基于fpga的運動障礙非侵入式康復(fù)的閉環(huán)腦-機-體系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，特別是一種基于FPGA的運動障礙非侵入式康復(fù)的閉環(huán)腦-機-體接口硬件系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，運動障礙性神經(jīng)系統(tǒng)疾病嚴重危害人類健康，給患者的工作和生活帶來很大的影響，且因神經(jīng)細胞損傷后的不易再生性，這些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的康復(fù)性治療尚不明確。運動障礙性神經(jīng)系統(tǒng)疾病如帕金森和肌張力障礙普遍認為是神經(jīng)基底核障礙，這種簡化的定位并不能捕捉到這種運動性障礙神經(jīng)疾病的病理生理學(xué)，其中涉及到復(fù)雜的交互過程和眾多神經(jīng)解剖學(xué)的路徑問題，要求系統(tǒng)級描述和理解這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動力學(xué)機制和神經(jīng)信息傳遞過程，研究普遍強調(diào)的是發(fā)生在分布式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下不同時空尺度的神經(jīng)系統(tǒng)適應(yīng)疾病的可塑性變化，因此治療的方法需要根據(jù)給定病人的具體情況以及疾病的嚴重程度來采取針對性診斷和治療。
[0003]運動障礙性神經(jīng)系統(tǒng)疾病源于基底核病變造成的腦功能紊亂，基底核作為大腦深部若干神經(jīng)核團構(gòu)成的功能整體，主要負責(zé)人體自主運動的控制、整合調(diào)節(jié)細致的意識活動和運動反應(yīng)，同時負責(zé)記憶、情感以及獎勵學(xué)習(xí)等高級認知能力。包括帕金森氏癥和亨廷頓氏癥等多種運動和認知障礙都與基底核的病變有關(guān)。丘腦位于第三腦室的兩側(cè)，是間腦中最大的卵圓形灰質(zhì)核團，是產(chǎn)生意識的核心器官，因此建立基底核、丘腦皮層模型有助于實現(xiàn)運動障礙性神經(jīng)系統(tǒng)疾病的分析與治療。
[0004]目前治療運動障礙的方法包含藥物治療，肉毒桿菌霉素注射，物理康復(fù)以及深部腦刺激(DBS)。然而，這些方法具有一定的局限性。曾有研究提出神經(jīng)系統(tǒng)疾病康復(fù)治療的開環(huán)系統(tǒng)控制腦機接口治療方法，實現(xiàn)無創(chuàng)式的康復(fù)性治療。目前，多巴胺替代藥物是藥物治療的主要手段，然而，如抑郁癥、癡呆、幻覺等病癥是多巴胺抗性的，長期使用多巴胺替代療法可能會誘發(fā)多種嚴重的副作用，如惡化下肢本體感覺、誘發(fā)多巴胺失調(diào)綜合癥;DBS治療的侵入式方案會使手術(shù)帶來額外風(fēng)險和并發(fā)癥，高昂的治療成本也限制了它的使用，非侵入式方法會降低由于手術(shù)帶來的風(fēng)險；同時，由于患者的癥狀會通過個人的遺傳和病情的進展等因素存在變異性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對運動障礙性神經(jīng)疾病目前治療手段的局限性，本發(fā)明提供一種基于FPGA的運動障礙非侵入式康復(fù)的閉環(huán)腦-機-體系統(tǒng)，其中；基底核、丘腦皮層模型采用FPGA芯片硬件系統(tǒng)實現(xiàn)，該硬件系統(tǒng)以醫(yī)療設(shè)備規(guī)范為基礎(chǔ)，以節(jié)能為首要目標(biāo)，從而減少硬件系統(tǒng)能耗。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種基于FPGA的運動障礙非侵入式康復(fù)的閉環(huán)腦-機-體接口實驗平臺，其中:該實驗平臺包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)、基底核、丘腦皮層FPGA芯片1、力反饋裝置、腦成像裝置、運動捕捉系統(tǒng)、控制算法FPGA芯片11、EEG算法模塊、EMG算法模塊、控制算法模塊、觸摸屏模塊、周圍神經(jīng)系統(tǒng);所述實驗平臺通過在基底核、丘腦皮層FPGA芯片I上采用VHDL語言搭建基底核、丘腦皮層假體模型，并通過腦成像裝置與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的腦皮層相連接，采集腦電圖觀測值信號;通過運動捕捉系統(tǒng)與周圍神經(jīng)系統(tǒng)緊密接觸，獲取肌電圖觀測值信號;EEG算法模塊和EMG算法模塊分別接收由基底核、丘腦皮層假