生理信號數(shù)據(jù)交換技術規(guī)范

II生理信號數(shù)據(jù)交換技術規(guī)范范圍本標準規(guī)定了穿戴式監(jiān)測設備與刺激設備的通用數(shù)據(jù)封裝格式、數(shù)據(jù)的流傳輸協(xié)議及傳輸安全的相關技術要求。本標準適用于生理信號監(jiān)測和刺激設備的數(shù)據(jù)存儲與傳輸，增加了對人工智能和神經(jīng)調控等技術的支持；也適用于單通道或多通道的心電、腦電、血氧等生物信號采集記錄和神經(jīng)電刺激的雙向交互相關應用場景。規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T32907—2016信息安全技術SM4分組密碼算法GB/T32918—2016信息安全技術SM2橢圓曲線公鑰密碼算法RFC2145HTTP(HyperTextTransferProtocol)協(xié)議規(guī)范RFC2459InternetX.509公鑰基礎設施：證書和CRL簡介(InternetX.509publickeyinfrastructurecertificateandCRLprofile)RFC2630加密消息語法(CryptographicMessageSyntax)ECMA404JSON數(shù)據(jù)互交換格式(TheJSONdatainterchangeformat)NISTSP800-38A塊加密模式的操作方式推薦(RecommendationforBlockCipherModesofOperation)術語和定義下列術語和定義適用于本文件。加密encryption為了產(chǎn)生密文，即隱藏數(shù)據(jù)的信息內容，由密碼算法對數(shù)據(jù)進行(可逆)變換。解密decryption與加密過程相對應的逆過程，即由密碼算法對密文數(shù)據(jù)進行逆變換。密鑰key控制密碼變換操作(例如：加密、解密、密碼校驗函數(shù)計算、簽名生成或簽名驗證)的符號序列。SM4國家商用密碼體系的一種對稱加密算法。[來源：GB/T32907-2016]縮略語下列縮略語適用于本文件。AES高級數(shù)據(jù)加密標準(AdvancedEncryptionStandard)Ag/AgCl銀/氯化銀電極(Silver/SilverChlorideReferenceElectrode)Bodytemp體溫(BodyTemperature)degreeC攝氏度(degreesCelsius)EDF歐洲數(shù)據(jù)格式(EuropeanDataFormat)ECG心電圖(Electrocardiogram)EEG腦電圖(Electroencephalogram)EMG肌電圖(Electromyogram)FLOAT浮點數(shù)類型(Float)GDF通用數(shù)據(jù)格式(GeneralDataFormat)HP高通濾波(High-passFilter)HTTP超文本傳輸協(xié)議(HyperTextTransferProtocol)Hz赫茲（Hertz）INT整數(shù)類型(Integer)LP低通濾波(Low-passFilter)Modelparam模型參數(shù)(ModelParameters)String字符類型(String)UCHAR無符號字節(jié)型(UnsignedChar)UIMSBF高有效位優(yōu)先的無符號整數(shù)(UnsignedInteger,MostSignificantBitFirst)UINT無符號整型(UnsignedInteger)概述格式定義本文件規(guī)定了通用生理信號數(shù)據(jù)存儲交互的標準格式GDF(GeneralDataFormat)，即通用數(shù)據(jù)格式。通用數(shù)據(jù)格式是一種流格式，同時也適合做一種離線格式。GDF是為了彌補EDF(EuropeanDataFormat)格式在實用場景下的不足而設計的。GDF是滿足可讀、靈活、精度高，擴展性和兼容性較好的生理信號數(shù)據(jù)交互標準。該格式通過流式傳輸設計和安全校驗機制，實現(xiàn)生理信號數(shù)據(jù)在傳輸、存儲與后續(xù)智能分析環(huán)節(jié)的技術統(tǒng)一。應用場景GDF格式適用于以下三類數(shù)據(jù)傳輸場景：流式傳輸場景：采用JSON格式和自定義分片實現(xiàn)實時生理信號傳輸，通過數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名和水印注入技術保障傳輸安全；人工智能應用：支持平臺與設備之間的訓練標簽自定義、生理信號特征數(shù)據(jù)集、模型參數(shù)和推理結果在異構平臺間的標準化傳輸；雙向人機交互設備：建立優(yōu)先級控制通道，采用時間同步協(xié)議實現(xiàn)控制指令，生理反饋信號和刺激響應數(shù)據(jù)的同步傳輸與校驗。通用數(shù)據(jù)格式通用數(shù)據(jù)格式(GDF)由文件頭和數(shù)據(jù)區(qū)(DataSection)組成。文件頭為JSON格式的字符串，以字符'\0'結尾，分為場景元(Header)和信號元(SignalMeta)兩個部分，分別存儲場景元數(shù)據(jù)(包括但不限于設備、用戶標識)和信號元(包括但不限于信號標識，信號名稱)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)區(qū)用于存儲生理信號數(shù)據(jù)。文件頭場景元(Header)場景元數(shù)據(jù)格式見表1。