基于多电极阵列的神经核团反馈同步控制FPGA实验平台

摘要

本发明提供一种基于多电极阵列的神经核团反馈同步控制FPGA实验平台，该实验平台以多电极阵列测取的神经核团为实验对象，以FPGA为下位机，以LABVIEW编写的人机操作界面进行多电极阵列数据的显示及控制参数设定，FPGA用于对多电极阵列实验数据的分析和处理，上位机通过人机操作界面进行参数设定，进而实现对神经核团同步控制。本发明的效果是基于多电极阵列实验，运用高速运算的FPGA实验分析平台，实现了神经核团同步分析及反馈同步控制，并且通过上位机的人机操作界面对控制点、反馈强度等的控制参数进行设定，分析不同控制作用下神经核团的同步特性，进而实现神经核团同步或去同步控制效果。

说明书

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及生物电信号的采集处理技术，特别是一种基于多电极阵列的神经核团反馈同步控制FPGA实验平台。

背景技术

伴随着经济社会的发展，人口老龄化问题日趋严重，帕金森症、阿尔兹海默症、癫痫等精神疾病的发病率随之增加，进一步检测和观察神经系统的响应行为有助于人们进一步深入了解神经系统的功能，进而更加深入地理解多种神经疾病的发病机理，这对神经疾病的诊断和治疗具有重要意义。多电极阵列因其能够长时间、多位点检测和记录体内或体外多个神经元或组织的放电活动，并具有很高的时空分辨率而被广泛应用于基础生物学和医学诊断中。

神经同步与许多正常的生理机制有关，在不同脑区神经信息传递和处理过程中发挥着至关重要的作用。然而，并不是所有的同步模式都能够促进脑功能的正常发挥，神经元异常的同步化放电活动会严重破坏大脑的正常结构和功能，例如帕金森就是由神经元过多的同步放电引起的。因此，利用非线性控制理论知识，实现大脑神经系统正常同步和病态同步活动是非常必要的。

现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)技术是专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路技术，其解决了定制电路的不足以及以往可编程器件门电路数有限的问题，在以生物神经系统为对象的计算神经科学领域逐渐受到青睐。相对于模拟电路平台开发周期长等缺点，FPGA因其集成度高、体积小、并行计算、可重复配置、编程灵活、可靠性好、低功耗等优点使其能够实现对神经电信号的处理和特性分析。

但是，现有的技术还处于基础阶段，尚无基于多电极阵列的反馈同步控制实验平台。迄今为止，对神经核团同步研究主要是基于软件或硬件模拟核团活动，软件模拟的核团活动存在非实时性，硬件实现的神经元网络模型结构比较简单，实际应用价值较低。

发明内容

针对上述其技术不足之处，本发明的目的在于提供一种基于多电极阵列的神经核团反馈同步控制FPGA实验平台，使研究人员可以实时检测神经核团的神经电信号，通过分析神经电信号的同步性，监测神经核团同步状态，并通过延时反馈控制实现神经核团同步或去同步控制。通过操作界面直接读取数据，为研究神经核团同步、信息传递等提供了重要基础。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于多电极阵列的神经核团反馈同步控制FPGA实验平台，其中，该实验平台包括有：用于多电极阵列实验数据采集分析的下位机和上位机，所述下位机包括120通道多电极阵列，信号采集预处理电路、ADC模块、FPGA开发板以及多路信号选择器；所述信号采集预处理电路对120通道多电极阵列测取的神经电信号进行采集和预处理，得到低频的局部场电位信号和高频的放电信息信号；所述FPGA开发板包括有FPGA芯片I、FPGA芯片II和USB通讯模块；FPGA芯片I和FPGA芯片II分别通过ADC模块读取高频电信号和低频电信号，并行分析处理，FPGA芯片I和FPGA芯片II通过控制多路信号选择器选通接受刺激的120通道多电极阵列，上位机通过LABVIEW编程人机交互界面，并通过USB通讯模块与FPGA芯片I和FPGA芯片II进行数据通讯；

所述的120通道多电极阵列的每个通道电极均连接到信号采集预处理电路，每个通道电极能够直接测取置于其上的神经切片的电信号，并将该电信号输入至信号采集预处理电路。

在所述的基于多电极阵列的神经核团反馈同步控制FPGA实验平台中，FPGA芯片I和FPGA芯片II通过USB通讯模块将处理结果传输到上位机中的人机交互界面进行显示，人机交互界面对需要施加刺激的多电极阵列通道对反馈强度及延迟时间参数进行设定，并通过USB通讯模块将设定值信息发送到FPGA芯片I和FPGA芯片II中，进行反馈同步控制。

本发明的有益效果是实现了对神经核团多电极阵列神经电信号的实时采集、检测、分析和反馈控制，设计了兼具可视化的人机界面，能够实现神经核团同步或去同步控制。其主要优点：1、使用FPGA芯片，芯片最大工作频率为200MHz，可满足神经电信号实时检测分析运算要求，能够实现更加快速的反馈同步控制实验平台；2、本发明中，反馈同步控制的控制信号来自神经核团局部场电位，无需额外激励装置；3、上位机软件界面使得网络放电状态及电极所测电信号能够实时观测，为基于多电极阵列的神经核团反馈同步控制FPGA实验平台提供了良好的可视化界面。

