超声刺激下双神经元去同步的模糊控制方法、系统和设备

本发明涉及神经科学领域和控制科学领域，尤其是超声刺激下双神经元去同步的模糊控制方法、系统和设备。

背景技术：

1、生物神经元系统是由数目巨大的神经细胞组成，这些神经细胞之间通过放电进行着丰富的信息传递活动，构成了生物神经元的信息网络支持生物体的正常生命活动。神经元细胞之间传递信息是通过峰峰放电形式实现的，不同放电方式编码了不同的信息，因此可以通过研究神经元系统峰峰放电探索神经元放电规律和动力学特性。生物信息在神经系统中是由一个神经元传递到一下个神经元的，神经元之间的耦合方式包括常见的化学耦合和电耦合，动作电位通过电耦合经一个神经元传递到下一个神经元的速度比化学耦合快，因此通常认为电耦合特性使得神经元间产生同步运动。两个神经细胞之间的同步放电是整个神经网络的基础，所以两个神经细胞之间的耦合神经元系统同步是整个神经网络信息传递的关键。耦合双神经元或神经集群的同步放电会造成癫痫、帕金森等神经性精神类疾病，近年来的研究表明利用外界物理技术刺激神经的方式(如，外加电流刺激、磁声刺激)可以改变神经元的放电节律。

2、近年来，高频高强度超声波在医学领域上广泛应用，如：超声成像、超声碎石仪、超声刀和非侵入性肿瘤消融技术等。低强度经颅超声刺激作为一种新型的神经调控技术，具有无创、高穿透深度和高空间分辨率的特点，备受科研工作人员的关注，研究重点聚焦于不同的超声参数(频率、刺激强度、峰值压力幅值、占空比、持续时间、脉冲重复频率)和对精神类疾病的治疗和调控作用。在大量的动物模型和人体实验表明，超声调控脑组织会引起作用原位的神经功能活动；低强度经颅超声刺激健康小鼠运动皮层区域能够诱发尾部、四肢和胡须的运动响应，改变局部场电位和增强脑血流速度；低强度经颅超声刺激能够安全且快速地破坏猕猴大脑外侧面额前区域与信度分配相关的活动，使得猕猴不能理解某些选择会产生更好的结果；低强度经颅超声神经调控能够抑制癫痫、帕金森的发作。

3、pid控制有着原理简单，使用方便，适应性强的特点，但同时具有控制精度低、抗干扰能力差等缺点，模糊自适应pid控制是在pid控制算法的基础上，以测量值的偏差e和偏差变化率ec作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整，来满足不同时刻的e和ec对pid参数自整定的要求。特别的，当系统参数受到扰动时，测量值会发生变化，可利用e和ec的变化和模糊规则对pid参数进行修改，调整pid控制器的输出信号，进而调整仿真模型的输入信号，最终使得控制指标保持稳定。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供超声刺激下双神经元去同步的模糊控制方法、系统和设备，基于模糊自适应pid控制算法，将经颅磁声刺激模型和双神经元模型联立，利用闭环模糊控制使得双神经元放电去同步保持最大化，并得到最佳超声刺激参数，这是闭环模糊自适应pid控制思想在神经元放电去同步方面的创新，为治疗癫痫以及帕金森等疾病寻找最佳超声刺激参数提供了理论研究方法，发掘超声刺激在功能性脑病临床治疗中的应用价值。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：超声刺激下双神经元去同步的模糊控制方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、获取当前仿真的超声波数据，所述超声波数据包括刺激强度和/或频率；

4、步骤s2、将所述超声波数据输入经颅磁声刺激模型，得到双神经元模型刺激电流；

5、步骤s3、将所述双神经元模型刺激电流输入双神经元模型，得到双神经元膜电位时间响应曲线；

6、步骤s4、基于所述双神经元膜电位时间响应曲线，计算两个神经元膜电位峰值所对应的时间，进一步计算双神经元的峰峰间期之和；

7、步骤s5、基于所述双神经元的峰峰间期之和与双神经元的峰峰间期之和的设定值，得到模糊自适应pid控制系统的输入参数，所述模糊自适应pid控制系统的输入参数包括双神经元峰峰间期之和与双神经元峰峰间期之和的设定值的偏差与偏差的变化率，所述双神经元的峰峰间期之和的设定值为当前仿真之前双神经元的峰峰间期之和全部仿真结果中的最大值加5，所述偏差的变化率为当前仿真的偏差减去上一次仿真的偏差；

