突觸電流更符合真實的生理突觸。如此，突觸電流的產(chǎn)生又取決于耦合結(jié)構(gòu)、衰減率以及突觸前膜的放電狀態(tài)。耦合結(jié)構(gòu)由突觸權(quán)值矩陣來表示，當(dāng)突觸前神經(jīng)元放電時，突觸電流增加Ws且突觸電流開始隨時間衰減直至下一次突觸前神經(jīng)元放電。突觸前各個神經(jīng)元的膜電位由流水線數(shù)據(jù)模型計算得至IJ，并存儲在FPGA的BRAM中，突觸權(quán)值矩陣以及衰減率由外設(shè)寄存器存儲，計算時進行同步調(diào)用，這樣便可實現(xiàn)心肌細胞網(wǎng)絡(luò)模型和CPG中各神經(jīng)元之間的耦合。
[0025]所述FFT變換模塊:通過傅里葉變換，可以將信號變換到頻域便于分析，傅里葉變換成為應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)處理算法之一?？焖俑道锶~變換算法是離散傅里葉變換的快速算法，它根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進，大量減少了乘法運算的次數(shù)，從而有效減少運算量。兩個離散點的離散傅里葉變換成為蝶形運算，蝶形運算是快速傅立葉變換的核心，整個FFT算法通過若干級迭代的蝶形運算組成，該算法可以采用硬件描述語言在FPGA中設(shè)計實現(xiàn)。本發(fā)明將心肌細胞膜電位信號以及上位機輸入的呼吸節(jié)律信號分別進行FFT變換，然后將變換后的心肌細胞膜電位信號和呼吸節(jié)律信號輸入到比較模塊進行比較處理，然后將比較后的輸出信號作為CPG模型的輸入，實現(xiàn)控制CPG模型的輸出隨比較信號的變化而變化，進而影響心肌細胞的放電發(fā)生相應(yīng)變換，實現(xiàn)心肺節(jié)律同步，為研究心肺系統(tǒng)節(jié)律調(diào)控機制提供思路和方法。
[0026]所述上位機軟件界面:上位機軟件界面由NI公司的LabVIEW(Laboratory VirtualInstrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工程平臺)軟件設(shè)計實現(xiàn)。LabVIEW提供了豐富的儀器控制功能，支持虛擬儀器架構(gòu)VISA(Virtual Instrument SoftwareArchitecture) ,VISA完整的集成了與諸多硬件的通信功能。FPGA開發(fā)板通過USB設(shè)備與上位機相連，上位機LabVIEW軟件界面可以通過“VISA讀取”來連續(xù)接收從FPGA開發(fā)板USB接口上傳的心肌細胞膜電位信號和CPG輸出的控制信號動態(tài)數(shù)據(jù)，在上位機的軟件界面上進行實時的波形顯示，同時可以在上位機軟件界面進行參數(shù)設(shè)置，通過“VISA寫入”輸入數(shù)據(jù)到FPGA開發(fā)板中對心肌細胞模型參數(shù)和突觸權(quán)值及衰減率進行配置。由于連接FPGA開發(fā)板與上位機的USB是串行總線，不能同時進行讀寫，因此VISA讀取和VISA寫入不能同時被執(zhí)行。由于LabVIEW采用可視化的圖形語言設(shè)計，開發(fā)過程便捷直觀，簡化了人機交互界面的實現(xiàn)，增強了程序的可靠性和易用性。
[0027]本發(fā)明的基于FPGA的多電極陣列仿真實驗平臺結(jié)構(gòu)是由相互連接的FPGA開發(fā)板I和上位機2兩部分組成。其中FPGA開發(fā)板I中集成有心肌細胞網(wǎng)絡(luò)模型7、CPG模型15以及FFT變換模塊，上位機2用來實現(xiàn)上位機軟件界面3并與FPGA開發(fā)板I進行通訊。以下分別加以說明:
[0028]心肌細胞網(wǎng)絡(luò)模型7
