基于cpg的心肺節(jié)律同步控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，特別是一種基于CPG的心肺節(jié)律同步控制平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]近20年來，呼吸和心率之間的耦合現(xiàn)象在醫(yī)學(xué)界受到越來越多的重視。心血管生理學(xué)的研究結(jié)果表明，呼吸和心率的時(shí)間異變往往是相關(guān)的。主要表現(xiàn)為吸氣時(shí)，釋放兒茶酚胺增多，竇性P-P周期縮短，心率加快;呼氣時(shí)產(chǎn)生乙酰膽堿，引起竇房結(jié)過度極化，竇性P-P周期延長，心率減慢。這種竇性心律與呼吸節(jié)奏同步的現(xiàn)象被稱為呼吸性心率不齊(Respiratory sinus arrhythmia,RSA) C3RSA是呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)相互作用而產(chǎn)生的生理現(xiàn)象，與心肺耦合相關(guān)。RSA避免了呼氣過程中的不必要心跳，減少了心臟的做功，優(yōu)化了心肺系統(tǒng)的工作模式，同時(shí)，RSA反映了心血管系統(tǒng)對(duì)呼吸活動(dòng)的響應(yīng)，年輕人和健康人的RSA很強(qiáng)，但隨著年齡的增長和心血管疾病的發(fā)生RSA會(huì)逐漸減弱，因此它也是心臟功能的一種反映。所以，進(jìn)一步研究和探索心肺節(jié)律同步機(jī)制有助于人們更深入的了解心肺系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，從而對(duì)心血管疾病的治療或心肺節(jié)律調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)，具有深遠(yuǎn)的研究意義。
[0003]心臟是人體非常重要的的器官。醫(yī)學(xué)解剖得到的信息并不能全面地再現(xiàn)心臟的電生理學(xué)特性，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型仿真的方法成為了研究心臟的工作原理的主要手段。中樞模式發(fā)生器(Central Pattern Generator，CPG)是一種可以產(chǎn)生節(jié)律性運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)系統(tǒng)。CPG的突出的穩(wěn)定性和自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力使得其在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域受到了前所未有的重視。一直以來動(dòng)物實(shí)驗(yàn)都受到了社會(huì)倫理的限制，由于心臟跳動(dòng)、呼吸都屬于節(jié)律性運(yùn)動(dòng)，也就可以利用CPG模型來模擬研究心肺系統(tǒng)的節(jié)律調(diào)節(jié)機(jī)制。因此搭建一種基于CPG的心肺節(jié)律同步控制系統(tǒng)，將為心肺系統(tǒng)節(jié)律研究提供一個(gè)“可循環(huán)試驗(yàn)”平臺(tái)，具有重要的研究價(jià)值。
[0004]心、肺節(jié)律必須轉(zhuǎn)化為同一量綱才能進(jìn)行比較，通過快速傅里葉變換(FastFourier Transform，F(xiàn)FT)可以將心、肺節(jié)律都轉(zhuǎn)化到頻域，在頻域中進(jìn)行比較從而確定心肺節(jié)律是否同步。目前，對(duì)心肺系統(tǒng)節(jié)律調(diào)制的研究主要是基于生物實(shí)驗(yàn)或軟件模擬仿真，兩者都具有一定的局限性。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)一直受到社會(huì)倫理的限制，此外動(dòng)物實(shí)驗(yàn)受到多方面環(huán)境因素的影響。而軟件模擬仿真具有運(yùn)算速度慢，實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。
[0005]現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)技術(shù)在以生物神經(jīng)系統(tǒng)為對(duì)象的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到重視。FPGA具有并行運(yùn)算、運(yùn)行速度快、設(shè)計(jì)周期短、開發(fā)費(fèi)用低、體積小、功耗低、編程靈活和可重復(fù)配置利用等特點(diǎn)。利用FPGA進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算和特性分析，可實(shí)現(xiàn)在真實(shí)時(shí)間尺度下運(yùn)行，運(yùn)算效率高，便于應(yīng)用，且集成度高，在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)特性研究、仿生學(xué)以及智能系統(tǒng)方面有著廣闊的應(yīng)用前景，因此FPGA是實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)模型和CPG模型的理想選擇。
