基于cpg的心肺节律同步控制实验平台的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物医学工程技术，特别是一种基于CPG的心肺节律同步控制平台。
【背景技术】
[0002]近20年来，呼吸和心率之间的耦合现象在医学界受到越来越多的重视。心血管生理学的研究结果表明，呼吸和心率的时间异变往往是相关的。主要表现为吸气时，释放儿茶酚胺增多，窦性P-P周期缩短，心率加快;呼气时产生乙酰胆碱，引起窦房结过度极化，窦性P-P周期延长，心率减慢。这种窦性心律与呼吸节奏同步的现象被称为呼吸性心率不齐(Respiratory sinus arrhythmia,RSA) C3RSA是呼吸系统和心血管系统相互作用而产生的生理现象，与心肺耦合相关。RSA避免了呼气过程中的不必要心跳，减少了心脏的做功，优化了心肺系统的工作模式，同时，RSA反映了心血管系统对呼吸活动的响应，年轻人和健康人的RSA很强，但随着年龄的增长和心血管疾病的发生RSA会逐渐减弱，因此它也是心脏功能的一种反映。所以，进一步研究和探索心肺节律同步机制有助于人们更深入的了解心肺系统之间的耦合关系，从而对心血管疾病的治疗或心肺节律调节提供理论依据，具有深远的研究意义。
[0003]心脏是人体非常重要的的器官。医学解剖得到的信息并不能全面地再现心脏的电生理学特性，应用数学模型仿真的方法成为了研究心脏的工作原理的主要手段。中枢模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)是一种可以产生节律性运动的神经系统。CPG的突出的稳定性和自适应调节能力使得其在神经科学领域受到了前所未有的重视。一直以来动物实验都受到了社会伦理的限制，由于心脏跳动、呼吸都属于节律性运动，也就可以利用CPG模型来模拟研究心肺系统的节律调节机制。因此搭建一种基于CPG的心肺节律同步控制系统，将为心肺系统节律研究提供一个“可循环试验”平台，具有重要的研究价值。
[0004]心、肺节律必须转化为同一量纲才能进行比较，通过快速傅里叶变换(FastFourier Transform，FFT)可以将心、肺节律都转化到频域，在频域中进行比较从而确定心肺节律是否同步。目前，对心肺系统节律调制的研究主要是基于生物实验或软件模拟仿真，两者都具有一定的局限性。动物实验一直受到社会伦理的限制，此外动物实验受到多方面环境因素的影响。而软件模拟仿真具有运算速度慢，实时性差等缺点。
[0005]现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)技术在以生物神经系统为对象的计算神经科学领域的应用逐渐受到重视。FPGA具有并行运算、运行速度快、设计周期短、开发费用低、体积小、功耗低、编程灵活和可重复配置利用等特点。利用FPGA进行神经网络的运算和特性分析，可实现在真实时间尺度下运行，运算效率高，便于应用，且集成度高，在神经元网络特性研究、仿生学以及智能系统方面有着广阔的应用前景，因此FPGA是实现心肌细胞网络模型和CPG模型的理想选择。
[0006]现有的技术还处于基础阶段，仍存在以下缺点:尚无基于CPG的心肺节律调制FPGA实验平台；硬件实现的CPG模型和心肌细胞模型结构比较简单，实际应用价值较低；心肺节律调节方法适应性差;人机界面尚未完善。因此对FPGA硬件CPG网络和心肌网络模型的操作和分析比较困难。
【发明内容】
[0007]针对上述技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种基于CPG的心肺节律同步控制实验平台，构造复杂的心肌细胞网络模型和CPG模型，其中，CPG模型由8个H-H(Hodgkin-Huxley)神经元模型构成，同时在FPGA上搭建FFT变换模块，以便于将呼吸节律信号以及心肌细胞产生的节律信号同时变换到频域，再比较心肺节律是否同步。上位机通过USB将呼吸节律信号导入到FPGA开发板中，同时接收FPGA上心肌细胞模型和CPG模型上传的数据，实时观察CPG模型的控制输出对心肌细胞膜电位的影响。
[0008]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于CPG的心肺节律同步控制的实验平台，其中:该实验平台包括有相互连接的FPGA开发板和上位机两部分，FPGA开发板中集成有心肌细胞网络模型、CPG模型和FFT变换模块;上位机中存储实验所需呼吸节律信号并采用LabVIEW图形化编程上位机软件界面并通过USB与FPGA开发板进行通讯。