體模型輸出的中樞神經(jīng)系統(tǒng)膜電位信號和周圍神經(jīng)系統(tǒng)膜電位信號，經(jīng)過EEG算法模塊和EMG算法模塊的EEG和EMG算法處理，分別得到腦電圖期望值信號和肌電圖期望值信號;腦電圖期望值信號、肌電圖期望值信號、腦電圖觀測值信號和肌電圖觀測值信號作為輸入?yún)⒘總鬏斀o控制算法FPGA芯片II中，并通過控制算法模塊的計算，輸出力反饋膜電位信號;此外，通過觸摸屏模塊選項切換方式顯示腦電圖觀測值信號、肌電圖觀測值信號、腦電圖期望值信號、肌電圖期望值信號以及力反饋膜電位信號的動態(tài)變化，形成腦-機-體閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)對患者病情的動態(tài)調(diào)節(jié)。
[0007]本發(fā)明的效果是這項基于FPGA的康復(fù)系統(tǒng)將腦機接口、體機接口和閉環(huán)控制理論相結(jié)合，建立閉環(huán)腦-機-體無創(chuàng)式康復(fù)系統(tǒng)，融合實時神經(jīng)信號，得到疾病狀態(tài)度量指標(biāo)，動態(tài)因果自適應(yīng)控制算法調(diào)節(jié)刺激信號的輸出，實現(xiàn)運動障礙性神經(jīng)系統(tǒng)疾病無創(chuàng)式康復(fù)。本發(fā)明創(chuàng)新的提出了基于FPGA的閉環(huán)腦-機-體接口治療的康復(fù)系統(tǒng)實驗方案，其具有以下幾點優(yōu)勢:I.閉環(huán)腦-機-體康復(fù)系統(tǒng)避免了類似DBS的侵入式治療手段，綜合腦-機接口和體-機接口，形成閉環(huán)控制治療手段，降低病人治療的風(fēng)險，實現(xiàn)無創(chuàng)式治療。2.所設(shè)計的基底核，丘腦皮層的假體模型能夠在時間尺度上保持與真實生物神經(jīng)元的一致性，F(xiàn)PGA的芯片工作頻率可達到200Mhz，通過神經(jīng)核團的并行運算，保證神經(jīng)元膜電位輸出在一毫秒內(nèi)，滿足腦電圖觀測值信號與期望值信號的實時運算，為康復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)的研究提供合理參數(shù)。3.閉環(huán)腦-機-體康復(fù)系統(tǒng)，使用動態(tài)因果自適應(yīng)算法，獲取額外的FPGA基底核、丘腦皮層控制模型的EEG，EMG信號，建立更優(yōu)的模型適應(yīng)度函數(shù)，進而針對患者差異性，實現(xiàn)個性化治療。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明的閉環(huán)腦-機-體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009]圖2為本發(fā)明的基底核、丘腦皮層假體模型的核團耦合框架圖；
[0010]圖3為本發(fā)明的神經(jīng)核團模型示意圖；
[0011]圖4為因果動態(tài)模型的自適應(yīng)控制算法模塊示意圖
[0012]圖中:
[0013]1.中樞神經(jīng)系統(tǒng)2.基底核、丘腦皮層FPGA芯片I 3.力反饋裝置4.腦成像裝置5.運動捕捉系統(tǒng)6.控制算法FPGA芯片II 7.EEG算法模塊8.EMG算法模塊9.基底核，丘腦皮層假體模型10.中樞神經(jīng)系統(tǒng)膜電位信號11.周圍神經(jīng)系統(tǒng)膜電位信號12.神經(jīng)元核團輸出膜電位信號13.網(wǎng)絡(luò)連接變量信號14.突觸膜電壓信號15力反饋膜電位信號16.神經(jīng)元核團模型17.神經(jīng)元膜電位存儲RAM 18.網(wǎng)絡(luò)連接變量雙口RAM 19.網(wǎng)絡(luò)連接矩陣ROM存儲器20.外側(cè)蒼白球GPe核團模型21.丘腦底核STN核團模型22.內(nèi)側(cè)蒼白球GPi核團模型23.紋狀體STRd2核團模型24.紋狀體STRdl核團模型25.感覺皮層神經(jīng)核團模型26.丘腦皮層TC核團模型27.運動皮層核團模型28.前額皮層核團模型29.腦電圖觀測值信號30.肌電圖觀測值信號31.腦電圖期望值信號32.肌電圖期望值信號33.力反饋信號34.控制算法模塊35串口數(shù)據(jù)線36.觸摸屏顯示界面37.周圍神經(jīng)系統(tǒng)
【具體實施方式】
[0014]結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于FPGA的運動障礙非侵入式康復(fù)的閉環(huán)腦-機-體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以說明。
