腦科學測量設備之間的并口同步精度研究

江旭，陳彪，張弦，梁振

1.安徽醫科大學 生物醫學工程學院，安徽 合肥 230032；2.安徽省食品藥品審評認證中心，安徽 合肥 230011

引言

在腦科學實驗中，經常會采用刺激-響應的模式來完成實驗。這種模式要求使用外部設備產生刺激，同時測量其誘發大腦或肢體所產生的反應，從而探索相應腦區的工作機制或腦疾病的發病機制[1-4]。隨著研究精度和復雜度的提升，多種采集設備被同時使用，要求多個設備之間必須達到很高的時序同步精度，通常認為同步誤差要小于1 ms。

并口有著傳輸速度快，性能穩定等優點[5]，在過去被廣泛用于腦科學設備之間的數據傳輸以及時間同步。隨著接口技術的不斷發展，并口逐漸在計算機上被淘汰，取而代之的是USB接口，而且為了能完成腦科學設備之間的時間同步，經常會使用USB轉并口來實現。實際上，很多類似測量腦電位相關的刺激-響應實驗對時間同步精度及時間誤差要求都很高。然而，關于USB轉并口的時序精度以及同步信號的時間誤差尚未清楚，為了準確測量高精度的刺激-響應實驗，我們需要明確USB轉并口的時序精度及時間誤差。

另外，腦科學領域的許多研究人員是通過PsychToolbox、PsychoPy、E-prime等軟件來設計實驗的。因為這些軟件時序控制精度很高[6-7]，能夠完成高精準的刺激-響應實驗。本文選用研究人員常用的軟件PsychToolbox、PsychoPy、E-prime、OpenSesame來呈現視覺刺激，利用邏輯分析儀來收集USB轉并口的數據，精準測量USB轉并口的時序精度及時間誤差。測量的結果可以幫助研究人員消除在使用USB轉并口時對時序精度以及時間誤差的顧慮，同時指導研究人員選配一個良好測量環境，以便更精準地完成刺激-響應實驗。

1 材料與方法

1.1 測量方法

本文使用PsychToolbox、PsychoPy、E-prime、OpenSesame來呈現視覺刺激和輸出USB轉并口的同步信號。如圖1所示，在被測設備的顯示器上交替顯示300×300像素大小的白色方塊和黑色方塊作為刺激，周期為50 ms（顯示器其他部位顯示灰色），黑白正方形位于屏幕的左上角。在呈現黑色塊指令結束后，立即從USB轉并口發出十進制數170作為同步信號；呈現白色塊指令結束后，立即從USB轉并口發出十進制數85作為同步信號。為了減小隨機誤差，共測量10000次。被測設備主機的CPU型號為Inter i7-4790，顯卡型號為AMD Radeon R7 200 Series，顯示器為PHILIPS 322M7C，響應時間1 ms，分辨率為1920×1080，顯示器刷新率為60 Hz，操作系統為Windows 10 64位專業版，并且程序在最高優先級下運行。

圖1 測量設備連接示意圖

利用光電轉換器感知刺激的變化，用Saleae Logic pro 8邏輯分析儀同時采集光電轉換器和USB轉并口的數據。刺激信號的采樣率設定為781.25 KS/s，USB轉并口信號的采樣率設定為6.25 MS/s。這兩個信號都基于邏輯分析儀的高精度時鐘，因而能夠計算兩個信號之間的同步延遲。利用呈現刺激的時間戳以及發送USB轉并口信號的時間戳，計算出視覺刺激和USB轉并口的同步信號之間的誤差，而對于USB轉并口時序精度的測量則是利用刺激的周期分布來體現。由于LCD顯示器響應時間與液晶面板的溫度相關[8]，1 h的預熱可以將響應時間縮短2倍[9]。為了得到更精確的結果，被測設備LCD顯示器實驗前預熱＞1 h。

