[发明专利]基于CPG的心肺节律同步控制实验平台

说明书

本发明提供一种基于CPG的心肺节律同步控制实验平台，该实验平台包括FPGA开发板和上位机两部分，这两部分通过USB接口相互连接。其中FPGA开发板用来实现心肌细胞网络模型、CPG模型和快速傅里叶算法，上位机采用LabVIEW设计上位机软件界面并与FPGA开发板进行通讯。本发明的效果是作为生物神经网络的无动物实验、基于高速运算的FPGA神经元网络实验平台实现了CPG对心肺节律同步的调控，并且能够保证与真实生物神经元在时间尺度上的一致性。该平台为研究心肺节律同步的机制和控制提供了更加接近真实神经网络的可视化研究平台，对包括心血管疾病在内的多种心肺系统疾病的研究和治疗有重要的实用价值。

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术，特别是一种基于CPG的心肺节律同步控制平台。

背景技术

近20年来，呼吸和心率之间的耦合现象在医学界受到越来越多的重视。心血管生理学的研究结果表明，呼吸和心率的时间异变往往是相关的。主要表现为吸气时，释放儿茶酚胺增多，窦性P-P周期缩短，心率加快；呼气时产生乙酰胆碱，引起窦房结过度极化，窦性P-P周期延长，心率减慢。这种窦性心律与呼吸节奏同步的现象被称为呼吸性心率不齐(Respiratory sinus arrhythmia，RSA)。RSA是呼吸系统和心血管系统相互作用而产生的生理现象，与心肺耦合相关。RSA避免了呼气过程中的不必要心跳，减少了心脏的做功，优化了心肺系统的工作模式，同时，RSA反映了心血管系统对呼吸活动的响应，年轻人和健康人的RSA很强，但随着年龄的增长和心血管疾病的发生RSA会逐渐减弱，因此它也是心脏功能的一种反映。所以，进一步研究和探索心肺节律同步机制有助于人们更深入的了解心肺系统之间的耦合关系，从而对心血管疾病的治疗或心肺节律调节提供理论依据，具有深远的研究意义。

心脏是人体非常重要的的器官。医学解剖得到的信息并不能全面地再现心脏的电生理学特性，应用数学模型仿真的方法成为了研究心脏的工作原理的主要手段。中枢模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)是一种可以产生节律性运动的神经系统。CPG的突出的稳定性和自适应调节能力使得其在神经科学领域受到了前所未有的重视。一直以来动物实验都受到了社会伦理的限制，由于心脏跳动、呼吸都属于节律性运动，也就可以利用CPG模型来模拟研究心肺系统的节律调节机制。因此搭建一种基于CPG的心肺节律同步控制系统，将为心肺系统节律研究提供一个“可循环试验”平台，具有重要的研究价值。

心、肺节律必须转化为同一量纲才能进行比较，通过快速傅里叶变换(FastFourier Transform，FFT)可以将心、肺节律都转化到频域，在频域中进行比较从而确定心肺节律是否同步。目前，对心肺系统节律调制的研究主要是基于生物实验或软件模拟仿真，两者都具有一定的局限性。动物实验一直受到社会伦理的限制，此外动物实验受到多方面环境因素的影响。而软件模拟仿真具有运算速度慢，实时性差等缺点。

现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)技术在以生物神经系统为对象的计算神经科学领域的应用逐渐受到重视。FPGA具有并行运算、运行速度快、设计周期短、开发费用低、体积小、功耗低、编程灵活和可重复配置利用等特点。利用FPGA进行神经网络的运算和特性分析，可实现在真实时间尺度下运行，运算效率高，便于应用，且集成度高，在神经元网络特性研究、仿生学以及智能系统方面有着广阔的应用前景，因此FPGA是实现心肌细胞网络模型和CPG模型的理想选择。

现有的技术还处于基础阶段，仍存在以下缺点：尚无基于CPG的心肺节律调制FPGA实验平台；硬件实现的CPG模型和心肌细胞模型结构比较简单，实际应用价值较低；心肺节律调节方法适应性差；人机界面尚未完善。因此对FPGA硬件CPG网络和心肌网络模型的操作和分析比较困难。

发明内容