【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物医学工程领域，具体地说，涉及一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统。
技术介绍
1、人脑是极为复杂的生物组织，由数百种不同类型的上千亿的神经细胞组成，是人类感知、学习、记忆、情感的基础。理解大脑的结构和功能是21世纪最具挑战性的前沿科学问题。探索大脑认知原理，对促进类脑人工智能的计算技术和器件研发、有效诊断和治疗脑疾病等方面具有重大意义。虽然许多动物都具有基本脑认知功能，例如感觉、记忆等，可以通过生物实验探索这些基本功能的神经环路和工作机理，但对于较为高级的脑功能，例如语言、意识等，鉴于伦理性问题，不能直接使用人脑作为研究对象。因此，利用神经计算模型代替神经细胞的电生理仿真实验为探索神经系统工作机理提供了可靠高效的工具。
2、神经模型的发展与神经科学的发展息息相关，随着生物神经元研究的深入，研究者对神经模型的要求越来越高。一方面，需要神经模型尽可能逼近生物神经元的行为模式，以便探索生物神经系统的工作机理。另一方面，需要神经模型以尽可能简单的结构实现相应功能，以便集成大规模的神经网络。目前电生理实验平台主要使用恒定模型，即实验主要针对特定神经系统模型。然而人类大脑中的神经元并不是单一种类的，形态各异的神经元细胞具有不同功能。为了更好地探索大脑的工作机理，考虑不同的研究对象和应用目的，将多种神经模型合并神经系统模型库，采用可伸缩的神经系统模型以满足需求。
3、传统电生理实验主要以开环形式获取神经系统产生特定生理活动的刺激，为了获取期望刺激往往需要大量实验，不利于神经科学研究和
4、现有的神经系统研究工具主要为基于神经模型的软件仿真，多种控制算法已经在纯数字仿真条件下得到了验证。但这些平台在验证控制算法方面受到伦理因素的限制，且存在实时性和可操作性不高的问题，而临床电生理平台虽然真实有效、可靠性高，但实验条件苛刻，可重复性差。硬件在环仿真技术利用实时仿真硬件模拟被控对象的某些特性，同时使用真实控制器对模型进行控制，以达到闭环控制算法的开发、改进和验证等目的。采用硬件在环仿真技术兼顾可靠性和可重复性，具有显著优势。
5、综上，因此本专利技术提供了一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，以解决上述问题。
技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术提供了一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统。根据硬件在环的闭环电生理实验需求，同时考虑大规模复杂神经系统模型的研究需要，将dsp视作神经元回路，在dsp中下载不同规模的神经系统模型，并且利用多片dsp的通信可以形成更复杂的多室神经模型，可伸缩电生理信号发生模块计算该复杂神经系统模型并生成电生理信号，该信号经过信号采集处理后得到模拟大脑中某核团或脑区的电生理信号，另以dsp搭建闭环电生理控制器，根据仿真电生理信号的特征，采用特定控制算法进行调控；使用信号采集处理模块对信号进行采集、放大以及转换等；设计人机交互终端，根据研究需要设置神经模型集成复杂神经系统组态方式，监控、调整模型参数并实时监控电生理信号，选择合适闭环控制算法以及调整控制参数以开发、改进和验证控制算法。本专利技术提出的面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，满足可靠性、可重复性和实时性要求，可作为神经系统电生理特性研究平台，也为神经调控算法开发与验证和神经建模研究提供了有效工具。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
3、一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，包括可伸缩电生理信号发生模块、信号采集处理模块、闭环调控模块和上位机模块，其特征在于：可伸缩电生理信号发生模块采用多片型号为tms320f28377d的dsp芯片组合而成，作为神经系统模型实时计算的中央处理器，每一片dsp芯片被视为神经元回路，不同规模的神经系统模型能在dsp中下载；多片dsp通过通信互联，可以形成复杂的多室神经模型；多室神经模型可以模拟大脑内核团、脑区或复杂度更高的神经系统，可伸缩电生理信号发生模块计算该复杂神经系统模型并生成电压强度与真实信号相符的仿真电生理信号，生成不同状态下的电生理信号数据；
4、所述的信号采集处理模块与可伸缩电生理信号发生模块相连，对可伸缩电生理信号发生模块产生的仿真信号和闭环调控模块产生的刺激信号进行采集、放大，并转换为数字信号进行处理，处理完成后的仿真信号和刺激信号会传输上传至上位机进行实时监控；信号采集处理模块会对eeg、fmri、lfp信号采集装置捕获的真实信号进行伪迹滤波和特征提取，并将处理后的信号进行数模转换传输到闭环调控模块以进行实时控制；
5、所述的闭环调控模块根据仿真电生理信号的不同钳位变量、不同控制算法和控制参数计算并输出刺激信号；所述的闭环调控模块，根据不同钳位变量、控制算法和控制参数，计算并输出刺激信号；
6、所述的上位机模块用于配置和实时监控闭环电生理实验，负责上位机与硬件回路的数据交互并设置模型参数、控制参数和算法。
7、进一步的，可伸缩电生理信号发生模块通过c语言编程实现神经系统模型，将编译后的程序下载至dsp神经回路网络中即实现神经系统模型的仿真和计算。
8、进一步的，电生理信号中包含了时域、频域多方面特征。
9、进一步的，还包括交换机，dsp芯片具有rj45网口和rs232串口，rj45网口和交换机的连接实现多片dsp之间的通信、模拟神经元或神经元网络间的通信过程以及和上位机进行数据交互、实现电生理信号的实时监控；rs232串口连接外接触控屏幕方便用户进行操作。每片dsp以rj45网口和交换机与计算机组成网络，实现复杂神经系统的组态，模拟大脑内核团或脑区之间的通信，并将数据上传上位机方便用户监控。