1.2 數據處理

1.2.1 USB轉并口的時間誤差數據處理

刺激信號源自光電轉換器，上升沿表示圖像從白色塊切換到黑色塊，下降沿表示圖像從黑色塊切換到白色塊，取最高電壓的一半作為屏幕亮滅的閾值，所對應時刻分別設為TA1和TA2。同時，將USB轉并口信號的第一下降沿設置為TD1和第一上升沿設為TD2。研究表明，液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）對灰度間躍遷的時間響應是不均勻的[8-10]，所以刺激信號上升沿與下降沿對應兩種不同狀態，故而分開計算兩種狀態下的同步信號誤差。使用Python程序對邏輯分析儀導出的數據進行處理。為了去除測量過程中的干擾，使用6階巴特沃斯低通濾波器對刺激信號進行濾波，濾波器截止頻率設定為3500。隨后，讀取刺激信號閾值對應時刻TA1、TA2和串口數據起始時刻TD1、TD2，見公式(1)～(2)和圖2。

圖2 同步信號測量波形圖

分別計算兩種狀態的時間誤差，其中TDarken是從白色塊切換到黑色塊的時間誤差，TBrighten是從黑色塊切換到白色塊的時間誤差。通過絕對值TBrighten和TBrighten大小情況來明確USB轉并口的同步信號之間的時間誤差。為了便于分析，我們統計了時間誤差的最大值（Max）、最小值（Min）、極差（Range）以及平均值（Mean）并繪制頻率分布圖。

1.2.2 USB轉并口的時序精度數據處理

USB轉并口信號是數字信號，同樣使用Python程序對邏輯分析儀導出的數據進行處理。定義USB轉并口信號脈沖串的第一下降沿時刻為USB轉并口事件時間戳，篩選出兩個相鄰USB轉并口事件時間戳，分別設定為TS1和TS2，見公式(3)。USB轉并口同步信號波形圖如圖3所示。

圖3 USB轉并口同步信號波形圖

計算出USB轉并口信號的周期T。通過周期T的分布情況，明確USB轉并口的時序精度。進而統計USB轉并口的信號周期T的Max、Min、Range、Mean與標準差（Standard Deviation，SD），并繪制頻率分布圖。

2 結果

2.1 USB轉并口的時間誤差

為了更直觀地觀察時間誤差的分布情況，縱坐標采用以10為底的對數坐標。頻率分布圖的橫坐標為同時間誤差大?。▎挝唬簃s），縱坐標為0.5 ms內的發生數。TDarken、TBrighten的值為正，說明USB轉并口信號滯后于刺激信號；值為負，說明USB轉并口信號超前于刺激信號。為了能體現實驗數據的原始性，在繪圖時并沒有除去正負號。但在計算同步信號之間的時間誤差時，只考慮TDarken和TBrighten絕對值大小即可。

由圖4可知，在PsychToolbox軟件下，同步信號之間的時間誤差TDarken為-4.808～-3.168 ms（Mean=-4.167 ms，Range=1.640 ms），同步信號之間的時間誤差TBrighten為-6.230～-4.731 ms（Mean=-5.560 ms，Range=1.500 ms）；在PsychoPy軟件下，同步信號之間的時間誤差TDarken為-5.290～-4.316 ms（Mean=-4.682 ms，Range=0.9746 ms），同步信號之間的時間誤差TBrighten為-6.042～-5.094 ms（Mean=-5.447 ms，Range=0.9474 ms）；在E-prime軟件下，同步信號之間的時間誤差TDarken為-38.63～-30.51 ms（Mean=-38.52 ms，Range=8.117 ms），同步信號之間的時間誤差TBrighten為-40.01～-39.76 ms（Mean=-39.88 ms，Range=0.2551 ms）；在OpenSesame軟件下，同步信號之間的時間誤差TDarken為28.57～46.66 ms（Mean=45.16ms，Range=18.41 ms），同步信號之間的時間誤差TBrighten為43.15～45.13 ms（Mean=43.30 ms，Range=1.975 ms）。顯而易見，在軟件PsychToolbox和PsychoPy下的USB轉并口的時間誤差為-5.290～-3.168 ms，小于在軟件E-prime和OpenSesame下的時間誤差。因此，PsychToolbox和PsychoPy下的USB轉并口的時間誤差優于在軟件E-prime和OpenSesame下的時間誤差。