場景元(Header)名稱說明數(shù)據(jù)類型長度（字節(jié)）是否必選（Y/N）Version文件版本String可變YGatewayID網(wǎng)關標識String可變NIPAddress網(wǎng)關IP地址String可變NDataSource數(shù)據(jù)來源與場景String可變NDataStandard數(shù)據(jù)適用標準及版本String可變NPatientID本地患者標識String可變YRecordingID本地記錄標識String可變YStartTime記錄起始日期和時間(精確到毫秒)String可變YNrDataRecorders記錄數(shù)量(-1ifunknown)UINT4NNrSignals信號數(shù)量UINT2NIsEncrypted是否加密(1or0)UCHAR1YEncryptionAlgo加密算法版本String可變NReaderVersion通用數(shù)據(jù)格式閱讀器或編輯器最低版本號String可變YEncryptionCert加密算法證書索引String可變NIsSigned是否開啟水印(1or0)UCHAR1YReserved保留字段String可變N字段說明：1)ReaderVersion：通用數(shù)據(jù)格式閱讀器（GDFReader）用于瀏覽、訪問通用數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)，管理通用格式數(shù)據(jù)的加密和解密過程；信號元（SignalMeta）信號元數(shù)據(jù)格式見表2。信號元（SignalMeta）名稱說明示例數(shù)據(jù)類型長度（字節(jié)）是否必選（Y/N）DeviceID設備標識-INT2YSignalID信號標識-INT2YPriorityID優(yōu)先級標識-INT2YSignalDirection信號流向由外到內刺激(1)或由內到外采集(0)UCHARYSignalLabel信號的名稱EEGFpz-Cz或Bodytemp或Modelparams或NervePulseString可變YTransducerType傳感器類型Ag/AgClelectrodeString可變YPrefiltering預濾波HP:0.1Hz,LP:75HzString可變YPhysiDim物理信號度量uV或degreeCString4YDataType記錄的數(shù)據(jù)格式(INT4,INT8,INT16,INT24,INT32,INT64,FLOAT)String4YPhysiBaseline物理信號基準值-INT4YPhysiMin物理信號最小值-INT4YPhysiMax物理信號最大值-INT4YDigiMin數(shù)字信號最小值-INT可變YDigiMax數(shù)字信號最大值-INT4YStartTime信號起始時間-String2YDurationDR每條記錄的采樣時長(秒)-FLOAT2YNrSampleDR每條記錄的信號樣本數(shù)量-INT可變YSampleRate每條記錄的采樣率-INT4NSampleType采樣方式100HzStringXNNrDataRecorders信號的記錄數(shù)量(-1ifunknown)Uniform或Non-UniformINT可變NDataLabel信號標簽缺省為None，可為列表形式：["Wake","N1",…]String可變NAIModelAI模型標識-String可變NReserved保留字段-String可變YFECMode前向糾錯方法缺省為None，可選：CRC-16，CRC-CCITT，CRC-32，CRC-32CString4Y字段說明：1）NrSampleDR：如DurationDR為5秒，采樣率100Hz，那么NrSamleDR則為500；數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)由多個數(shù)據(jù)段(DataSection)拼接構成,每個數(shù)據(jù)段由數(shù)據(jù)段元和數(shù)據(jù)構成。DataSection數(shù)據(jù)區(qū)（DataSection）的數(shù)據(jù)格式見表3。數(shù)據(jù)區(qū)(DataSection)名稱說明數(shù)據(jù)類型長度（字節(jié)）是否必選（Y/N）SignalID信號標識INT2YNumSampleDR信號的樣本數(shù)INT2YSeqSamleDR信號樣本序號INT4YData信號數(shù)據(jù)或模型參數(shù)BINXYDataLabel信號標簽StringXNFECFEC校驗值，具體方式根據(jù)SignalMeta中的FECMode字段決定，對除了FECMode的整個數(shù)據(jù)(包括頭和數(shù)據(jù)區(qū))進行校驗。INT2Y字段說明：NumSampleDR：如果信號的樣本數(shù)為0，表示當前信號的時間序列數(shù)據(jù)已結束；SeqSamleDR：信號樣本序號為信號樣本的數(shù)量計數(shù)，從0開始。如果某信號發(fā)送的第一段時間序列數(shù)據(jù)中SeqSamleDR為0，NumSampleDR為100，那么該信號發(fā)送的第二段數(shù)據(jù)的SeqSamleDR就是100。引入SeqSamleDR對信號樣本進行計數(shù)帶來如下優(yōu)勢：作為序號，消除傳輸中局部亂序對整體數(shù)據(jù)的影響；根據(jù)序號和DurationDR和StartTime，可以追蹤回溯該時間序列數(shù)據(jù)的錄制時間。