附图说明

图1为本发明的实验平台系统结构示意图；

图2为本发明的信号采集预处理电路模块；

图3为本发明的FPGA芯片I数据处理模块

图4为本发明的FPGA芯片II数据处理模块；

图5为本发明的人机操作操作界面示意图。

图中：

1.下位机 2.上位机 3.120通道多电极阵列 4.信号采集预处理电路模块 5.ADC模块 6.FPGA模块 7.多路信号选择器 8.ADC模块I 9.ADC模块II 10.FPGA芯片I 11.FPGA芯片II 12.USB通讯模块 13.差分放大模块 14.工频陷波器 15.高通滤波器模块 16.低通滤波器模块 17.调幅模块I 18.调幅模块II 19.放电类选模块 20.同步分析模块 21.控制算法分析模块 22.数据存储模块 23.功能网络构建模块 24.复杂网络分析模块 25.人机交互界面 26.神经电信号显示界面 27.复杂网络分析界面 28.基本操作 29.同步指数显示界面 30.控制参数设置 31.放电信号显示 32.局部场电位信号显示 33.复杂网络显示界面 34.度分布显示界面 35.小世界度显示界面

具体实施方式

下面结合附图内容对本发明的基于多电极阵列的神经核团反馈同步控制FPGA实验平台结构加以说明。

本发明的基于多电极阵列的神经核团反馈同步控制FPGA实验平台的设计思想在于首先将神经核团切片放入120通道多电极阵列3中获取神经电信号，并通过设计信号采集预处理电路4对生理信号进行放大、滤波等预处理，得到低频的局部场电位信号和高频的放电信号；利用ADC模块5分别将放电信号和局部场电位信号传输至FPGA芯片I10和II11处；FPGA芯片I10读取高频的放电信号，并进行同步分析和控制策略分析；FPGA芯片II11读取低频的局部场电位信号，并进行功能网络构建和复杂网路分析；FPGA芯片I10和II11分别将控制参数信号通过多路选择电路7对120通道多电极阵列3处神经核团实施闭环控制刺激；上位机2通过USB通讯模块12实现与FPGA芯片I10和II11的通讯，在上位机2设计人机交互界面，通过接收来自FPGA芯片I10和II11的实时数据，进行神经电信号显示。同时，还可以通过上位机2的人机交互界面对控制通道、控制参数进行设定。

所述的信号采集预处理电路4，用于与120通道多电极阵列3相连接，将多120通道多电极阵列3上的电信号进行放大、滤波，得到低频的局部场电位信号和高频的放电信号，所述的信号放大采集电路4包括差分放大模块13、工频陷波器14、高通滤波器模块15、低通滤波器模块16，调幅模块I17以及调幅模块II18。所述的信号采集预处理电路4中差分放大模块13与120通道多电极阵列3中每个通道电极直接相连，120通道多电极阵列3测取的电信号作为差分放大模块13的输入信号，电信号经放大后输入至工频陷波器14，工频陷波器14分别与高通滤波器模块15和低通滤波器模块16相连，电信号通过高通滤波和低通滤波后分别输入至调幅模块I17以及调幅模块II18，调幅模块I17和调幅模块II18输出即为高频的放电信号和低频的局部场电位信号。

所述的FPGA芯片I10用于通过控制ADC模块I8，实现对放电信号的读取与分析处理，所述的FPGA芯片I10内包含放电类选模块19，同步分析模块20和控制算法分析模块21，信号放大采集电路4处理的电信号输入至FPGA芯片I10后，首先经过放电类选模块19，得到单神经元放电序列，将单神经元放电序列输入至同步分析模块20，将同步分析模块得到的同步指数传输至控制算法分析模块21，得到控制策略即控制强度、延迟时间等。FPGA芯片I9通过USB通讯模块12与上位机2实现数据传输，将采集数据及分析结果传输至上位机2，并接受来自上位机2的控制算法信号，所述的FPGA芯片I10通过控制ADC模块I8对放电信号进行读取与分析处理。

所述的FPGA芯片II11用于通过控制ADC模块II9，实现对局部场电位信号的读取与分析处理，所述的FPGA芯片II11内包括数据存储模块22，功能网络构建模块23和复杂网络分析模块24，FPGA芯片II11通过控制ADC模块II9对局部场电位信号的进行读取并将其存入数据存储模块22，而后输入至功能网络构建模块23，根据局部场电位构建功能网络，将构建后的功能网络矩阵输入至复杂网络分析模块24，得到网络的拓扑特性。FPGA芯片II11通过USB通讯模块12与上位机2实现数据传输，将采集数据及分析结果传输至上位机2，并接受来自上位机2的控制信号。