[0009]本发明的有益效果是该实验平台搭建了复杂的心肌细胞网络模型和CPG模型，实现了快速傅里叶变换算法，设计了可视化人机界面，提高了系统的灵活性和易操作性，并能够达到与真实生物神经元在时间尺度上一致;该平台为心肺节律的调控机制提供了更加具有生理意义的可视化研究平台。基于并行运算的FPGA设计的心肺节律同步控制实验平台无需进行动物实验，该研究内容在我国乃至世界范围内都属于一项前沿的科技领域。本设计创新的提出了基于CPG的心肺节律同步控制实验系统，有以下几点优势:
[0010]1、所设计的心肌细胞网络模型和CPG模型能够实现在时间尺度上与真实生物神经元的一致性。
[0011]2、为心肺节律的调节机制和控制的研究提供了更加快速、便携的硬件试验平台。
[0012]3、本发明的心肌细胞模型的关键参数、突触模型的突触权值以及衰减率都可以通过上位机软件界面配置，实现了利用计算机配置实验平台的各种特性。
[0013]4、上位机软件界面的设计使得呼吸节律信号、心肌细胞膜电位变化情况以及CPG模型输出的控制信号能够直观的显示，便于观察和后续数据分析，为心肺节律同步的调节机制和控制研究提供了更好的可视化平台。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的FPGA硬件实验平台结构示意图；
[0015]图2为本发明的心肌细胞流水线模型；
[0016]图3为本发明的突触电流模块；
[0017]图4为本发明的H-H神经元流水线模型；
[0018]图5为本发明的FFT变换模快；
[0019]图6为本发明的上位机软件界面示意图。
[0020]图中:
[0021]1.FPGA开发板2.上位机3.上位机软件界面4.USB接口 5.输入数据总线6.输出数据总线7.心肌细胞网络模型8.心肌细胞流水线模型9.呼吸节律信号10.输入数据信号11.初值信号12.初值信号13.突触电流模块14.突触电流信号15.CPG模型16.H-H神经元流水线模型17.突触18.心肌细胞膜电位信号寄存器19.心肌细胞膜电位信号20.CPG输出控制信号寄存器21.CPG输出控制信号22.FFT变换模块23.FFT变换后的心肌细胞膜电位信号24.FFT变换后的呼吸节律信号25.比较模块26.比较输出信号27.流水线数据通路28.选择器29.峰值检测模块30.突触权值矩阵31.衰减率32.突触电流逻辑运算模块33.蝶形运算单元I 34.蝶形运算单元Π 35.寄存器36.选择控制器37.选择控制信号38.各参数调节部分39.呼吸节律信号波形显示40.心肌细胞膜电位信号波形显示41.CPG输出控制信号显示
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明的基于CPG的心肺节律同步控制实验平台的结构加以说明。
[0023]本发明的基于CPG的心肺节律同步控制实验平台的设计思想是首先在FPGA上建立心肌细胞网络模型和CPG模型;然后在FPGA上设计实现快速傅里叶变换算法，通过比较心肌细胞膜电位信号和呼吸节律信号经FFT变换后的信号，输入到CPG模块改变CPG的输出控制信号，进而控制心肌细胞的放电变化情况。最后设计上位机软件界面，上位机软件界面可以设置参数并通过输入数据总线传输到FPGA，实现对心肌细胞初始状态、模型参数以及突触权值和衰减率的配置，不同的参数可以改变心肌细胞的电位活动特性。此外上位机软件界面通过输入数据总线将存储在上位机中的呼吸节律信号写入FPGA开发板。最后通过输出数据总线将FPGA中心肌细胞网络的膜电位动态数据和和CPG的输出控制信号上传到上位机，在上位机软件界面实现波形的显示以便于观察和分析。该实验平台包括相互连接的FPGA开发板和上位机两部分。其中FPGA开发板用来实现心肌细胞网络模型、CPG模型以及FFT变换模块，上位机用来设计上位机软件界面并与FPGA开发板进行通讯。
[0024]在FPGA中采用流水线技术搭建心肌细胞数学模型和构成CPG的神经元数学模型，使复杂逻辑操作分步完成，从而在资源有限的情况下提高系统的吞吐量。流水线的思想实际上就是利用延时将一个计算过程分为若干个子过程，在一个时钟周期内，每个子过程同时分别处理不同神经元、不同状态时刻的数据，模型数据交叉在移位寄存器中保存，并随着时钟转移。在一个神经元数据通路中，流水线的级数P与神经元个数N相等，这样便可实现N个神经元的运算。不同心肌细胞之间的耦合作用由突触电流实现，构成CPG的神经元之间由突触连接，并由突触电流来模拟实现突触。采用衰减变化的