基于FPGA的視覺(jué)誘發(fā)電位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).pdf

1、隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,設(shè)計(jì)靈活、速度快、規(guī)模大和集成度高的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA受到越來(lái)越多廠家和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。作為可編程器件的主導(dǎo),FPGA彌補(bǔ)了CPLD、PAL等原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn),而且擁有比DSP更快的速度,比專用芯片有更短的設(shè)計(jì)周期,能滿足現(xiàn)代醫(yī)療儀器小型化、低功耗和智能化的發(fā)展趨勢(shì),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用與包括誘發(fā)電位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和病人監(jiān)控設(shè)備等醫(yī)療產(chǎn)品。
　　視覺(jué)誘發(fā)電位(VisuallyEvokedPote

2、ntial,VEP)檢測(cè)是臨床眼科檢查的重要項(xiàng)目,其信號(hào)比較穩(wěn)定且易檢測(cè),與受試者自控能力關(guān)系不大,為視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)疾病和眼底病變的診斷和鑒別提供了客觀依據(jù),在判斷視路功能異常、評(píng)估眼科疾病的療效和兒童視覺(jué)發(fā)展水平等醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷等方面都發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用。臨床上常用電視屏幕棋盤格翻轉(zhuǎn)法作為視覺(jué)誘發(fā)電位刺激源,這種方式誘發(fā)出的視覺(jué)誘發(fā)電位潛伏期易測(cè)定、波形穩(wěn)定、個(gè)體差異比較小,是檢測(cè)VEP的可靠指標(biāo)。
　　對(duì)于性能良好的視覺(jué)誘

3、發(fā)電位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言,穩(wěn)定可靠的測(cè)量系統(tǒng)、準(zhǔn)確無(wú)誤的傳輸以及合理科學(xué)的信號(hào)處理與分析方法缺一不可。由于視覺(jué)誘發(fā)電位幅值只有μV級(jí),容易被環(huán)境噪聲(如工頻干擾)、系統(tǒng)內(nèi)部噪音和其他電生理信號(hào)(如肌電和腦電等)淹沒(méi),所以多次采集的原始信號(hào)一般都要通過(guò)疊加平均處理來(lái)增強(qiáng)有用信號(hào)和減小噪聲干擾。為達(dá)到這一目的,要保證每一次的采集到的信號(hào)相位一致。
　　本課題設(shè)計(jì)的視覺(jué)誘發(fā)電位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)的基于Windows多任務(wù)處理調(diào)度機(jī)

4、制和雙顯卡技術(shù)的視覺(jué)誘發(fā)電位采集系統(tǒng)的不足,設(shè)計(jì)的基于FPGA的硬件電路能同時(shí)控制圖形刺激器和信號(hào)采集模塊,消除了刺激圖形的產(chǎn)生和信號(hào)采集的啟動(dòng)間的不確定延時(shí),保證了采樣的實(shí)時(shí)性。另一創(chuàng)新之處在于本系統(tǒng)充分考慮到了圖形信號(hào)和誘發(fā)電位間存在的鎖時(shí)關(guān)系,在顯示器產(chǎn)生刺激圖形的同時(shí)啟動(dòng)采樣,保證了采樣信號(hào)的同步性和以及后續(xù)疊加平均處理數(shù)據(jù)的有效性。
　　本系統(tǒng)采用Altera公司的FPGA芯片EP1K100QC208-3作為核心器件,利

5、用其資源豐富、可編程的特點(diǎn),將視覺(jué)誘發(fā)電位刺激信號(hào)模塊以及模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和USB上傳的控制模塊集成起來(lái),設(shè)計(jì)了電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功能齊全的視覺(jué)誘發(fā)電位信號(hào)采集系統(tǒng)的主控模塊。硬件描述語(yǔ)言采用了層次結(jié)構(gòu)清晰、語(yǔ)法嚴(yán)謹(jǐn)、易于共享和復(fù)用的VHDL。在AlteraQuartusⅡ環(huán)境下完成邏輯仿真、功能驗(yàn)證、邏輯綜合等任務(wù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換功能單元采用低功耗和體積小的逐次逼近型12位AD轉(zhuǎn)換器ADS7822,最高采樣率可達(dá)75MHz,完全滿足采

6、集視覺(jué)誘發(fā)電位的技術(shù)需求。采集的數(shù)據(jù)暫時(shí)保存在高性能的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器IS61LV25616中,該SRAM不需要定時(shí)刷新電路就能保存內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
　　所有信號(hào)采集完成以后,數(shù)據(jù)批量傳到上位機(jī)?；赩isualBasic6.0設(shè)計(jì)的上位機(jī)控制軟件,能便捷有效地控制整個(gè)系統(tǒng),不僅能設(shè)置AD參數(shù)、VGA圖形參數(shù)、啟動(dòng)和停止系統(tǒng)工作、參與數(shù)據(jù)上傳,還能處理采集結(jié)果,顯示經(jīng)過(guò)疊加平均后噪聲降低的視覺(jué)誘發(fā)電位信號(hào)曲線,檢測(cè)并標(biāo)記NPN三項(xiàng)復(fù)

7、合波的N75、P100和N135。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置可以保存在TXT文本中。上位機(jī)和FPGA通信由支持熱插拔的USB接口完成。相比于傳統(tǒng)的諸如RS232串口或PCI總線等方式,USB接口傳輸具有可靠性高、速度快、數(shù)據(jù)不丟失和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
　　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成以后,用SignalTapⅡ和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器分別驗(yàn)證了信號(hào)源啟動(dòng)與信號(hào)采集的同步性和多次采樣起點(diǎn)的一致性,并實(shí)測(cè)了人體視覺(jué)誘發(fā)電位信號(hào),VEP波形清晰準(zhǔn)確。總體而言,該