Data：信號元中的數(shù)據(jù)格式(DataType)決定了時間序列信號數(shù)據(jù)中的每個數(shù)據(jù)的類型和長度。類型：DataType數(shù)據(jù)長度(X)：NumSampleDR*NrSamleDR*對應DataType的長度。比如某信號的NrSamleDR為500，NumSampleDR為10，DataType是INT32（4字節(jié)），那么Data總共有500*10*2=10000字節(jié)。通用數(shù)據(jù)格式的流傳輸GDF使用HTTP方式進行流傳輸。GDF既是流數(shù)據(jù)格式又是靜態(tài)存儲格式，傳輸時的差別在于：靜態(tài)文件的信號元在頭部，而流文件的信號元可在中間出現(xiàn)。傳輸流程GDF數(shù)據(jù)傳輸流程GDF文件傳輸流程如下：密鑰交換：僅在加密傳輸(IsEncrypted為1)的情況下進行密鑰交換，非加密情況可跳過這一步。密鑰交換過程由通用數(shù)據(jù)格式閱讀器進行管理：確認雙方支持的加密算法；接收方向傳輸方發(fā)送證書；傳輸方用證書公鑰加密并發(fā)送密鑰；接收方用私鑰解密得到密鑰，完成交換。發(fā)送場景元數(shù)據(jù)：包括設備標識碼、用戶標識碼；發(fā)送信號元數(shù)據(jù)：包括信號標識碼、信號個數(shù)；發(fā)送數(shù)據(jù)段：包含信號元所對應各信號數(shù)據(jù)段；重復3、4直至信號傳輸結束。每次發(fā)送的信號元數(shù)據(jù)不必一致。接口傳輸Header消息使用HTTPPOST方法URL為http://cloud/device/<device_id>/header返回：HTTP/1.1201Created范例（注意這里Content-Length是后面JSON字符串長度，估計不止15字節(jié)，最后要以實際為準）：POST/device/1212234/headerHTTP/1.1Host:8:8007Connection:Keep-AliveContent-Type:text/jsonContent-Length:15{"Header":{"Version":"0","GatewayID":"xxxxxxxxxxxx","IPAdress":"8","DataSource":"BeijingTongren","DataStandard":"GDF","PatientID":"NA","RecordingID":"NA","StartTime":"2016-11-1722:23:01:001","NrDataRecorders":"","NrSignals":"2"，"IsEncrypted":"0"，"EncryptionAlgo":"NA"，"ReaderVersion":"NA"，"EncryptionCert":"NA"，"IsSigned":"0","Reserved":""}}HTTP/1.1201Created傳輸SignalMeta消息使用HTTPPOST方法URL為http://cloud/device/<device_id>/signalmeta返回：HTTP/1.1201Created假如對于同一個POSTURL，多次SendSinglaMeta消息里面出現(xiàn)相同的SignalID，那么后面出現(xiàn)的會覆蓋前面的SignalMeta定義，強烈建議不采取該措施。范例（注意這里Content-Length是后面JSON字符串長度，估計不止15字節(jié)，最后要以實際為準）：POST/device/1212234/signalmetaHTTP/1.1Host:8:8007Connection:Keep-AliveContent-Type:text/jsonContent-Length:15{"SignalMeta":[{"DeviceID":"xxxxxxxx""SignalID":"1","SignalLabel":"EEG(sec)","PriorityID":"0","SignalDirection":"0","TransducerType":"NA","Prefiltering":"HP:0.1Hz","PhysiDim":"uV","DataType":"INT8","PhysiBaseline":"0","PhysiMin":"-125","PhysiMax":"125","StartTime":"2016-11-1722:23:01:001","DurationDR":"1","NrSamleDR":"125","SampleRate":"125","SampleType":"Uniform","NrDataRecorders":"1200"，"Label":["Wake","N1",…]，"Reserved":"","FECMode":"NA"},{"DeviceID":"xxxxxxxx""SignalID":"2","SignalLabel":"EMG","PriorityID":"0","SignalDirection":"0","TransducerType":"NA","PhysiDim":"uV","Prefiltering":"LP:75Hz","DataType":"INT8","PhysiBaseline":"0","PhysiMin":"-31.25","PhysiMax":"31.25","StartTime":"2016-11-1722:23:01:001","DurationDR":"1","NrSamleDR":"125","SampleRate":"125","SampleType":"Uniform","NrDataRecorders":"1200"，"Label":["Wake","N1",…]，"Reserved":""，"FECMode":"NA"}]}HTTP/1.1201Created傳輸DataSection信息POST里面直接發(fā)送二進制的DataSections，可以發(fā)送多個，但每個DataSection需保證完整性。