[論文レビュー] TiA -- Documentation of TOBI Interface A

Christian Breitwieser, Christoph Eibel|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2011

Sensor Technology and Measurement Systems被引用数 3

ひとこと要約

TiA 1.0 は、リアルタイムバイオシグナル取得システムのための標準化されたテキストベースでTCPベースの通信プロトコルを規定し、多様なバイオセンサーやクライアントアプリケーション間での相互運用性を可能にする。信号タイプ、制御、データ、サーバー状態接続をUTF-8エンコード済みのライン構造メッセージとXMLメタデータを用いて定義し、EEG、EMG、ECG、fMRI、その他のバイオシグナルをサポートすることで、プラットフォームを越えて一貫したデータ交換を実現する。

ABSTRACT

This document contains the documentation of TOBI (Tools for BCI) Interface A (TiA). TiA is a standardized interface to transmit raw biosignals. It is able to deal with multirate and block-oriented data transmission. Data is distinguished by different signal types (e.g., EEG, EOG, NIRS,...), whereby those signals can be acquired at the same time from different acquisition devices. TiA is built as a client-server model. Multiple clients can connect to one server. Information is exchanged via a control- and a separated data connection. Control commands and meta information are transmitted over the control connection. Raw biosignal data is delivered using the data connection in a unidirectional way. For this purpose a standardized handshaking protocol and raw data packet have been developed. Thus, an abstraction layer between hardware devices and data processing was evolved facilitating standardization.

研究の動機と目的

• 異なるハードウェアおよびソフトウェアプラットフォーム間での相互運用性を向上させるために、リアルタイムバイオシグナル取得システムのための標準化された、プラットフォームに依存しないインターフェースを確立すること。
• データ送信の制御、サーバー状態の管理、バイオシグナルサーバーとクライアント間でのメタデータ交換を一貫して行う通信プロトコルを定義すること。
• EEG、EMG、ECG、fMRI、およびユーザー定義シグナルを含む幅広いバイオシグナルタイプを、標準化された拡張可能なメタデータスキーマを通じてサポートすること。
• クライアントがサーバー機能を動的に発見し、データ送信モード（TCP/UDP）を設定し、専用の制御および状態接続を介してサーバー状態を監視できることを可能にすること。
• バージョン付きメッセージ、XMLベースのメタデータ、明確なエラー処理メカニズムを通じて、後方互換性と拡張性を確保すること。

提案手法

• 制御接続には、バージョン、コマンド、オプションのコンテンツ長、XMLペイロードラインを含む、ライン構造でUTF-8エンコードされたHTTPに類似したテキストベースのメッセージングシステムを採用。
• 制御コマンドには、CheckProtocolVersion、GetMetaInfo、GetDataConnection、Start/StopDataTransmission、GetServerStateConnection が含まれる。それぞれが標準化されたリクエストおよびレスポンスフォーマットを持つ。
• データ送信は、固定9バイトヘッダー（バージョン、サイズ、タイムスタンプ）、その後に続く可変ヘッダー、および信号データから成るバイナリパケット形式で処理され、リトルエンディアンバイトオーダーが使用される。
• 信号メタデータはXMLフォーマットのメタ情報（tiaMetaInfo）を介して交換され、被験者情報、マスターシグナルパラメータ（サンプリングレート、ブロックサイズ）、およびシグナルごとの属性（タイプ、サンプリングレート、ブロックサイズ、チャネルラベル、チャネル数）を定義する。
• サーバー状態メッセージ（ServerRunning、ServerShutdown）は、専用のTCPポートを介してサーバーからクライントへプッシュされ、サーバーのライフサイクル変更を通知する。
• エラー処理には構造化されたXMLエラーメッセージを用い、人間が読みやすい説明を含む。将来的にエラーコードを追加可能であるが、バージョン1.0では定義されていない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種のハードウェアおよびソフトウェアプラットフォーム間で、リアルタイムバイオシグナル取得システムに適した標準化された相互運用可能な通信プロトコルをどのように設計できるか？
• RQ2 低遅延性、拡張性、プラットフォーム独立性を確保するための、制御、データ、状態通信に最適なメッセージ構造とは何か？
• RQ3 被験者情報、サンプリングレート、チャネルラベルを含む信号メタデータを、人間および機械の両方が読み取り可能な形式で一貫して表現・交換するにはどうすればよいか？
• RQ4 分散型バイオシグナルシステムにおいて、データ送信モード（TCP/UDP）およびサーバーライフサイクル状態（実行中/シャットダウン）を動的に管理するにはどのようなメカニズムが必要か？
• RQ5 特にバイナリデータパケット形式において、将来のプロトコル拡張を可能にしつつも、後方互換性をどのように保てるか？

主な発見

• TiA 1.0 は、EEG、EMG、ECG、fMRI、およびユーザー定義シグナルを含む14種類の標準シグナルタイプをサポートする包括的かつ拡張可能なプロトコルを定義している。
• プロトコルにより、クライアントは GetMetaInfo を介してサーバーの機能を照会し、GetDataConnection を使用してTCPまたはUDPでデータを取得し、Start/StopDataTransmission コマンドでデータフローを制御できる。
• サーバー状態接続により、サーバーが ServerStateRunning および ServerShutdown メッセージをプッシュすることで、クライアントに対してその運用状態を能動的に通知できる。
• データパケット形式は、9バイトの固定ヘッダー（バージョン、サイズ、タイムスタンプ）を用い、リトルエンディアンバイトオーダーをサポートすることで、あらゆるプラットフォームで一貫したパースが可能になる。
• XMLベースのメタデータスキーマ（tiaMetaInfo）により、被験者データ、シグナルタイプ、サンプリングレート、ブロックサイズ、チャネルラベルの構造的表現が可能となり、バージョン1.0は互換性を確保するため固定されている。
• プロトコルはUTF-8エンコード、ラインベースのメッセージ構造（LF（\n）終端）、および大文字・小文字の区別を強制することで、信頼性の高いパースと相互運用性を保証している。