[0006]現(xiàn)有的技術(shù)還處于基礎(chǔ)階段，仍存在以下缺點(diǎn):尚無基于CPG的心肺節(jié)律調(diào)制FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；硬件實(shí)現(xiàn)的CPG模型和心肌細(xì)胞模型結(jié)構(gòu)比較簡單，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較低；心肺節(jié)律調(diào)節(jié)方法適應(yīng)性差;人機(jī)界面尚未完善。因此對(duì)FPGA硬件CPG網(wǎng)絡(luò)和心肌網(wǎng)絡(luò)模型的操作和分析比較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于CPG的心肺節(jié)律同步控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)造復(fù)雜的心肌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)模型和CPG模型，其中，CPG模型由8個(gè)H-H(Hodgkin-Huxley)神經(jīng)元模型構(gòu)成，同時(shí)在FPGA上搭建FFT變換模塊，以便于將呼吸節(jié)律信號(hào)以及心肌細(xì)胞產(chǎn)生的節(jié)律信號(hào)同時(shí)變換到頻域，再比較心肺節(jié)律是否同步。上位機(jī)通過USB將呼吸節(jié)律信號(hào)導(dǎo)入到FPGA開發(fā)板中，同時(shí)接收FPGA上心肌細(xì)胞模型和CPG模型上傳的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)觀察CPG模型的控制輸出對(duì)心肌細(xì)胞膜電位的影響。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種基于CPG的心肺節(jié)律同步控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中:該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括有相互連接的FPGA開發(fā)板和上位機(jī)兩部分，F(xiàn)PGA開發(fā)板中集成有心肌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)模型、CPG模型和FFT變換模塊;上位機(jī)中存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)所需呼吸節(jié)律信號(hào)并采用LabVIEW圖形化編程上位機(jī)軟件界面并通過USB與FPGA開發(fā)板進(jìn)行通訊。
[0009]本發(fā)明的有益效果是該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建了復(fù)雜的心肌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)模型和CPG模型，實(shí)現(xiàn)了快速傅里葉變換算法，設(shè)計(jì)了可視化人機(jī)界面，提高了系統(tǒng)的靈活性和易操作性，并能夠達(dá)到與真實(shí)生物神經(jīng)元在時(shí)間尺度上一致;該平臺(tái)為心肺節(jié)律的調(diào)控機(jī)制提供了更加具有生理意義的可視化研究平臺(tái)。基于并行運(yùn)算的FPGA設(shè)計(jì)的心肺節(jié)律同步控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無需進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，該研究內(nèi)容在我國乃至世界范圍內(nèi)都屬于一項(xiàng)前沿的科技領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新的提出了基于CPG的心肺節(jié)律同步控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):
[0010]1、所設(shè)計(jì)的心肌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)模型和CPG模型能夠?qū)崿F(xiàn)在時(shí)間尺度上與真實(shí)生物神經(jīng)元的一致性。
[0011]2、為心肺節(jié)律的調(diào)節(jié)機(jī)制和控制的研究提供了更加快速、便攜的硬件試驗(yàn)平臺(tái)。
[0012]3、本發(fā)明的心肌細(xì)胞模型的關(guān)鍵參數(shù)、突觸模型的突觸權(quán)值以及衰減率都可以通過上位機(jī)軟件界面配置，實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)配置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各種特性。
[0013]4、上位機(jī)軟件界面的設(shè)計(jì)使得呼吸節(jié)律信號(hào)、心肌細(xì)胞膜電位變化情況以及CPG模型輸出的控制信號(hào)能夠直觀的顯示，便于觀察和后續(xù)數(shù)據(jù)分析，為心肺節(jié)律同步的調(diào)節(jié)機(jī)制和控制研究提供了更好的可視化平臺(tái)。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的FPGA硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的心肌細(xì)胞流水線模型；
[0016]圖3為本發(fā)明的突觸電流模塊；
[0017]圖4為本發(fā)明的H-H神經(jīng)元流水線模型；
