基于实时脑电监护系统无线化的异步缓存吞吐机制的研究与设计
发布时间：2020-11-19 06:13
随着社会的发展,人类对脑科学研究日益重视。脑电监护技术通过采集和分析脑电信号,对脑疾病进行诊断。凭借无创,低成本,时间分辨率高等优势,脑电监护成为脑疾病诊治的重要工具。实时脑电监护技术更是在发作性脑疾病的定位和诊断中发挥着其他手段无法比拟的作用,还可通过物理刺激方法,支持脑疾病的治疗和预后工作。可见,实时脑电监护技术具有十分重要的应用价值。传统的有线传输方式制约了脑电监护系统的灵活性和实用性,无线通信技术的引入为实时脑电监护系统带来了极大的便利。对实时脑电监护系统无线化的研究,已成为当前的一个研究热点。但实时脑电监护系统作为一个对延时敏感的通信应用,信号的实时性是系统性能的关键。本文主要关注脑电监护系统无线化中的信号实时性,对系统的数据缓存策略和无线通信机制进行了分析研究,提出了一种高效的异步缓存吞吐机制,以实现实时脑电监护系统场景下的信号实时化,并为医用电刺激需求提供一种可实现的手段。本文研究内容主要包括:(1)缓解无线传输中数据流的波动问题:对常用的数据缓存机制进行分析研究,根据系统设计要求,针对无线数据流的波动性,采用环形存储器实现异步读写,并对环行存储器的关键参数进行优化设计,降低管理和运算复杂度,进一步提高环形存储器的工作效率。环形存取机制保证对数据的高效读写,可获得连续不间断的“伪实时/近同步”效果。(2)解决多终端同时发起上传请求时的冲突问题:研究无线局域网的媒介接入控制原理,对MAC层的DCF和PCF控制方式进行分析,结合实时脑电监护对数据的实时性和高网络吞吐速率要求,用优化的PCF作为数据传输控制策略。优化的PCF充分考虑多个终端同时运行的情况,通过引入优先级轮询以及动态地调整重发上限,保证各个终端数据有序传输,有效降低无线数据的传输延时,同时提高无线网络的吞吐速率。最后,本文对异步缓存吞吐机制的数据传输性能进行NS2模拟实验,再对系统的整体功能和性能进行测试。结果显示,异步缓存吞吐机制上传和下载功能运行良好,能够支持实时脑电监护系统的脑电采集和电刺激功能。另外,本机制在信号采集过程中高效读写,能够得到连续不间断的数据;在数据无线传输过程中,与采用DCF和PCF的网络相比,延时分别降低至少5%和1%,同时有着更高的吞吐速率,且网络的业务负载越大,本机制相对于DCF和PCF的优势越明显。本设计达到了预期目标,为脑电信号的后续研究工作奠定了基础。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH772
【部分图文】：
图 2-1 各种自发脑电波形频率和幅度可在一定程度上反映出人体心理及生理信号有着对应的特点，清醒和睡眠状态下的脑电信号究，现代医学已形成一套比较完善的脑电信号诊断是否正常的一个重要手段，在临床诊断上有着极为信号，指当人为地给机体以某种刺激信号（电刺激、化。诱发脑电信号很微弱，幅度范围 0.1～10uV，完全淹没在自发脑电信号中。因此，诱发脑电的提要计算机辅助才能实现。相比，诱发脑电信号具有以下三个特征：较稳定的潜伏期，其出现与给定的刺激之间有严格起的诱发电位有一定的反应形式，不同感觉系统中
图 2-2 脑电信号采集基本框架脑电采集子系统的基本工作原理为：经电极获得的原始脑电信号需先经采集前端进行必要的预处理，主要包括有效的放大、滤波和光电隔离等，提取到较为纯净的脑电信号。接着进行模数转换，得到的数字信号被送到数据处理模块。该模块可通过 MCU、DSP 或 FPGA 等处理器对数据进行不同复杂程度的数字信号处理，如特征提取，图像生成和显示等。经过上述的一系列操作，脑电信号已完成了基本处理。最后，根据不同的系统需求，可以将数据存储起来，也可以转发到更上层的处理器进行诊断或组建数据库等复杂度更高的数据操作。2.1.2 物理电刺激技术2.1.2.1 电刺激疗法脑电监护的另一个基本内容是物理电刺激技术。不同频率的电流对人体有着不同的生理和生物效应[31]。因为哺乳动物神经纤维的绝对不应期大约为 1ms，即每秒最多能产
