[发明专利]帕金森病基底核-丘脑网络的深度脑刺激FPGA实验平台

权利要求书

1.一种帕金森病基底核-丘脑网络的深度脑刺激FPGA实验平台，其特征是：该实验平台包括有相互连接的FPGA开发板（1）和上位机（2），其中FPGA开发板（1）用来实现基底核-丘脑神经元网络模型（3）和深度脑刺激控制器（4），上位机（2）用来设计上位机软件界面（5）并与FPGA开发板（1）进行通讯；

所述基底核-丘脑神经元网络模型（3）在FPGA开发板（1）中实现，基底核-丘脑神经元网络模型（3）接收深度脑刺激控制器（4）和上位机软件界面（5）传递的信号进行运算，运算产生的膜电位信号（21）传回上位机软件界面（5）进行处理；FPGA基底核-丘脑神经元网络模型（3）包括有GPe（6）、STN（7）、GPi（8）和TC（9）四种神经元核团模型，而GPe（6）、STN（7）、GPi（8）和TC（9）四种神经元核团模型通过多巴胺参数总线（17）连接来模拟真实神经元之间的相互耦合；所述GPe（6）、STN（7）、GPi（8）和TC（9）神经元网络模型均包括有以下相互连接的模块：初值模块（10）、神经元流水线数据模型（11）、存储膜电压和多巴胺参数的寄存器模块（12）和突触电流产生模块（13）；

所述深度脑刺激控制器（4）由FPGA开发板（1）实现，深度脑刺激控制器（4）接收由上位机软件界面（5）通过数据输入总线（15）传递的数据，来配置深度脑刺激控制器（4）的刺激信号波形、频率、幅值、脉宽参数；深度脑刺激控制器（4）运行产生深度脑刺激控制信号（23），作为外部电流刺激施加到基底核-丘脑网络模型（3），通过一个数据选择器（24）使深度脑刺激控制信号（23）在GPe（6）、STN（7）和GPi（8）核团之间进行切换；

所述上位机软件界面（5）通过VISA与FPGA开发板（1）的USB接口（14）相连实现数据通信，上位机软件界面（5）通过“VISA读取”接收从FPGA开发板（1）USB接口（14）传输的由基底核-丘脑神经元网络模型（3）运算得到的数据；上位机软件界面（5）设置参数通过“VISA写入”输入数据到FPGA开发板（1）中，对基底核-丘脑网络模型（3）和深度脑刺激控制器（4）进行参数配置。

2.根据权利要求1所述的帕金森病基底核-丘脑网络的深度脑刺激FPGA实验平台，其特征是：所述突触电流产生模块（13）包含神经元突触耦合连接矩阵（26）和逻辑运算模块（27），突触耦合连接矩阵（26）接收上位机软件界面（5）传递的信号（18）进行初始化配置；突触电流产生模块（13）接收存储在存储器（12）中的神经元膜电位信号（21）和多巴胺参数总线（17）传递的多巴胺参数信号（22），与突触耦合连接矩阵（26）通过FPGA开发板（1）内部设计的逻辑运算模块（27）进行运算得到突触电流（20），作为神经元的突触电流（20）输入。

3.根据权利要求1所述的帕金森病基底核-丘脑网络的深度脑刺激FPGA实验平台，其特征是：所述初值模块（10）通过FPGA开发板（1）内部的数据输入总线（15）接收由上位机软件界面（5）传递的数据，对神经元流水线数据模型（11）进行初始参数的配置，初值模块（10）通过接收上位机软件界面（5）赋予的不同参数，使基底核-丘脑网络模型（3）在运算时表现出正常状态的放电模式或帕金森病态放电模式。

4.根据权利要求1所述的帕金森病基底核-丘脑网络的深度脑刺激FPGA实验平台，其特征是：神经元流水线数据模型（11）接收初值信号（19）、深度脑刺激控制信号（23）和突触电流信号（20）作为神经元流水线数据模型（11）的输入进行运算处理，经过神经元流水线数据模型（11）运算产生的神经元的膜电位信号（21）和多巴胺参数信号（22）输入到FPGA开发板（1）内部寄存器模块（12）存储；神经元的流水线数据模型（11）在一个数据路径中实现N个神经元处理进程，N为流水线深度；神经元的流水线数据模型（11）有三条流水线数据通路（25），其中的神经元膜电位（21）通路和多巴胺参数（22）通路与寄存器模块（12）相连，把神经元膜电位信号（21）和多巴胺参数信号（22）输入到寄存器模块（12）进行存储，神经元的膜电位（21）的变化代表神经元的放电动作，多巴胺参数（22）用来计算突触电流（20），实现神经元之间的耦合。

5.根据权利要求1所述的帕金森病基底核-丘脑网络的深度脑刺激FPGA实验平台，其特征是：所述存储器模块（12）接收神经元流水线数据模型（11）运算产生的神经元的膜电位信号（21）和多巴胺参数信号（22）进行存储；多巴胺参数（22）通过多巴胺参数总线（17）传递到不同的神经元核团来实现相互之间的耦合，神经元的膜电位信号（21）通过输出总线（16）传递到上位机（2），用来在上位机软件界面（5）进行处理。