视觉刺激同步仪的研制

2022-11-28许晨晨吴伟江旭李博梁振

中国医疗设备 2022年11期

许晨晨，吴伟，江旭，李博，梁振

安徽医科大学生物医学工程学院，安徽合肥 230032

引言

在脑科学或者视觉科学实验中，刺激-响应是一种最常见的实验范式[1]，如通过显示器产生视觉刺激信号，响应设备采集大脑对该刺激的反应，以此探索相关脑区的功能和机制[2-6]。响应采集设备通常直接连接到计算机串口，视觉刺激呈现时，串口发出电平信号并触发响应采集设备[7-8]。在脑科学实验中，时序精度尤为重要，越来越多的实验甚至要求时序精度达到亚毫秒级别，时序精度不足会导致部分实验无法重复[9-13]。然而经过时序测量，串口发出的触发信号和显示器呈现刺激受计算机类型、性能、软件、硬件多种因素影响，并不总是同步的[14]。根据VESA标准，图像绘制需要经过Sync、Back Porch等多个时期，因此显示器完成刺激绘制要滞后于触发信号，滞后时间约为3～16 ms，而响应采集设备通过串口触发后即开始计时，此时视觉刺激信号还未绘制到显示器上，因此响应采集设备采集到的响应时间多于实际响应时间。本研究为了实现高精度的同步视觉刺激和响应采集设备的触发信号，研制了视觉刺激同步仪（下文简称：同步仪）。该同步仪采用光敏三极管采集显示器上的视觉刺激，然后把视觉刺激转化为触发信号，同时触发响应采集设备进行信号采集，以此来同步响应采集起点与刺激真实地呈现时间，从而提高同步精度。

1 系统设计原理

在脑科学或者视觉科学实验中，响应采集设备一般直接连接计算机串口，并从串口发出刺激信号开始计时，而实验的实际响应时间应该以显示器实际呈现刺激的时间点作为计时起点，串口发出刺激信号与显示器呈现刺激信号的时间并不是同步的，所以会带来测量误差。光信号是较为容易产生且被试感知的刺激信号，且是人各感官中获取信息占比最高的部分。PT908（亿光电子工业股份有限公司）是常见的光敏三极管，相对于光敏电阻有较高的灵敏度，且具有极高的响应速度，响应时间为15 μs，因此可以利用PT908采集显示器呈现刺激信号的时间并同步到响应采集设备，以此来减小测量误差。

假设串口输出信号的时间戳为T1，由于同步仪直接连接串口，即同步仪的采集起点等于T1，假设刺激诱发的反应在T3时刻发生（图1），则反应延时ΔT1如式（1）所示。

图1 传统方式的测量误差

传统设备测量误差的产生主要由响应采集设备的采集起点时间T1与眼睛接收到刺激的时间（即显示器呈现刺激的时间）T2不同步导致的。经过测量，显示器呈现刺激的时间会滞后于串口发出信号，因此对于被试而言，真正的反应时ΔT2如式（2）所示。

所以，传统方式存在测量误差ΔT，见式（3）。

为了降低测量误差，即减小ΔT的值，应尽可能让响应采集设备的采集起点从T2点开始，因此研制同步仪用于同步显示器呈现刺激的时间（图2）。同步仪一端通过PT908连接到显示器上采集显示器出现刺激的时间点，然后将同步信号从接口输出，输出接口再连接响应采集设备，当显示器呈现视觉刺激时触发响应采集设备开始采集信号，即将采集起点从T1移动到T2，以此来保证响应采集设备的采集起点可以和显示器呈现视觉刺激的时间一致，即可大幅度降低ΔT的值以减少测量误差。

图2 同步仪减小测量误差原理

2 系统设计

本研究团队为了实现图2所示的时序同步，研制了一种外接与刺激呈现设备和响应采集设备之间的同步设备。同步仪一端通过光敏三极管PT908外接到刺激呈现设备，将光信号转变为电信号到输出接口，输出接口外接到响应采集设备，响应采集设备开始标定刺激呈现起始点，并以此为基础来计算反应时等数据，以实现时序的同步。为了适配不同的设备，同步仪提供TTL、RS232等多种电平信号的输出。同时为了降低测量环境、信号波动等因素的影响，同步仪提供手动双阈值与自动双阈值2种方法设置阈值。

