[發明專利]基于FPGA的閉環電生理實驗平臺

在審

• 申請號: 201510496792.0
• 申請日: 2015-08-12
• 公開（公告）號: CN105182794A
• 公開（公告）日: 2015-12-23
• 發明（設計）人: 鄧斌;李鴻基;楊雙鳴;蘇斐;魏熙樂;于海濤;張鎮;王江
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 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

1.一種基于FPGA的閉環電生理實驗平臺，其特征是：利用FPGA芯片結合D/A轉換模塊構建一種高精度的虛擬神經元并實現閉環電生理實驗，該虛擬神經元反映真實神經元的生理特性，在電生理實驗研究中代替真實神經元；所述實驗平臺包括有相互連接的上位機(1)、數據采集卡(2)和FPGA芯片(3)；

所述的上位機(1)與數據采集卡(2)通過USB接口連接，利用數據采集卡(2)采集FPGA芯片(3)的輸出數據，并實時地通過上位機(1)的上位機軟件界面(49)的顯示模塊(52)以波形的形式顯示出來；所述的FPGA芯片(3)通過USB接口(4)與上位機(1)實現通訊，接收上位機(1)發出的數據和指令；

所述的FPGA芯片(3)中包含有電壓鉗位實驗模塊(6)、動態鉗位實驗模塊(12)、突觸電流實驗模塊(16)、波形鉗位實驗模塊(22)以及響應鉗位實驗模塊(32)，這五個模塊相互獨立，通過數據總線(5)將這五個模塊與上位機(1)和數據采集卡(2)相連接；所述的電壓鉗位實驗模塊(6)、動態鉗位實驗模塊(12)、突觸電流實驗模塊(16)、波形鉗位實驗模塊(22)以及響應鉗位實驗模塊(32)分別經數據總線(5)相互連接獲取上位機(1)給定的參數，對FPGA芯片(3)中的參數進行配置，由數據總線(5)將上位機(1)的輸入信號傳輸給所述的五個的模塊，并將輸出的信號傳輸到數據采集卡(2)的輸入端，完成閉環電生理實驗。

2.根據權利要求1所述的基于FPGA的閉環電生理實驗平臺，其特征是：所述的電壓鉗位實驗模塊(6)包括有電壓鉗位控制器(8)、神經元模型(9)及無跡卡爾曼濾波器(11)，所述電壓鉗位控制器(8)與數據總線(5)相連，控制神經元模型(9)放電，由無跡卡爾曼濾波器(11)接收神經元模型(9)的放電輸出并與數據總線(5)連接，所述的電壓鉗位控制器(8)對神經元模型(9)進行調制，并使神經元模型(9)跟蹤給定電壓信號(7)放電；所述的無跡卡爾曼濾波器(11)對離子電流強度、電導、反電勢、門控變量進行估計并輸出到FPGA芯片(3)的輸出端。

3.根據權利要求1所述的基于FPGA的閉環電生理實驗平臺，其特征是：所述的動態鉗位實驗模塊(12)包括有由動態鉗位控制器(14)、神經元模型(15)及無跡卡爾曼濾波器(11)，由動態鉗位控制器(14)連接數據總線(5)，并對神經元模型(15)進行調制，通過無跡卡爾曼濾波器(11)接收神經元模型(15)的放電數據，并將得到的電導值輸入到動態鉗位控制器(14)中；動態鉗位控制器(14)根據輸入的電導值和上位機給點參數計算得到適當的刺激電流并施加到神經元模型(15)中，實現對神經元模型(15)放電的控制。

4.根據權利要求1所述的基于FPGA的閉環電生理實驗平臺，其特征是：所述的突觸電流實驗模塊(16)包括有神經元模型Ⅰ(18)、神經元模型Ⅱ(19)和神經元模型Ⅲ(21)，所述神經元模型Ⅰ(18)與神經元模型Ⅱ(19)之間、神經元模型Ⅱ(19)與神經元模型Ⅲ(21)之間分別以完全相同的模擬突觸連接方式(20)連接，將神經元模型Ⅰ(18)的輸出作為輸入信號施加到神經元模型Ⅱ(19)，將神經元模型Ⅱ(19)的輸出作為輸入信號施加到神經元模型Ⅲ(20)，同時，由上位機對神經元模型Ⅰ(18)和神經元模型Ⅲ(20)施加相同的外加刺激信號(17)，將神經元模型Ⅰ(18)和神經元模型Ⅲ(20)的放電結果由數據總線(5)輸出到FPGA芯片(3)的輸出端。

5.根據權利要求1所述的基于FPGA的閉環電生理實驗平臺，其特征是：所述的波形鉗位實驗模塊(22)包括有刺激類型選擇模塊(23)、波形鉗位控制器(26)、神經元模型(27)及無跡卡爾曼濾波器(11)，所述刺激類型選擇模塊(23)與數據總線(5)相連，產生輸入電壓波形(25)；波形鉗位控制器(26)對神經元模型(27)進行調制，刺激類型選擇模塊(23)與乘法器(24)連接，通過數據總線(5)傳來的上位機(1)信號生成輸入電壓波形(25)作為給定電壓信號，施加到神經元模型(27)中，利用波形鉗位控制器(26)對神經元模型(27)進行控制，使神經元模型(27)跟隨給定電壓放電。

6.根據權利要求1所述的基于FPGA的閉環電生理實驗平臺，其特征是：所述的響應鉗位實驗模塊(32)包括有響應鉗位控制器(29)、神經元模型(30)及頻率估計模塊(31)，響應鉗位控制器(29)連接到數據總線(5)并對神經元模型(30)進行控制，頻率估計模塊(31)接收神經元放電數據并將估計結果經數據總線(5)輸出到數據采集卡(2)輸入端，頻率估計模塊(31)對神經元模型(30)的放電數據進行分析，估計得到放電頻率，響應鉗位控制器(29)根據估計結果與上位機(1)給定放電頻率(28)比較得到的誤差，對神經元模型(30)進行控制，使神經元模型(30)按照給定的頻率進行放電。