8、步骤s6、基于所述偏差与偏差的变化率，利用模糊自适应pid控制算法，经过模糊化，确定模糊规则，解模糊之后，得到pid控制参数的增量，所述pid控制参数的增量包括比例系数增量，积分系数增量和微分系数增量；

9、步骤s7、基于所述pid控制参数的增量与当前仿真使用的pid控制参数，得到下一次仿真的pid控制参数，通过pid控制系统输出下一次仿真的超声波数据；

10、步骤s8、重复迭代步骤s1～s7，当仿真结束后停止迭代，输出迭代之后得到的双神经元的峰峰间期之和的控制曲线图，输出使得双神经元的峰峰间期之和达到最大的超声波数据。

11、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤s2的具体过程为：将所述超声波数据输入经颅磁声刺激模型，产生具有上下阈值的双神经元模型刺激电流icm；所述经颅磁声刺激模型的方程式如下：

12、

13、其中，σ为神经元组织液的电导率，ρ为组织液的密度，c0为超声波传播速度，bx为静磁感应强度，γu为超声场强度，fu为超声频率。

14、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤s3中双神经元模型为hindmarsh-rose双神经元模型且hindmarsh-rose双神经元模型包括两个完全同步的神经元耦合系统，将双神经元模型刺激电流icm输入到两个完全同步的神经元耦合系统，然后根据神经元的放电活动计算得到两个神经元电位的峰值所对应的时间，以及得到双神经元的峰峰间期之和。

15、本发明技术方案的进一步改进在于：所述两个完全同步的神经元耦合系统构建过程如下式：

16、

17、其中，x为神经元的细胞膜电位，y表示与内电流相关的恢复变量，z表示与钙离子激活的钾离子电流相关的慢变调节电流，a、b、c、d、r、s、χ是两个完全同步的神经元耦合系统的构建参数，i是超声刺激作用于神经元产生的电容位置电流，c是两个神经元之间的耦合强度，其中i＝4ma，a＝1.0，b＝3.0，c＝1.0，d＝5.0，r＝0.006，s＝4.0，χ＝-1.6，c＝0.02，且双神经元模型状态变量初始值为[x1(0),y1(0),z1(0),x2(0),y2(0),z2(0)]＝[0.1,0.3,3,0.1,0.3,3]。

18、本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤s4中通过计算两个神经元电位的峰值所对应的时间的差得到峰峰间期isii，然后根据有限个放电尖峰的峰峰间期isii的总和isi判断两个神经元之间的去同步化程度；isii计算过程如下：

19、isii＝t2i-t1i

20、其中，t1i和t2i分别表示两个神经元的第i个放电尖峰对应的时间。

21、本发明技术方案的进一步改进在于：所述pid控制系统由比例单元、积分单元和微分单元组成，基于pid控制参数与双神经元峰峰间期之和与双神经元峰峰间期之和的设定值的偏差，得到控制输出量；pid控制的微分方程为：

22、连续情况：

23、

24、其中，e(t)是所述双神经元峰峰间期之和与所述双神经元峰峰间期之和的设定值的偏差，kp是比例系数，ti是积分时间系数，td是微分时间系数，u(t)是控制器的输出，t是从开始调节到输出当前控制量所经过的时间间隔；

25、离散情况的增量式pid算法公式如下：

26、

27、δu(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

28、u(k)＝δu(k)+u(k-1)

29、其中，t为采样周期，k为采样序列号，k＝0,1,2…，kp是比例作用系数，ki是积分作用系数，kd是微分作用系数，δu(k)是控制器输出增量，u(k)是pid控制器完整输出，e(k)是第k次采样中双神经元峰峰间期之和与双神经元峰峰间期之和的设定值的偏差。

30、本发明技术方案的进一步改进在于：超声刺激下双神经元去同步的模糊控制系统，所述系统包括pid控制模块、第一生成模块、第二生成模块、数据处理模块、模糊自适应pid控制模块和输出模块；

31、pid控制模块：基于双神经元峰峰间期之和与双神经元峰峰间期之和的设定值的偏差，利用由pid控制参数的增量调整之后的pid控制参数，通过pid控制系统输出进行仿真的超声波数据，所述超声波数据包括刺激强度和/或频率；