[0018]圖5為本發(fā)明的FFT變換?？欤?br>[0019]圖6為本發(fā)明的上位機(jī)軟件界面示意圖。
[0020]圖中:
[0021]1.FPGA開發(fā)板2.上位機(jī)3.上位機(jī)軟件界面4.USB接口 5.輸入數(shù)據(jù)總線6.輸出數(shù)據(jù)總線7.心肌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)模型8.心肌細(xì)胞流水線模型9.呼吸節(jié)律信號(hào)10.輸入數(shù)據(jù)信號(hào)11.初值信號(hào)12.初值信號(hào)13.突觸電流模塊14.突觸電流信號(hào)15.CPG模型16.H-H神經(jīng)元流水線模型17.突觸18.心肌細(xì)胞膜電位信號(hào)寄存器19.心肌細(xì)胞膜電位信號(hào)20.CPG輸出控制信號(hào)寄存器21.CPG輸出控制信號(hào)22.FFT變換模塊23.FFT變換后的心肌細(xì)胞膜電位信號(hào)24.FFT變換后的呼吸節(jié)律信號(hào)25.比較模塊26.比較輸出信號(hào)27.流水線數(shù)據(jù)通路28.選擇器29.峰值檢測(cè)模塊30.突觸權(quán)值矩陣31.衰減率32.突觸電流邏輯運(yùn)算模塊33.蝶形運(yùn)算單元I 34.蝶形運(yùn)算單元Π 35.寄存器36.選擇控制器37.選擇控制信號(hào)38.各參數(shù)調(diào)節(jié)部分39.呼吸節(jié)律信號(hào)波形顯示40.心肌細(xì)胞膜電位信號(hào)波形顯示41.CPG輸出控制信號(hào)顯示
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的基于CPG的心肺節(jié)律同步控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)加以說明。
[0023]本發(fā)明的基于CPG的心肺節(jié)律同步控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想是首先在FPGA上建立心肌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)模型和CPG模型;然后在FPGA上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換算法，通過比較心肌細(xì)胞膜電位信號(hào)和呼吸節(jié)律信號(hào)經(jīng)FFT變換后的信號(hào)，輸入到CPG模塊改變CPG的輸出控制信號(hào)，進(jìn)而控制心肌細(xì)胞的放電變化情況。最后設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件界面，上位機(jī)軟件界面可以設(shè)置參數(shù)并通過輸入數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)紽PGA，實(shí)現(xiàn)對(duì)心肌細(xì)胞初始狀態(tài)、模型參數(shù)以及突觸權(quán)值和衰減率的配置，不同的參數(shù)可以改變心肌細(xì)胞的電位活動(dòng)特性。此外上位機(jī)軟件界面通過輸入數(shù)據(jù)總線將存儲(chǔ)在上位機(jī)中的呼吸節(jié)律信號(hào)寫入FPGA開發(fā)板。最后通過輸出數(shù)據(jù)總線將FPGA中心肌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的膜電位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和和CPG的輸出控制信號(hào)上傳到上位機(jī)，在上位機(jī)軟件界面實(shí)現(xiàn)波形的顯示以便于觀察和分析。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括相互連接的FPGA開發(fā)板和上位機(jī)兩部分。其中FPGA開發(fā)板用來實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)模型、CPG模型以及FFT變換模塊，上位機(jī)用來設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件界面并與FPGA開發(fā)板進(jìn)行通訊。
[0024]在FPGA中采用流水線技術(shù)搭建心肌細(xì)胞數(shù)學(xué)模型和構(gòu)成CPG的神經(jīng)元數(shù)學(xué)模型，使復(fù)雜邏輯操作分步完成，從而在資源有限的情況下提高系統(tǒng)的吞吐量。流水線的思想實(shí)際上就是利用延時(shí)將一個(gè)計(jì)算過程分為若干個(gè)子過程，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，每個(gè)子過程同時(shí)分別處理不同神經(jīng)元、不同狀態(tài)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，模型數(shù)據(jù)交叉在移位寄存器中保存，并隨著時(shí)鐘轉(zhuǎn)移。在一個(gè)神經(jīng)元數(shù)據(jù)通路中，流水線的級(jí)數(shù)P與神經(jīng)元個(gè)數(shù)N相等，這樣便可實(shí)現(xiàn)N個(gè)神經(jīng)元的運(yùn)算。不同心肌細(xì)胞之間的耦合作用由突觸電流實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成CPG的神經(jīng)元之間由突觸連接，并由突觸電流來模擬實(shí)現(xiàn)突觸。采用衰減變化的