2.1 电路设计

电路设计部分主要包含光信号收集、数据与信号的分析处理和信号输出3个部分。为了更好地兼容常见的用户采集设备，设备提供TTL、RS232和正负电平等多种标准以及多种接口输出。在光信号的采集过程中，选用高灵敏度、低反应时的光敏三极管PT908，控制器模块选用体积较小的Arduino 公司Arduino Nano，其核心为Atmel 公司ATmega328。采用了TTL转RS232模块将TTL电平转变为RS232电平，并提供不同的接口形式输出。最终电路原理图、电路板图及实物图如图3所示。

图3 同步仪

2.2 双阈值法

由于使用本产品的环境不同，会导致微控制模块采集到的光信号受到各种各样的环境因素干扰，因此在程序设计部分采用了可调阈值的方式，让实验人员可以根据实际需求调节阈值。为了避免单阈值无法检测信号波动的弊端，采用可调双阈值的方式来最大限度地减小光信号波动对采集数据的影响。双阈值设置分为手动设置和自动设置2种：手动设置阈值，用户仅需将光信号探头贴于显示器光源处，通过串口设置或者扭动旋钮并根据显示器上的辅助显示来确定阈值。同时系统提供更为精确的自动设置阈值的方式，可以根据信号的实际采集情况来自动确认阈值。如图4所示，当设备连接就绪后，实验人员选择自动阈值，需要播放15 s的刺激信号，用以设备自动选取阈值，ADC 采样率为9.6 kHz。自动设置阈值期间，每次采样周期为1 s，获取每个采样周期内的最大值记作Vt_max，最小值记作Vt_min。连续采集15次之后去除粗大误差，取最大值均值Vmax_mean，最小值均值Vmin_mean，得到极差（Diff）和双阈值（Vmax，Vmin）分别如式（4）～（6）所示。

图4 自动双阈值法

双阈值设置完之后，再将同步仪的输出端口连接到反应时记录仪等响应采集设备的输入端口即可。

3 测试及结果

3.1 测试方法

利用可以提供亚毫秒精度的PsychToolbox[13]来呈现视觉刺激，采用300×300像素大小的白色方块和黑色方块作为刺激，刷新时间为16帧，显示器刷新率为60 Hz（即每隔约266.72 ms切换色块），显示器其他部位显示灰色，并将同步仪上的PT908贴于刺激区域。被测设备主机的CPU型号为Intel公司 i7-4790，显卡型号为AMD公司Radeon R7 200 Series，显示器为PHILIPS公司322M7C，响应时间为1 ms，分辨率为1920×1080，操作系统为Windows 10 64位专业版，显示器刷新率为60 Hz。使用逻辑分析仪同时采集3个通道的数据，分别为串口信号、显示器呈现刺激信号和同步仪输出信号，测量方法如图5所示。逻辑分析仪使用Saleae 公司Saleae Logic 8，采样率为781.25 kS/s。

图5 测量设备连接示意图

3.2 测试结果

刺激由串口产生并绘制到显示器上，实验所采集的原始数据波形图如图6所示。刺激信号的上升沿表示刺激由白色变为黑色，下降沿表示刺激由黑色变为白色，分别简称为暗化过程与亮化过程。由于计算机显示屏由白色变为完全的黑色具有一定的延时，取刺激信号最高电压的50%作为屏幕亮灭的阈值，所对应时刻分别设为暗化时刻TH、亮化时刻TL。串口输出信号要先于显示器呈现刺激，记为T1。同考虑到阴极射线管显示器在市场上越来越少见，研究人员逐步使用液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）代替，但是LCD的灰阶响应时间的上升部分和下降部分是不同的[15-16]，所以，为了验证不同电平和不同触发方式的延时，同时测量了同步仪输出TTL电平上升沿触发时间T2、下降沿触发时间T4，RS232电平信号触发时间T3。在数据处理过程中，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 Hz。由图6可计算串口延时误差TA，TTL上升沿误差TB、下降沿误差TC、RS232误差TD，其公式分别如式（7）～（10）所示。