[0029]如圖1所示，對硬件實驗平臺系統(tǒng)進行設(shè)計，采用Altera高性能低功耗的StratixIIIEP3SL150F1152C2N型號FPGA開發(fā)板1，利用Matlab中的開發(fā)工具DSP Builder進行可視化圖形編程。心肌的電生理活動是以心臟的神經(jīng)傳導(dǎo)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，現(xiàn)有心肌細胞模型都是基于對H-H模型的改進。本發(fā)明采用LR(Luo-Rudy)心肌模型，根據(jù)心肌細胞的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)歐拉法離散化后，運用DSP BuiIder搭建心肌細胞的流水線模型8，并編譯下載到FPGA開發(fā)板I中。心肌細胞網(wǎng)絡(luò)模型7主要包括有心肌細胞流水線模型8、初值模塊11和突觸電流模塊13 ο心肌細胞網(wǎng)絡(luò)模型7接收上位機軟件界面3傳遞到初值模塊11的初值信號12和CPG輸出控制信號21進行運算，運算產(chǎn)生的心肌細胞膜電位信號19存儲到心肌細胞膜電位寄存器18中，心肌細胞膜電位信號19通過輸出數(shù)據(jù)總線6傳回上位機軟件界面3進行觀察處理;FPGA開發(fā)板I上心肌細胞網(wǎng)絡(luò)模型7中各細胞之間通過突觸權(quán)值矩陣30來模擬真實神經(jīng)元之間的相互耦合，相應(yīng)權(quán)值越大則耦合強度越強;如圖2所示，心肌細胞流水線模型8共有七條流水線數(shù)據(jù)通路27，主要由加減法、乘法、查找表、移位寄存器等模塊組成，流水線深度根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)規(guī)模設(shè)計。根據(jù)FPGA的結(jié)構(gòu)，運用QUARTUSII軟件實現(xiàn)硬件描述語言的轉(zhuǎn)換并編譯下載到FPGA中實現(xiàn)。將心肌細胞流水線模型8運算得到的心肌細胞膜電位信號19存儲到FPGA開發(fā)板I的BRAM中，心肌細胞流水線模型8接收初值信號12、突觸電流信號14和CPG輸出控制信號21作為輸入進行運算處理，經(jīng)過心肌細胞流水線模型8運算產(chǎn)生的心肌細胞的膜電位信號19輸入到FPGA開發(fā)板I內(nèi)部心肌細胞膜電位信號寄存器18存儲，以便在FFT變換模塊22以及突觸電流模塊13中的峰值檢測模塊29進行調(diào)用。
[0030]在心肌細胞網(wǎng)絡(luò)模型7搭建好以后，需要建立心肌細胞之間耦合關(guān)系，心肌細胞之間的耦合作用都由突觸電流信號14實現(xiàn)，本發(fā)明采用更符合真實的生理突觸的具有衰減特性的突觸電流。突觸電流的產(chǎn)生主要取決于耦合結(jié)構(gòu)、衰減率以及突觸前膜的放電狀態(tài)。耦合結(jié)構(gòu)由突觸權(quán)值矩陣30來表示，當(dāng)突觸前神經(jīng)元放電時，突觸電流增加Ws且突觸電流開始隨時間衰減直至下一次突觸前神經(jīng)元放電。如圖3所示，突觸電流模塊13包含峰值檢測模塊29、突觸權(quán)值矩陣30、衰減率31和突觸電流邏輯運算模塊32，耦合結(jié)構(gòu)由突觸權(quán)值矩陣30來表示，突觸取值矩陣30和衰減率31都由上位機軟件QUARTUS Π設(shè)計直接存儲到FPGA開發(fā)板I的寄存器SRAM中。為了節(jié)省硬件資源和加快運算速度，數(shù)據(jù)采用定點數(shù)形式進行運算。突觸電流模塊13計算時同步調(diào)用存儲在SRAM中的突觸權(quán)值矩陣30以及存儲在BRAM中的心肌細胞膜電位信號19，當(dāng)峰值檢測模塊29檢測到突觸前心肌細胞膜電位信號19處于放電狀態(tài)時，突觸權(quán)值矩陣30被選擇器28選中并經(jīng)過突觸電流邏輯運算模塊32計算使得突觸電流增量Ws并開始隨時間衰減直至下一次峰值檢測模塊29檢測到突觸前心肌細胞放電。
