接誘發(fā)信號調(diào)理電路(3)的輸出端(即低通濾波器的輸出端),其輸出從晶體管(Sl的發(fā)射極和晶體管Q2的集電極引出接刺激電極或換能器用于刺激受試者。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀,,征是所述的生理電信號預(yù)處理電路由運(yùn)放U4及外圍電阻R3、數(shù)控繼電器集成電路U6構(gòu)成,其輸入從運(yùn)放U4的兩輸入端引出接置于受試者身上的反餓電極或傳感耱輸出,其輸出接調(diào)理電路(6)的輸入端。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀,其特征是所述的調(diào)理電路(6)則運(yùn)放U5、U2串接構(gòu)成,其輸入從運(yùn)放U5的同相輸入蝻引出接生理電信號預(yù)處理電路(5)的輸出即運(yùn)放U6的輸出端6腳,其輸出從運(yùn)放U2的輸出端引出接模數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)的輸入。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀,其特征是所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)由模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U1構(gòu)成,其輸入從模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路Ul的模擬信號輸入端CH4引出接調(diào)理電路的輸出即運(yùn)放U2的輸出端,模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出從模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路lil的串行數(shù)字信號輸出端15腳引出接數(shù)字信號處理電路(8)的輸入端,數(shù)字信號處理電路(8)亦位于現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A內(nèi)部,現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A的輸入輸出口41腳就作為數(shù)字信號處理電路(8)的輸入端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)的輸出即模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U1的串行數(shù)字信號輸出端相連,數(shù)字信號處理電路(8)的輸出即現(xiàn)場可編程通用邏輯集成電路U3A內(nèi)部與CF接口iSl控制器(1)相連,完成數(shù)據(jù)采集過程。專利摘要一種基于獨(dú)立分量分析技術(shù)的腦誘發(fā)電信號測試儀,屬于醫(yī)療器械
技術(shù)領(lǐng)域:
,其特征是它主要由CF接口及控制器(1)、DDS信號發(fā)生器(2)、誘發(fā)信號調(diào)理電路(3)、功率放大電路(4)、生理電信號預(yù)處理電路(5)、調(diào)理電路(6)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)、數(shù)字信號處理電路(8)組成。它解決了神經(jīng)誘發(fā)信號檢測的難題,為疾病的診斷提供了有效的手段。文檔編號A61B5/0484GK201005696SQ20072003862公開日2008年1月16日申請日期2007年7月17日優(yōu)先權(quán)日2007年7月17日發(fā)明者劉鐵兵,敏吳,湯黎明,韋志輝申請人:中國人民解放軍南京軍區(qū)南京總醫(yī)院