10、进一步的，信号采集处理模块包括adc、dac模块和信号处理模块；adc、dac模块中的数模、模数转换芯片均选用型号为pcie-1816h的多通道daq数据采集板卡；数据采集板卡具有16位最高能达5mhz的模拟输入通道和16位3mhz的模拟输出通道；数据采集板卡上的模拟输入通道即adc通道主要功能一是将实测eeg、fmri、lfp等信号采集、上传至计算机，进行伪迹滤波、特征提取等处理；二是将闭环调控模块中dac模块转换的模拟刺激信号采集转换成数字信号上传上位机监控；信号采集处理模块的模拟输出通道即dac通道，主要功能一是将可伸缩电生理信号发生模块输出的数字信号转换为与真实神经信号电压强度相近的微小模拟信号；二是将闭环调控模块输出的刺激信号上传至计算机后重新转换成模拟信号并施加到对应模型靶点，完成闭环调控。此外，16位3mhz的dac通道还可可以将仿真信号转换为与真实神经信号电压强度相符的模拟信号，然后将此信号传输到闭环调控模块；本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，包括：可伸缩电生理信号发生模块、信号采集处理模块、闭环调控模块和上位机模块，其特征在于，可伸缩电生理信号发生模块采用多片DSP芯片作为神经系统模型实时计算的中央处理器，每一片DSP芯片均被视为单独的神经元回路，不同规模的神经系统模型能在DSP芯片中下载，多片DSP芯片通过通信互联能形成复杂的多室神经模型；可伸缩电生理信号发生模块对多室神经模型进行计算，并生成不同状态下的电生理信号数据；
2.根据权利要求1所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，可伸缩电生理信号发生模块通过C语言编程实现多种神经系统模型，编译后的程序下载至DSP芯片中即获得可伸缩电生理信号发生模块。
3.根据权利要求1所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，电生理信号中包含了时域、频域多方面特征。
4.根据权利要求1所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，还包括交换机，DSP芯片具有RJ45网口和RS232串口，RJ45
5.根据权利要求1所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，信号采集处理模块包括ADC、DAC模块和信号处理模块；ADC、DAC模块中均选用型号为PCIE-1816H的多通道DAQ数据采集板卡；数据采集板卡具有16位最高能达5MHz的模拟输入通道和16位3MHz的模拟输出通道，模拟输入通道即ADC模块，可伸缩电生理信号发生模块产生的仿真信号为数字信号，通过交换机搭建的网络上传至计算机，数据采集板卡与计算机通过PCI Express总线相连，由板卡内FPGA分发至高分辨率DAC通道转换成与真实神经信号电压强度相近的微小模拟信号；模拟输出通道即DAC通道，将闭环调控单元输出的数字刺激信号转换成模拟刺激信号，后经由数据采集板卡的ADC通道转换成数字信号，同时上传至上位机监控，再经DAC通道转换成模拟信号施加在对应模型靶点；其绝对精度最高可达0到1.25V满量程0.008％的16位高精度模拟输入通道能连接EEG、fMRI和LFP信号采集装置捕获的毫伏级的真实神经元放电信号，并且传输至闭环调控模块；
6.根据权利要求1所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，闭环调控模块包括闭环调控算法模块，SPI通信模块和ADC、DAC转换模块。
7.根据权利要求6所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，所述的ADC转换模块将模拟仿真信号转换成数字信号方便闭环控制器计算刺激信号；所述的DAC转换模块将闭环控制器计算得到的数字控制信号转换成模拟信号，经由信号采集处理模块传输到对应模型靶点完成闭环控制。
8.根据权利要求1所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，闭环调控模块通过C语言编程编译有迭代控制算法、预测控制算法、PID控制算法，并将算法编译并下载到型号为TMSF28377D的DSP芯片中。
9.根据权利要求1所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，上位机模块包括电生理信号设置界面和闭环调控算法设置界面；所述的电生理信号设置界面包括监控、模型以及控制参数设置、神经系统组态方式设置多种功能。
...【技术特征摘要】
1.一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，包括：可伸缩电生理信号发生模块、信号采集处理模块、闭环调控模块和上位机模块，其特征在于，可伸缩电生理信号发生模块采用多片dsp芯片作为神经系统模型实时计算的中央处理器，每一片dsp芯片均被视为单独的神经元回路，不同规模的神经系统模型能在dsp芯片中下载，多片dsp芯片通过通信互联能形成复杂的多室神经模型；可伸缩电生理信号发生模块对多室神经模型进行计算，并生成不同状态下的电生理信号数据；
2.根据权利要求1所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，可伸缩电生理信号发生模块通过c语言编程实现多种神经系统模型，编译后的程序下载至dsp芯片中即获得可伸缩电生理信号发生模块。
3.根据权利要求1所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，电生理信号中包含了时域、频域多方面特征。
4.根据权利要求1所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，还包括交换机，dsp芯片具有rj45网口和rs232串口，rj45网口和交换机的连接实现多片dsp之间的通信、模拟神经元或神经元网络间的通信过程以及和上位机进行数据交互、实现电生理信号的实时监控；rs232串口连接外接触控屏幕方便用户进行操作。
5.根据权利要求1所述的一种面向针灸、神经精神疾病等的可伸缩在环电生理实验系统，其特征在于，信号采集处理模块包括adc、dac模块和信号处理模块；adc、dac模块中均选用型号为pcie-1816h的多通道daq数据采集板卡；数据采集板卡具有16位最高能达5mhz的模拟输入通道和16位3mhz的模拟输出通道，模拟输入通道即adc模块，可伸缩电生理信号发生模块产...
【专利技术属性】
技术研发人员：王江，胡方舟，刘维桐，巩博，陈翔宇，刘晨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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