[0031]CPG 模型 15
[0032]CPG是由兩個或多個神經(jīng)元或振蕩器組成的網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明的CPG模型15采用八個相互連接的神經(jīng)元組成，左右兩側(cè)各四個，神經(jīng)元之間通過突觸17連接，如圖1所示。突觸17由突觸電流來模擬，其突觸電流產(chǎn)生方法與心肌細胞之間的突觸電流產(chǎn)生方法一致。為了更好的復(fù)現(xiàn)神經(jīng)元的電生理特性，夠成CPG模型15的八個神經(jīng)元均采用較復(fù)雜的H-H神經(jīng)元模型，經(jīng)歐拉法離散化后，運用DSP Builder搭建H-H神經(jīng)元流水線模型16，并編譯下載到FPGA開發(fā)板I中。如圖4所示，H-H神經(jīng)元水線模型16包含四條流水線數(shù)據(jù)通路27，主要由加減法、乘法、查找表、移位寄存器等模塊組成。每個H-H神經(jīng)元流水線模型16都接受上位機2通過輸入數(shù)據(jù)總線5傳遞的輸入數(shù)據(jù)信號10進行初始化，其中構(gòu)成CPG模型15的左邊一側(cè)四個神經(jīng)元L1、L2、L3和L4的H-H神經(jīng)元流水線模型16接收比較模塊25輸出的比較輸出信號26進行運算，構(gòu)成CPG模型15的右邊另一側(cè)四個神經(jīng)元Rl、R2、R3和R4的運算產(chǎn)生的CPG輸出控制信號21存儲到CPG輸出控制信號寄存器20中，同時CPG輸出控制信號21通過輸出數(shù)據(jù)總線6傳回上位機軟件界面3進行觀察處理。
[0033]初值模塊11由信號給定模塊、常值模塊以及多路復(fù)用模塊共同完成。初值模塊11通過FPGA開發(fā)板I內(nèi)部的輸入數(shù)據(jù)總線5接收由上位機軟件界面3傳遞的輸入數(shù)據(jù)信號10，對心肌細胞網(wǎng)絡(luò)模型7進行初始參數(shù)的配置，初值模塊11通過接收上位機軟件界面3賦予的不同參數(shù)，可使心肌細胞流水線模型8在運算時表現(xiàn)出不同的電位活動特性。
[0034]?ψτ變換模塊22
[0035]FFT變換模塊22運用硬件描述語言根據(jù)快速傅里葉變換算法編程，并編譯下載到FPGA開發(fā)板I中實現(xiàn)。整個FFT算法通過若干級迭代的蝶形運算組成，其中蝶形運算如圖5所示，它包括蝶形運算單元133、蝶形運算單元Π 34、選擇控制器三部分。蝶形運算單元133和蝶形運算單元Π 34主要由加減法器、移位寄存器、多路復(fù)用器等模塊組成，其中寄存器35由移位寄存器組成，在運算過程中實現(xiàn)流水線作業(yè)，加快運算速度;選擇器28則由兩路復(fù)用器組成，其輸出由選擇控制器36輸出的選擇控制信號37決定TFT變換模塊22接收由上位機軟件界面3通過輸入數(shù)據(jù)總線5傳遞的呼吸節(jié)律信號9運算得到FFT變換后的呼吸節(jié)律信號24，同時FFT變換模塊22接收存儲在心肌細胞膜電位信號寄存器18中的心肌細胞膜電位信號19運算得到FFT變換后的心肌細胞膜電位信號23。經(jīng)過FFT變換模塊22運算產(chǎn)生的FFT變換后的呼吸節(jié)律信號24和FFT變換后的心肌細胞膜電位信號23同時輸入到比較模塊25，比較模塊主要由比較器、減法器和寄存器模塊組成，經(jīng)過比較模塊25進行比較得到的比較輸出信號26再輸入到CPG模型15中調(diào)節(jié)GPG模型15運算得到的CPG輸出控制信號21。
[0036