[發(fā)明專利]基于FPGA的閉環(huán)電生理實驗平臺

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510496792.0
• 申請日: 2015-08-12
• 公開（公告）號: CN105182794A
• 公開（公告）日: 2015-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄧斌;李鴻基;楊雙鳴;蘇斐;魏熙樂;于海濤;張鎮(zhèn);王江
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 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

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，特別是一種基于FPGA的閉環(huán)電生理實驗平臺。

背景技術(shù)

電生理學(xué)研究的主要技術(shù)是以多種形式的能量(電、聲等)刺激生物體，測量、記錄和分析生物體發(fā)生的電現(xiàn)象(生物電)和生物體的電特性的技術(shù)。針對測量出的電信號進行估計和分析，并加以控制，構(gòu)成了閉環(huán)電生理系統(tǒng)。閉環(huán)電生理實驗平臺的應(yīng)用可以規(guī)避生理實驗中的倫理問題和不可重復(fù)的問題，適用于進一步的實驗研究，為科學(xué)研究提供了便利，同時對臨床診斷有重要意義。

近些年來，現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA)技術(shù)逐漸在以生物神經(jīng)系統(tǒng)為對象的計算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域得到重要的應(yīng)用。在硬件的實現(xiàn)方法中，相比于大規(guī)模模擬集成電路靈活性差、開發(fā)周期長等缺點，F(xiàn)PGA有著并行運算計算速度快的特點，同時兼具密度高、體積小、編程靈活、可重復(fù)配置、修改參數(shù)簡便、低成本、低功耗、高可靠性等優(yōu)勢?；贔PGA的神經(jīng)元及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的計算和特性分析，可以在真實時間尺度下運行，具有速度快、運算效率高、集成度高等優(yōu)勢，因此便于應(yīng)用在仿生學(xué)、智能系統(tǒng)、神經(jīng)元特性研究及神經(jīng)疾病治療等方面，因而對于基于神經(jīng)元模型的閉環(huán)控制的硬件實現(xiàn)具有重要意義。

數(shù)據(jù)采集卡是用于從下位機(FPGA)中自動采集電信號或者數(shù)據(jù)信號，并傳送到上位機中進行顯示、處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。

VB(VisualBasic)是一種結(jié)構(gòu)化、模塊化、面向?qū)ο蟮目删幊淘O(shè)計語言，它包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動。VB提供了可視化的設(shè)計平臺，無需考慮Windows界面設(shè)計的復(fù)雜性，不必再為界面的設(shè)計編寫大量的程序代碼，只需按設(shè)計的要求，用系統(tǒng)提供的工具在屏幕上構(gòu)建各種對象，VB自動產(chǎn)生界面設(shè)計代碼，我們所要做的只是實現(xiàn)程序功能的那部分代碼，從而大大提高了編程的效率。同時，VB還可以實現(xiàn)與其他Windows應(yīng)用程序建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫交換和在不同的應(yīng)用程序之間進行通信的功能。

預(yù)測控制是利用過程模型預(yù)測系統(tǒng)在一定控制下未來的動態(tài)行為，在此基礎(chǔ)上根據(jù)給定的約束條件和性能要求滾動地求解最優(yōu)控制作用并實施當前控制，在滾動地每一步通過檢測實時的信息修正對未來行為的預(yù)測。它可以提前對系統(tǒng)進行控制，可以更好的消除系統(tǒng)中因各環(huán)節(jié)滯后所產(chǎn)生的延遲影響。而神經(jīng)元模型數(shù)據(jù)采集、在線圖像處理過程中均存在滯后現(xiàn)象，同時，傳感器本身以及硬件驅(qū)動過程均可能存在遲滯，這些滯后會對系統(tǒng)造成很大的影響，所以必須采用預(yù)測控制對其進行控制，消除滯后對其影響。

由Julier和Uhlman等人根據(jù)確定性采樣的基本思路，提出的無跡卡爾曼濾波器(UnscentedKalmanfilter，UKF)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于計算機圖像處理、傳感器數(shù)據(jù)融合、導(dǎo)航、控制等領(lǐng)域。UKF是一種基于最小方差估計準則的非線性高斯狀態(tài)估計器。它的優(yōu)勢在于在處理非線性系統(tǒng)時，不需要對非線性函數(shù)進行一階線性化。無跡卡爾曼濾波器是非線性狀態(tài)估計的一種工具，且能夠?qū)υ肼曈绊懙妮敵鰻顟B(tài)起到濾波的作用，具有更快的收斂速度和更簡單的計算流程。基于關(guān)鍵參數(shù)的不可直接測量性，本發(fā)明選取無跡卡爾曼濾波器對關(guān)鍵參數(shù)進行估計，利用易測量的參數(shù)估計出不易測量的參數(shù)值，并根據(jù)其變化情況對神經(jīng)元的放電狀態(tài)進行分析。

現(xiàn)有的技術(shù)還處于基礎(chǔ)階段，因此仍存在以下缺點:現(xiàn)有的實驗平臺無法將軟件的靈活性和硬件的真實性與速度優(yōu)勢有機地結(jié)合起來；現(xiàn)有的運用FPGA實現(xiàn)的硬件仿真神經(jīng)元模型結(jié)構(gòu)比較簡單，精度不高，無法代替真實神經(jīng)元進行電生理實驗研究；現(xiàn)有的人機界面尚未完善，無法進行實時的控制操作與數(shù)據(jù)分析，因此電生理實驗的操作分析比較困難。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于單神經(jīng)元閉環(huán)控制的FPGA實驗平臺，在硬件基礎(chǔ)上構(gòu)建神經(jīng)元模型并作為虛擬神經(jīng)元進行仿真實驗，通過對虛擬神經(jīng)元的閉環(huán)控制、利用閉環(huán)鉗位算法實現(xiàn)電壓鉗位實驗、動態(tài)鉗位實驗、突觸電流實驗、波形鉗位實驗以及響應(yīng)鉗位實驗等電生理實驗；同時，本發(fā)明采用了轉(zhuǎn)換接口，可以根據(jù)實驗要求實現(xiàn)虛擬神經(jīng)元與真實神經(jīng)元之間的切換；本發(fā)明還利用上位機軟件構(gòu)建上位機軟件界面，實現(xiàn)了對實驗平臺的在線控制和實時顯示。本發(fā)明采用了硬件和軟件組合的形式，既能發(fā)揮硬件的速度和真實性方面的優(yōu)勢，也能將軟件的靈活性最大程度利用，實現(xiàn)對快速性、魯棒性及能量消耗等指標的優(yōu)化。