32、第一生成模块：将所述超声波数据输入所述经颅磁声刺激模型，得到所述双神经元模型刺激电流；

33、第二生成模块：将所述双神经元模型刺激电流输入所述双神经元模型，得到所述双神经元膜电位时间响应曲线；

34、数据处理模块：基于所述双神经元膜电位时间响应曲线，计算所述两个神经元膜电位的峰值所对应的时间，进一步计算所述双神经元的峰峰间期之和；

35、模糊自适应pid控制模块：基于所述双神经元峰峰间期之和与所述双神经元峰峰间期之和的设定值的偏差与偏差的变化率，利用模糊自适应pid控制算法，经过模糊化，确定模糊规则，解模糊之后，得到所述pid控制参数的增量；

36、输出模块：输出迭代之后得到的双神经元的峰峰间期之和的控制曲线图，输出使得双神经元的峰峰间期之和达到最大的超声波数据。

37、本发明技术方案的进一步改进在于：超声刺激下双神经元去同步的模糊控制设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储程序指令；所述处理器用于调用程序指令，当程序指令被执行时，用于执行实现权利要求1-6任意一项超声刺激下双神经元去同步的模糊控制方法。

38、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

39、1、本发明提供了一种用于实现超声刺激下双神经元模型去同步最大化的模糊自适应pid控制仿真方法，首先探索研究超声刺激在两个完全同步的神经元耦合系统中的去同步作用，该方法基于模糊自适应pid控制思想，联合经颅磁声刺激模型与双神经元模型，深层次挖掘实现神经元去同步最大化的控制方法以及超声波数据背后的生命规律，具体地：获取当前仿真的超声波数据，将超声波数据输入经颅磁声刺激模型，得到双神经元模型刺激电流，将得到的双神经元模型刺激电流输入双神经元模型，得到双神经元膜电位时间响应曲线，然后通过计算得到的两个神经元膜电位峰值所对应的时间以及双神经元的峰峰间期之和，计算峰峰间期之和与峰峰间期之和的设定值的偏差与偏差的变化率，以偏差与偏差的变化率作为模糊自适应pid控制系统的输入，得到pid控制参数的增量，再经过pid控制系统输出下一次仿真的超声波数据，仿真时间内进行迭代计算，输出迭代之后得到的双神经元的峰峰间期之和的控制曲线图，输出使得所述双神经元的峰峰间期之和达到最大的超声波数据；

40、2、本发明基于闭环模糊自适应pid控制思想，利用去同步化指标的偏差及其偏差率作为模糊自适应pid控制系统的输入参数，输出三个pid控制系数的增量，并利用该增量与当前仿真的pid控制系数经过pid控制系统得到下一次的超声波仿真数据，通过迭代计算实现pid控制器参数自适应整定，同时使得去同步化指标即双神经元放电峰峰间期之和isi即使是在模型参数变动的情况下依然能够保持对应的稳定最大值；

41、3、本发明利用闭环模糊自适应pid控制思想，针对具有临床意义的高质量超声数据采用经颅磁声刺激模型和双神经元模型进行了联合训练，对解决可兴奋神经元的去同步问题具有重要的作用和意义。基于闭环模糊自适应pid控制思想，从控制科学层面来探究分析低强度经颅超声刺激的去同步调控作用，为寻找实现神经元去同步保持最大化的控制方法以及对应的最佳超声刺激参数提供一种理论方法，进一步为精神类疾病的治疗提供理论指导，在生命科学领域具备创新性，并且将对超声数据的同步分析和状态调控研究产生有益的推动作用；

42、4、本发明提供了超声刺激下双神经元去同步的模糊控制设备和系统，通过经颅磁声刺激模型和双神经元模型对超声数据和去同步状态指标的深度解读，联合闭环模糊自适应pid控制思想协作分析，可以很好地解决可兴奋神经元的去同步问题，同时使得去同步化指标即双神经元放电峰峰间期之和isi即使是在模型参数变动的情况下依然能够保持对应的稳定最大值，记录对应的超声波数据，显著提高神经元去同步化程度，并消除双神经元模型参数变动带来的影响，使得本发明更准确的应用于与超声数据、闭环模糊自适应pid控制以及神经元去同步化有关的精神类疾病发生发展的辅助控制、方案的辅助选择。