使用HTTPPOST方法，URL為http://cloud/device/<device_id>/signaldata返回：HTTP/1.1201CreatedPOST/device/1212234/signalmetaHTTP/1.1Host:8:8007Connection:Keep-AliveContent-Type:text/jsonContent-Length:15{"DataSection":[{"SignalID":"1","NumSampleDR":"100","SeqSamleDR":"0","Data":["9","20","50",…]，"DataLabel":"Wake"，"Reserved":"","FEC":"NA",},{"SignalID":"2","NumSampleDR":"1200","SeqSamleDR":"0","Data":["87","53","10",…]，"DataLabel":"Wake"，"Reserved":"""FEC":"NA",}]}HTTP/1.1201Created數(shù)據(jù)加密加密算法內容加密應使用公認安全的對稱加密算法，本規(guī)范支持以下算法：AES-256：高級加密標準算法；SM2：國家商用密碼體系的一種非對稱加密算法，參見GB/T32918-2016；SM3：國家商用密碼體系的一種密碼雜湊算法，參見GB/T32905-2016；SM4：國家商用密碼中的分組密碼算法，參見GB/T32907-2016。加密方案本方案在通用數(shù)據(jù)格式閱讀器(GDFReader)和編輯器(GDFEditor)內嵌入加解密算法，采用專用閱讀器對GDF格式數(shù)據(jù)進行加密和解密。密鑰交換時只需確認閱讀器版本，即可獲知所支持的加密算法。證書傳遞時只需獲知證書索引，即可按索引獲得對應證書。相比一般傳輸協(xié)議，本方案既減少了不必要的信息傳遞，又在提高效率的同時，提升了診療數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。如需接入至AI算法，如聯(lián)邦學習場景中，可以按照5.2描述流程進行生理信號流傳輸。

（資料性）

歐洲數(shù)據(jù)格式EDF格式介紹歐洲數(shù)據(jù)格式EDF是一種在睡眠呼吸監(jiān)測行業(yè)較多使用的用于交換和存儲生理信號的約定俗成的數(shù)據(jù)格式[1][2]，目前尚無正式標準。這些信號可以有不同的物理維度和采樣頻率。EDF出版于1992年的《腦電圖和臨床神經(jīng)生理學》期刊，廣泛用于多導睡眠圖記錄(Polysomnography)。EDF包含一個頭、一條或多條數(shù)據(jù)記錄。頭包含一般的信息（病人身份、起始時間等）和每個信號的技術規(guī)格（校準、采樣率、濾波等），都被編碼成美國信息交換標準代碼AmericanStandardCodeforInformationInterchange（ASCII）字符。ASCII是基于拉丁字母的一套電腦編碼系統(tǒng)，主要用于顯示現(xiàn)代英語和其他西歐語言，參見ISO/IEC646。數(shù)據(jù)記錄包含低位編址整數(shù)的采樣數(shù)據(jù)。EDF格式由文件頭(HEADERRECORD)和數(shù)據(jù)記錄(DATARECORD)部分構成:文件頭可以分為定長的文件頭A(HeaderA)(256字節(jié)）和不定長的文件頭B(HeaderB)。定長的文件頭A定義了信號的數(shù)量，文件頭B則對每一個信號的詳細參數(shù)進行了定義。數(shù)據(jù)記錄根據(jù)采樣頻率、信號時長等參數(shù)記錄了每個信號的時間序列數(shù)據(jù)。文件頭A表1文件頭A(HeaderA)定義字段說明數(shù)據(jù)類型長度(字節(jié))versionofthisdataformat(0)文件版本，目前為0ASCII8localpatientidentification

本地患者標識ASCII80localrecordingidentification本地記錄標識ASCII80startdateofrecording記錄起始日期ASCIIstarttimeofrecording記錄起始時間ASCIInumberofbytesinheaderrecord頭文件字節(jié)數(shù)ASCIIreserved保留字段ASCIInumberofdatarecords記錄數(shù)ASCIIdurationofadatarecord,inseconds記錄的信號時長ASCIInumberofsignals(ns)indatarecord記錄的信號數(shù)量(ns)ASCII文件頭B(HeaderB)文件頭B的每一個字段都會重復多次，每一次對應一個不同的信號，所指重復次數(shù)決定于文件頭A中定義的信號數(shù)量(numberofsignalsindatarecord或ns)。表2文件頭B(HeaderB)定義字段說明示例數(shù)據(jù)類型長度(字節(jié))label信號標簽EEG或BodytempASCIIns*16transducertype傳感器類型Ag/AgClelectrodeASCIIns*80physicaldimension物理信號度量單位μV或degreeCASCIIns*8physicalm