[發(fā)明專利]帕金森病基底核-丘腦網(wǎng)絡(luò)的深度腦刺激FPGA實驗平臺

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310670414.0
• 申請日: 2013-12-10
• 公開（公告）號: CN103691058A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄧斌;張茂華;王曉軍;魏熙樂;李會艷;于海濤;王江
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學
• 主分類號: A61N1/36
• 分類號: A61N1/36
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 呂志英

1.一種帕金森病基底核-丘腦網(wǎng)絡(luò)的深度腦刺激FPGA實驗平臺，其特征是：該實驗平臺包括有相互連接的FPGA開發(fā)板（1）和上位機（2），其中FPGA開發(fā)板（1）用來實現(xiàn)基底核-丘腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型（3）和深度腦刺激控制器（4），上位機（2）用來設(shè)計上位機軟件界面（5）并與FPGA開發(fā)板（1）進行通訊；

所述基底核-丘腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型（3）在FPGA開發(fā)板（1）中實現(xiàn)，基底核-丘腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型（3）接收深度腦刺激控制器（4）和上位機軟件界面（5）傳遞的信號進行運算，運算產(chǎn)生的膜電位信號（21）傳回上位機軟件界面（5）進行處理；FPGA基底核-丘腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型（3）包括有GPe（6）、STN（7）、GPi（8）和TC（9）四種神經(jīng)元核團模型，而GPe（6）、STN（7）、GPi（8）和TC（9）四種神經(jīng)元核團模型通過多巴胺參數(shù)總線（17）連接來模擬真實神經(jīng)元之間的相互耦合；所述GPe（6）、STN（7）、GPi（8）和TC（9）神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型均包括有以下相互連接的模塊：初值模塊（10）、神經(jīng)元流水線數(shù)據(jù)模型（11）、存儲膜電壓和多巴胺參數(shù)的寄存器模塊（12）和突觸電流產(chǎn)生模塊（13）；

所述深度腦刺激控制器（4）由FPGA開發(fā)板（1）實現(xiàn)，深度腦刺激控制器（4）接收由上位機軟件界面（5）通過數(shù)據(jù)輸入總線（15）傳遞的數(shù)據(jù)，來配置深度腦刺激控制器（4）的刺激信號波形、頻率、幅值、脈寬參數(shù)；深度腦刺激控制器（4）運行產(chǎn)生深度腦刺激控制信號（23），作為外部電流刺激施加到基底核-丘腦網(wǎng)絡(luò)模型（3），通過一個數(shù)據(jù)選擇器（24）使深度腦刺激控制信號（23）在GPe（6）、STN（7）和GPi（8）核團之間進行切換；

所述上位機軟件界面（5）通過VISA與FPGA開發(fā)板（1）的USB接口（14）相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，上位機軟件界面（5）通過“VISA讀取”接收從FPGA開發(fā)板（1）USB接口（14）傳輸?shù)挠苫缀?丘腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型（3）運算得到的數(shù)據(jù)；上位機軟件界面（5）設(shè)置參數(shù)通過“VISA寫入”輸入數(shù)據(jù)到FPGA開發(fā)板（1）中，對基底核-丘腦網(wǎng)絡(luò)模型（3）和深度腦刺激控制器（4）進行參數(shù)配置。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帕金森病基底核-丘腦網(wǎng)絡(luò)的深度腦刺激FPGA實驗平臺，其特征是：所述突觸電流產(chǎn)生模塊（13）包含神經(jīng)元突觸耦合連接矩陣（26）和邏輯運算模塊（27），突觸耦合連接矩陣（26）接收上位機軟件界面（5）傳遞的信號（18）進行初始化配置；突觸電流產(chǎn)生模塊（13）接收存儲在存儲器（12）中的神經(jīng)元膜電位信號（21）和多巴胺參數(shù)總線（17）傳遞的多巴胺參數(shù)信號（22），與突觸耦合連接矩陣（26）通過FPGA開發(fā)板（1）內(nèi)部設(shè)計的邏輯運算模塊（27）進行運算得到突觸電流（20），作為神經(jīng)元的突觸電流（20）輸入。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帕金森病基底核-丘腦網(wǎng)絡(luò)的深度腦刺激FPGA實驗平臺，其特征是：所述初值模塊（10）通過FPGA開發(fā)板（1）內(nèi)部的數(shù)據(jù)輸入總線（15）接收由上位機軟件界面（5）傳遞的數(shù)據(jù)，對神經(jīng)元流水線數(shù)據(jù)模型（11）進行初始參數(shù)的配置，初值模塊（10）通過接收上位機軟件界面（5）賦予的不同參數(shù)，使基底核-丘腦網(wǎng)絡(luò)模型（3）在運算時表現(xiàn)出正常狀態(tài)的放電模式或帕金森病態(tài)放電模式。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帕金森病基底核-丘腦網(wǎng)絡(luò)的深度腦刺激FPGA實驗平臺，其特征是：神經(jīng)元流水線數(shù)據(jù)模型（11）接收初值信號（19）、深度腦刺激控制信號（23）和突觸電流信號（20）作為神經(jīng)元流水線數(shù)據(jù)模型（11）的輸入進行運算處理，經(jīng)過神經(jīng)元流水線數(shù)據(jù)模型（11）運算產(chǎn)生的神經(jīng)元的膜電位信號（21）和多巴胺參數(shù)信號（22）輸入到FPGA開發(fā)板（1）內(nèi)部寄存器模塊（12）存儲；神經(jīng)元的流水線數(shù)據(jù)模型（11）在一個數(shù)據(jù)路徑中實現(xiàn)N個神經(jīng)元處理進程，N為流水線深度；神經(jīng)元的流水線數(shù)據(jù)模型（11）有三條流水線數(shù)據(jù)通路（25），其中的神經(jīng)元膜電位（21）通路和多巴胺參數(shù)（22）通路與寄存器模塊（12）相連，把神經(jīng)元膜電位信號（21）和多巴胺參數(shù)信號（22）輸入到寄存器模塊（12）進行存儲，神經(jīng)元的膜電位（21）的變化代表神經(jīng)元的放電動作，多巴胺參數(shù)（22）用來計算突觸電流（20），實現(xiàn)神經(jīng)元之間的耦合。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帕金森病基底核-丘腦網(wǎng)絡(luò)的深度腦刺激FPGA實驗平臺，其特征是：所述存儲器模塊（12）接收神經(jīng)元流水線數(shù)據(jù)模型（11）運算產(chǎn)生的神經(jīng)元的膜電位信號（21）和多巴胺參數(shù)信號（22）進行存儲；多巴胺參數(shù)（22）通過多巴胺參數(shù)總線（17）傳遞到不同的神經(jīng)元核團來實現(xiàn)相互之間的耦合，神經(jīng)元的膜電位信號（21）通過輸出總線（16）傳遞到上位機（2），用來在上位機軟件界面（5）進行處理。