圖4 USB轉并口的時間誤差圖

2.2 USB轉并口的時序精度

為了便于觀察USB轉并口的時序精度，縱坐標同樣采用以10為底的對數坐標。而頻率分布圖的橫坐標為周期，縱坐標也是0.5 ms內的發生數。通過觀察周期的分布情況，來明確USB轉并口的時序精度（圖5）。

圖5 USB轉并口的時序精度圖

在E-prime軟件下，USB轉并口的周期為125.3 ～141.4 ms（Mean=133.3 ms，SD=0.1183 ms，Range=16.05 ms）；在PsychoPy軟件下，USB轉并口的周期為99.41～166.4 ms（Mean=100.0 ms，SD=0.6706 ms，Range=67.03 ms）；在OpenSesame軟件下，USB轉并口的周期分布為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軟件下，USB轉并口的周期分布都是比較分散的；而在PsychToolbox軟件下，USB轉并口的周期為98.49～101.3 ms（Mean=100.0 ms，SD=0.1938 ms，Range=2.770 ms）。很明顯在PsychToolbox軟件下，USB轉并口的時序精度是最好的。

3 討論

本文測量了USB轉并口的時序精度以及同步信號之間的時間誤差。在軟件PsychToolbox和PsychoPy下的USB轉并口的時間誤差都比較小，而在E-prime和OpenSesame軟件下的USB轉并口的時間誤差非常大。在時序精度方面，在PsychToolbox軟件下的USB轉并口的時序精度是最優的。因此，對于很多類似的測量腦電位相關的刺激-響應實驗來說，應該選擇在時序精度高且時間誤差小的環境下進行腦科學相關的病理檢測。

作為一種常用的實驗范式[11-12]，刺激-響應實驗模式是采用外部設備產生視覺、聽覺和嗅覺等相關刺激，同時測量其誘發機體所產生的響應，從而利用響應來判斷機體的工作機制或發病機制，常用于腦科學中相關疾病的檢測。例如，利用刺激-響應實驗范式來檢測腦電位的變化，從而評估精神分裂癥的狀況[13-14]；利用刺激-響應實驗范式計算腦科學中反應潛伏期的大小來推測動物體老化的特異性[15-16]。在以上的檢測實驗中都需要控制設備之間的時序精度以及時間誤差，這樣才能準確地檢測出疾病的原因。

從測量結果來看，在PsychToolbox[17-18]和PsychoPy[19-21]下的同步信號之間的時間誤差很相似并且都很小。在PsychToolbox軟件下，USB轉并口的時序精度是最好的。然而，在E-prime[22-23]和OpenSesame[24]軟件下的USB轉并口的時序精度是比較差的。同時，同步信號之間的時間誤差也非常大?？赡芤驗镋-prime在呈現刺激的時候利用E-Basic的模塊化設計來調用文件包里的黑白圖片，而不是利用代碼來生成黑白塊刺激，這造成的時間誤差很大。而OpenSesame可能是需要跨平臺調用PsychoPy函數庫來呈現刺激，其間接地增加了時間誤差。因此，對于很多像測量腦電位相關的刺激-響應實驗，建議選擇時間誤差比較小以及時序精度高的測量設備去檢測。在測量時最好還是把較小的時間誤差減去以得到一個高精準的實驗結果，有助于我們對疾病的準確把握。

本研究只在PsychToolbox、PsychoPy、E-prime和OpenSesame測量軟件上進行了實驗，明確了USB轉并口的時序精度以及同步信號之間的時間誤差。對于其他測量軟件，尚未進行相關的實驗，未來將會在其他測量軟件系統上進行實驗，盡量將系統測量的范圍涵蓋整個醫院常用的腦科學及神經學相關的軟件。