[发明专利]基于CPG的心肺节律同步控制实验平台

摘要

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。

主权项

1.一种基于CPG的心肺节律同步控制实验平台，其特征是：该实验平台包括有相互连接的FPGA开发板(1)和上位机(2)两部分，FPGA开发板(1)中集成有心肌细胞网络模型(7)、CPG模型(15)和FFT变换模块(22)；上位机(2)中存储实验所需呼吸节律信号(9)并采用LabVIEW图形化编程上位机软件界面(3)并通过USB与FPGA开发板(1)进行通讯；所述心肌细胞网络模型(7)经欧拉离散法化后采用硬件编程语言编写，并编译下载到FPGA开发板(1)中，心肌细胞网络模型(7)包括心肌细胞流水线模型(8)、初值模块(11)和突触电流模块(13)，所述心肌细胞网络模型(7)接收上位机软件界面(3)传递到初值模块(11)的初值信号(12)、突触电流模块(13)运算产生的突触电流信号(14)和CPG输出控制信号(21)作为输入进行运算，运算产生的心肌细胞膜电位信号(19)存储到心肌细胞膜电位信号寄存器(18)中，并传回上位机软件界面(3)进行波形显示和处理；FPGA开发板(1)上的心肌细胞网络模型(7)中各细胞之间通过突触电流模块(13)中的突触权值矩阵(30)来模拟真实神经元之间的相互耦合；所述CPG模型(15)包括H‑H神经元流水线模型(16)和突触(17)，采用硬件编程语言编写并编译下载到FPGA开发板(1)中，所述CPG模型(15)包含八个H‑H神经元流水线模型(16)，CPG模型(15)两侧各四个，每个H‑H神经元流水线模型(16)之间通过突触(17)连接，并且突触(17)由突触电流来模拟，所述突触电流产生方法与心肌细胞网络模型(7)中的突触电流模块(13)一样；CPG模型(15)接受上位机(2)通过输入数据总线(5)传递的输入数据信号(10)进行初始化，并接收由比较模块(25)作为输入，CPG模型(15)运算产生的CPG输出控制信号(21)输入到心肌细胞网络模型(7)中，同时存储到FPGA开发板(1)中CPG输出控制信号寄存器(20)，并通过USB接口(4)上传到上位机软件界面(3)进行波形显示和分析处理；所述FFT变换模块(22)包括蝶形运算单元Ⅰ(33)、蝶形运算单元Ⅱ(34)和选择控制器(36)，采用硬件编程语言编写并编译下载到FPGA开发板(1)中，FFT变换模块(22)接收由上位机软件界面(3)通过输入数据总线(5)传递的存储在上位机(2)中的呼吸节律信号(9)，运算得到FFT变换后的呼吸节律信号(24)；同时FFT变换模块(22)接收存储在心肌细胞膜电位信号寄存器(18)中的心肌细胞膜电位信号(19)，运算得到FFT变换后的心肌细胞膜电位信号(23)，经过FFT变换模块(22)运算产生的FFT变换后的呼吸节律信号(24)和FFT变换后的心肌细胞膜电位信号(23)作为比较模块(25)的输入；所述上位机软件界面(3)采用图形化编程的LabVIEW编写，并通过虚拟仪器架构VISA与FPGA开发板(1)的USB接口(4)相连实现数据通信，虚拟仪器架构VISA包含VISA打开，VISA关闭，VISA写入，VISA读取，VISA查找资源；上位机软件界面(3)通过VISA读取接收从FPGA开发板(1)USB接口(4)传输的由心肌细胞网络模型(7)和CPG模型(15)运算得到的动态数据；上位机软件界面(3)设置参数通过VISA写入输入到FPGA开发板(1)中，对心肌细胞网络模型(7)和突触电流模块(13)进行参数配置。