图6 数据采集波形图

经过测量得到串口发出信号与显示器呈现刺激之间的串口延时误差TA为-4.80～-2.98 ms，均值为-4.10 ms。同步仪输出TTL电平上升沿与显示器呈现刺激之间的同步误差TB为0.1278～0.2913 ms，均值为0.2128 ms。同步仪输出TTL电平下降沿与显示器呈现刺激之间的同步误差TC处于0.2061～0.3701 ms，均值为0.2861 ms。同步仪输出RS232电平与显示器呈现刺激之间的同步误差TD处于0.1319～0.2974 ms，均值为0.2194 ms，频数分布图如图7所示。

图7 时间差频数分布图

3.3 脑电测量

同步仪作为一个降低串口延时测量误差的工具，可以被应用于各个利用视觉刺激-响应的实验范式。以测量脑电为例，通过测量被试脑电信号分析被试接受刺激时脑电信号活跃的时间点与刺激出现时间的时间差，以此来验证同步仪的实际使用效果。实验范式采用简单反应时任务，在实验开始时，屏幕中心出现红色圆形，被试看到红色时迅速用右手食指按下空格键，圆形出现时间间隔为2～5 s随机，共160个试次。实验分为实验组和对照组，实验组使用同步仪，对照组不使用同步仪，被试数量8名，每名被试分别进行实验组和对照组两组实验。脑电采集系统使用Compumedics公司SynAmps2以及Curry8，采样频率为500 Hz，同步仪使用示意图如图8所示。采集脑电信号后经预处理、基线矫正后时频分析结果如图9所示。

图8 同步仪-脑电使用示意图

图9 基线矫正后的脑电时频图

分析结果得，对照组在154 ms处10 Hz以下频率段活动增加，而实验组在122 ms处10 Hz以下频率段活动明显增加，结果表明同步仪可以被应用于脑电实验并可以有效减小串口延时带来的测量误差。

4 讨论

为了降低串口延时导致的响应采集设备的测量误差，同步仪利用光敏三极管PT908同步显示器刺激呈现与响应采集设备的采集起点，多种输出接口及不同触发方式的时序测量结果表明，同步误差时间分布在0.2～0.5 ms，普遍集中在0.3 ms处，远远小于行业标准1 ms，相较于计算机串口4.1 ms的平均延时，可以大幅度减小测量误差。

为了减小串口延时导致的测量误差，一些学者也尝试着从实验软件、刺激呈现设备、测量辅助设备、测量方式等多种角度来进行改进[17]。Forster等[18]开发了DMDX刺激呈现软件系统，通过Windows提供的DirectX来提供精确的时序和视听觉刺激输出的同步，但Plant等[19]证实即使研发出了一些与显示器刷新率同步的实验设计软件，在屏幕呈现刺激时仍然会出现延迟。Ohyanagi等[17]利用PSoC和光敏二极管开发了外接于计算机的USB设备SMART，但是应用范围比较局限，仅可以用来测量视觉刺激实验的反应时间。除此之外还有一些价格非常高昂的商业设备用于各个设备之间的时序同步，如Blackbox Toolkit（The Black Box ToolKit Ltd）、Stimrack（Brain Products GmbH）和 TRIGbox（New Biotechnology Ltd）[20-21]。相较于这些方案，本设备具有低成本、高精度的特征，除此之外，本设备还可以提供多种电平信号和输出接口，在不改变原有实验设计和实验设备结构的基础上，仅仅通过增加此外接设备即可提升实验数据精度。同时，该外接设备具有体积小、操作简单等优点，方便实验人员快速地用于实验。外接该同步仪可以使响应采集设备在视觉刺激实验中拥有极低的延时，相较于将测量设备直接连接在计算机串口的测量方法，该设备可以大幅度提升实验结果及结论的准确性，为脑科学和视觉科学实验能够成功复制创造了可能，对脑科学和视觉科学等领域的发展具有重要意义。目前此同步仪实现了利用光信号实现视觉刺激的同步，利用其他刺激信号如声音信号的同步将会在后续的工作中继续开展。