[0015]本發(fā)明的基于FPGA的運動障礙非侵入式康復(fù)的閉環(huán)腦-機-體系統(tǒng)設(shè)計思想是:基于FPGA的運動障礙非侵入式康復(fù)的閉環(huán)腦-機-體系統(tǒng)，因果動態(tài)模型的自適應(yīng)算法，首先對運動障礙性神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)皮下核團(BG核團)進行數(shù)學(xué)建模，模擬出運動障礙性神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病狀態(tài)。閉環(huán)腦-機-體接口治療的康復(fù)系統(tǒng)，其中:該系統(tǒng)包括以FPGA為控制核心的基底核、丘腦皮層模型，力反饋裝置，腦成像裝置，運動捕捉系統(tǒng)，EEG算法模塊，EMG算法模塊，基于FPGA的動態(tài)因果模型算法模塊;基底核、丘腦皮層模型采用VHDL語言編寫，并編譯下載到基底核、丘腦皮層FPGA芯片I中。動態(tài)因果模型算法模塊采用VHDL語言編寫，并下載編譯到控制算法FPGA芯片11中，EEG算法模塊，EMG算法模塊采用DSP Bui Ider編程實現(xiàn)。
[0016]本發(fā)明的基于FPGA的運動障礙非侵入式康復(fù)的閉環(huán)腦-機-體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是首先在中樞神經(jīng)系統(tǒng)I和周圍神經(jīng)系統(tǒng)37上分別通過腦成像裝置4和運動捕捉系統(tǒng)5獲取腦電圖觀測信號29與肌電圖觀測信號30，然后在FPGA芯片12上建立基底核、丘腦皮層的假體模型9，然后設(shè)計的EEG算法模塊7接收基底核、丘腦皮層假體模型9輸出的中樞神經(jīng)系統(tǒng)膜電位信號10進行運算，得到腦電圖期望值信號31;設(shè)計的EMG算法模塊8接收基底核、丘腦皮層假體模型9輸出的周圍神經(jīng)系統(tǒng)膜電位信號11進行運算，得到肌電圖期望值信號32;所得到的腦電圖觀測信號29、肌電圖觀測信號30、腦電圖期望值信號31、肌電圖期望值信號32作為輸入信號傳輸給控制算法FPGA芯片116中，通過動態(tài)因果模型自適應(yīng)控制算法模塊34計算后得到力反饋膜電位信號15。通過力反饋裝置3將力反饋膜電位信號15通過力反饋裝置3轉(zhuǎn)化為可利用的力反饋信號33，進行對中樞神經(jīng)系統(tǒng)I的動態(tài)調(diào)節(jié)。
[0017]所述的基底核、丘腦皮層假體模型9主要由九個不同神經(jīng)核團模型16相互之間通過突觸膜電壓14連接耦合形成;基底核，丘腦皮層假體模型9在FPGA芯片12上采用歐拉法離散化，并采用流水線技術(shù)搭建不同的神經(jīng)核團模型16，使復(fù)雜的常微分方程并行計算。流水線思想本質(zhì)上利用延時寄存器使數(shù)學(xué)模型分為幾個子運算過程，在每個周期內(nèi)，每個子運算過程可以同時進行不同神經(jīng)集群，不同時刻的運算，神經(jīng)核團計算的數(shù)據(jù)在神經(jīng)元膜電位RAMl 7中存儲，并隨時鐘而傳遞。
[0018]所述腦成像裝置4:通過該裝置，從大腦皮層表面將腦部的自發(fā)性生物電位加以發(fā)達記錄而獲得的波形，通過裝置上的電極記錄下腦細胞群的自發(fā)性，節(jié)律性電活動，提取波形電位的頻率，幅值等基本特征信息，作為參數(shù)輸入之一，傳輸給控制算法FPGA芯片II 6中；所述運動捕捉系統(tǒng)5由機械式運動捕捉裝置實現(xiàn)，記錄并檢測由傳感器通過患者運動感知的周圍神經(jīng)系統(tǒng)肌電信號，輸出肌電圖觀測值信號30到控制算法FPGA芯片II 6中進行計算；
[0019]所述力反饋裝置3由柔性外骨骼實現(xiàn)，接受由控制算法FPGA芯片II6輸出的力反饋膜電位信號15，用于矯正運動障礙患者的運動紊亂，其對人體力的刺激可由大腦通過周圍神經(jīng)系統(tǒng)感知得到。
[0020]所述的控制算法模塊34:方案采用動態(tài)因果模型自適應(yīng)控制算法，通過對中樞神經(jīng)系統(tǒng)I以及基底核、丘腦皮層假體模型9關(guān)于EEG，EMG信號的提取和檢測，獲取當(dāng)前狀態(tài)的生物標(biāo)記，并建立適應(yīng)度函數(shù)，實現(xiàn)對運動障礙性神經(jīng)疾病狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷;并建立多輸入輸出控制模型，以腦電信號的觀測值、期望值與肌電信號的觀測值、期望值作為輸入變量，通過適應(yīng)度函數(shù)模型的數(shù)學(xué)計算，獲取應(yīng)施加的外力刺激輸出。
[0021]所述觸