基于FPGA的癫痫状态闭环控制实验平台

摘要

本发明提供一种基于FPGA的癫痫状态闭环控制实验平台，该实验平台以FPGA为下位机，辅以VB编写的上位机界面进行放电波形观测与参数整定。其中FPGA实现癫痫神经集群数学模型，利用闭环反馈控制实现癫痫神经集群网络的放电模式控制，上位机用来进行参数的调整与放电波形的观测。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，实现了对复杂的癫痫神经元网络的建模，并且能够达到在时间尺度上与真实生物神经元的一致。该平台为研究癫痫疾病的神经元集群的放电机制、电场作用下的癫痫神经集群网络闭环控制等提供了更加接近真实神经网络的可视化研究平台，对癫痫疾病治疗的研究有重要的实用价值。

主权项

一种基于FPGA的癫痫状态闭环控制实验平台，其特征是：该实验平台包括有相互连接的FPGA芯片(1)和上位机(2)，癫痫状态闭环控制神经集群网络模型(3)和PI类型迭代学习控制器(4)采用VHDL语言编程，并集成到FPGA芯片(1)中，上位机(2)负责图形化编程的上位机软件界面(5)并与FPGA芯片(1)进行通讯；所述癫痫状态闭环控制神经集群网络模型(3)采用欧拉法离散化，由VHDL语言编程实现，并编译下载到FPGA芯片(1)中，上位机软件界面(5)输入的信号通过癫痫状态闭环控制神经集群网络模型(3)与PI类型迭代学习控制器(4)的计算产生神经集群膜电位(17)输出到上位机(2)中进行处理；癫痫状态闭环控制神经集群网络模型(3)中的相互耦合的癫痫神经集群模型(37)包含相互耦合连接的兴奋性椎体细胞神经元流水线数据通路(42)、兴奋性星形细胞神经元流水线数据通路(43)、抑制性中间神经元Ⅰ流水线数据通路(44)，抑制性中间神经元Ⅱ流水线数据通路(45)四种神经元模型，所述兴奋性椎体细胞神经元流水线数据通路(42)与抑制性中间神经元Ⅰ流水线数据通路(44)，抑制性中间神经元Ⅱ流水线数据通路(45)之间分别通过相互作用常量C1(47)、常量C2(48)进行耦合连接；所述癫痫状态闭环控制神经集群网络模型(3)还包括有相互连接的正常神经集群网络流水线数据模型(9)、癫痫神经集群网络流水线数据模型(10)模块，接受存储在初值模块(19)中的初值信号(24)、由PI类型迭代学习控制器(4)产生的PI类型迭代学习控制信号(25)、由上位机软件界面(5)输入的耦合强度信号(26)、兴奋性突触增益信号(27)与噪声产生模块(18)产生的噪声信号(39)；所述PI类型迭代学习控制器(4)由VHDL语言编程实现，编译下载到FPGA芯片(1)中，上位机软件界面(5)实现控制器参数的修改，经由数据输入总线(7)将比例参数信号(28)、积分参数信号(29)传输到存储器模块(30)中进行数据存储，再输入到PI类型迭代学习控制器(4)中，来配置PI类型迭代学习控制器(4)运行产生波形、幅值、脉宽与频率特性的PI类型迭代学习控制信号(25)；PI类型迭代学习控制器(4)计算产生的PI类型迭代学习控制信号(25)作为外部信号传输到癫痫神经集群网络流水线数据模型(10)中，并通过数据选择器(36)使PI类型迭代学习控制信号(25)在不同神经集群之间实现切换；所述上位机软件界面(5)通过USB接口(6)与FPGA芯片(1)相连实现数据通信，上位机软件界面(5)接收从FPGA芯片(1)中USB接口(6)经由数据输出总线(8)传输的由癫痫状态闭环控制神经集群网络模型(3)产生的数据，上位机软件界面(5)所设置的参数通过USB接口(6)经由数据输入总线(7)输入数据到FPGA芯片(1)中，对癫痫状态闭环控制神经集群网络模型(3)和PI类型迭代学习控制器(4)进行参数配置。