疗法是以特定量的电流通过患者头部，使其全身抽搐，从而疗法是一种用小幅值的单向低频方波电流通过患者头部引起流是参照人在睡眠时中枢神经的电活动规律而设定的，因此 波的范围，即 1~25Hz；脉宽多为 0.2~0.3ms，波形多用单，符合人体生理要求。电流刺激疗法与电睡眠疗法类似，同样是一种使用低强度电、压抑、失眠等精神疾病的治疗方法。通常，经颅微电流刺 0.5~100Hz，大小为 1～500uA。典型刺激波形是一种双向不-3 所示。这是属于美国 EPI 公司（Electrometrical Products I电医学设备公司）的一个专利波形[34]。哈佛大学公共卫生学电流刺激仪的疗效进行过分析，结果显示：其有效率对焦虑症%，失眠为 79.62%[35]。
【相似文献】
本文编号：2889811
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH772
【部分图文】：
图 2-1 各种自发脑电波形频率和幅度可在一定程度上反映出人体心理及生理信号有着对应的特点，清醒和睡眠状态下的脑电信号究，现代医学已形成一套比较完善的脑电信号诊断是否正常的一个重要手段，在临床诊断上有着极为信号，指当人为地给机体以某种刺激信号（电刺激、化。诱发脑电信号很微弱，幅度范围 0.1～10uV，完全淹没在自发脑电信号中。因此，诱发脑电的提要计算机辅助才能实现。相比，诱发脑电信号具有以下三个特征：较稳定的潜伏期，其出现与给定的刺激之间有严格起的诱发电位有一定的反应形式，不同感觉系统中
图 2-2 脑电信号采集基本框架脑电采集子系统的基本工作原理为：经电极获得的原始脑电信号需先经采集前端进行必要的预处理，主要包括有效的放大、滤波和光电隔离等，提取到较为纯净的脑电信号。接着进行模数转换，得到的数字信号被送到数据处理模块。该模块可通过 MCU、DSP 或 FPGA 等处理器对数据进行不同复杂程度的数字信号处理，如特征提取，图像生成和显示等。经过上述的一系列操作，脑电信号已完成了基本处理。最后，根据不同的系统需求，可以将数据存储起来，也可以转发到更上层的处理器进行诊断或组建数据库等复杂度更高的数据操作。2.1.2 物理电刺激技术2.1.2.1 电刺激疗法脑电监护的另一个基本内容是物理电刺激技术。不同频率的电流对人体有着不同的生理和生物效应[31]。因为哺乳动物神经纤维的绝对不应期大约为 1ms，即每秒最多能产
疗法是以特定量的电流通过患者头部，使其全身抽搐，从而疗法是一种用小幅值的单向低频方波电流通过患者头部引起流是参照人在睡眠时中枢神经的电活动规律而设定的，因此 波的范围，即 1~25Hz；脉宽多为 0.2~0.3ms，波形多用单，符合人体生理要求。电流刺激疗法与电睡眠疗法类似，同样是一种使用低强度电、压抑、失眠等精神疾病的治疗方法。通常，经颅微电流刺 0.5~100Hz，大小为 1～500uA。典型刺激波形是一种双向不-3 所示。这是属于美国 EPI 公司（Electrometrical Products I电医学设备公司）的一个专利波形[34]。哈佛大学公共卫生学电流刺激仪的疗效进行过分析，结果显示：其有效率对焦虑症%，失眠为 79.62%[35]。
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本文编号：2889811
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