所述的多路信号选择器4，接受来自FPGA芯片I10和FPGA芯片II11以及上位机2的控制信号，多路信号选择器4选通需要施加刺激的多电极阵列通道。

所述的人机交互界面通过USB通讯模块12与FPGA芯片I10和FPGA芯片II11进行数据通讯。通过人机交互界面上的参数设定，将控制信号通过USB通讯模块12传输到FPGA芯片I10和FPGA芯片II11中，对神经核团进行反馈同步控制。FPGA芯片I10和FPGA芯片II11分别将放电时间序列、局部场电位信号以及相应的分析结果传输至人机交互界面进行显示。

本发明的基于多电极阵列的神经核团反馈同步控制FPGA实验平台由相互连接的120通道多电极阵列3、信号采集预处理电路4、FPGA开发板6、多路信号选择器7和上位机2组成。其中120通道多电极阵列3和信号采集预处理电路4用来实现神经核团电信号采集与刺激，FPGA开发板6用来进行实验数据分析和控制算法分析，上位机2用于设计人机操作界面并通过USB通讯模块12实现与FPGA开发板6之间的数据通讯，以下加以说明：

如图1所示，对硬件实验平台进行设计，采用多电极阵列采用MCS公司生产的多电极阵列装置作为神经核团数据测量装置，采用Altera公司生产的Cyclone IIIEP3C120F484C8N型号FPGA芯片作为数据处理控制核心。首先将生物切片置于120通道多电极阵列3处获取生理电信号，然后将信号采集预处理电路4与120通道多电极阵列3相连接，将120通道多电极阵列3上的电信号进行放大、滤波，得到低频的局部场电位信号和高频的放电信号，并通过ADC模块5将采集到的信号传输到FPGA处理模块6；FPGA芯片I10对高频数据进行读取与分析处理，首先进行放电类选19，而后对放电时间序列进行神经元放电同步性分析20，再经过控制策略分析21，得到反馈强度与延迟时间D控制参数，最终通过USB通讯模块12与上位机2进行通讯；FPGA芯片II11)对低频局部场电位信号进行读取与分析处理，首先将局部场电位信号存入数据存储模块22，而后通过功能网络构建模块23，构建功能网络，并通过复杂网络分析模块24，得到控制策略(控制点)；多路信号选择电路7通过接收FPGA芯片II11的信号输入，选通接受刺激的多电极阵列通道及局部场电位信号，以及通过接收FPGA芯片I10的信号输入，得到反馈强度和延迟时间等控制信息；上位机2通过LABVIEW编程人机交互界面，并通过USB通讯模块12实现与FPGA芯片I10和芯片II11的数据通讯。

如图2所示的信号采集预处理电路4由差分放大模块13，工频陷波器14，高频滤波器15，低频滤波器16，调幅模块I17和调幅模块II18组成。差分放大模块13将120通道多电极阵列3上采集的到微弱电生理信号进行初步放大处理，抑制环境噪声对被采集信号的影响；再经过工频陷波器14可滤除环境中的工频干扰，进一步提高信号质量；经过低频滤波器16和高频滤波器15分别得到局部场电位信号和放电信息信号；最后调幅模块I17和调幅模块II18将信号幅值放大到ADC模块I8和ADC模块II9的输入范围内。

如图3所示的FPGA芯片I10用于实现对高频电生理信号的分析处理，所述的FPGA芯片I10内含放电类选算法模块19，同步分析模块20和控制算法分析模块21。信号放大采集电路4处理的电信号输入至FPGA芯片I10后，首先经过放电类选模块19，得到单神经元放电序列，将单神经元放电序列输入至同步分析模块20，将同步分析模块得到的同步指数传输至控制算法分析模块21，得到控制策略，即控制强度、延迟时间等。FPGA芯片I9通过USB通讯模块12与上位机2实现数据传输，将采集数据及分析结果传输至上位机2，并接受来自上位机2的控制算法信号，所述的FPGA芯片I10通过控制ADC模块I8对放电信号进行读取与分析处理。

如图4所示的FPGA芯片用于实现对低频电生理信号的分析处理，所述的FPGA芯片II11内含数据存储模块22，功能网络构建模块23和复杂网络分析模块24。FPGA芯片II11通过控制ADC模块II9对局部场电位信号的进行读取并将其存入数据存储模块22，而后输入至功能网络构建模块23，根据局部场电位构建功能网络，将构建后的功能网络矩阵输入至复杂网络分析模块24，得到网络的拓扑特性。FPGA芯片II11通过USB通讯模块12与上位机2实现数据传输，将采集数据及分析结果传输至上位机2，并接受来自上位机2的控制信号。

如图5所示的人机交互界面25包含神经电信号显示界面26，复杂网络分析界面27，同步指数显示界面29、控制参数设置30和基本操作28。神经电信号显示界面26主要用于放电信号显示31和局部场电位信号显示32。复杂网络分析界面27主要用于复杂网络显示界面33、度分布显示界面34和小世界度显示界面35。基本操作选项包括开始、暂停针对人机操作界面的节本控制指令。控制通道选择选项用于对施加控制信号通道进行设定，设定结果通过USB通讯模块12传输到FPGA芯片II11，FPGA芯片II11对多路信号选择器7进行设定，并对120通道多电极阵列3相应通道进行刺激输入。