基于FPGA的神经突触的硬件实现及放电性能比较

目前专门对化学突触硬件实现的研究较少,采用FPGA芯片技术硬件实现化学突触,对神经元网络的硬件实现具有重要价值。运用DSP Builder软件,对以Hodgkin-Huxley神经元为突触前神经元和突触后神经元的化学突触数学模型进行建模。在DSP Builder模型的基础上,将化学突触的DSP Builder模型进行合理的拆分,然后分别将各个模块在FPGA所对应的软件环境下进行编译运行,最后下载到FPGA核心芯片中,硬件实现5种基于不同机理的化学突触模型。采用相关系数法,对仿真结果和硬件结果在同一个周期内的突触前神经元动作电位、突触后神经元动作电位以及突触电流的幅值进行对比,验证硬件实现的准确性。5种硬件实现的化学突触均可以较好地传递动作电位,但是各个模型消耗资源不同,模型3所消耗的内部乘法器资源(69%),约为模型5资源(31%)的2倍,表明突触模型数学复杂度越高,其消耗的乘法器资源越多。相关系数法的对比结果显示,模型3相关度最高,为0.791 3,模型4相关度最低,为0.693 5。虽然模型3数学复杂度高、硬件资源消耗多,但是其表现的生物性最好。硬件实现的5种突触模型均能较好地呈现化学突触的单向传递性,其中模型5硬件资源消耗少、相关度高,建议以其作为化学突触硬件实现的首选。     

经颅磁刺激与磁共振成像联合使用时力与温度场仿真研究EI北大核心CSCD

当前经颅磁刺激(TMS)已广泛应用于治疗抑郁症、帕金森病等神经系统疾病。为了能实时监测TMS期间大脑的内部活动从而达到更好的治疗效果,研究人员提出了与磁共振成像(MRI)神经成像方法结合使用,两种技术皆以特斯拉级别为单位的磁场达到工作效果,然而强电流、大磁场与小尺寸的结合势必会带来机械和热的不稳定性。本文根据实际情况搭建了MRI静磁场、线圈和人体头部模型,通过有限元仿真软件COMSOL中磁场与传热模块的耦合,得到了TMS-MRI联合使用时磁刺激线圈和头部力与温度的仿真结果。结果表明:在3 T的MRI环境中,线圈上最大力密度可达2.51×10^(9) N/m^(3),外部磁场方向和线圈中电流方向都会影响力分布,且越靠近外部磁场边界受力越大。TMS治疗过程中线圈产生的磁场使大脑组织温度升高约0.16℃,MRI静磁场的存在不会对其造成额外的热效应。本文结果可为制定TMS-MRI技术的使用准则与安全指南提供参考。     

射频美容电极在人脑中电磁场和比吸收率分布研究

研究在频率40.68 MHz下,使用多极射频电极头对人进行射频美容治疗时在人头部所产生磁场强度、电场强度和比吸收率(Specific Absorption Ratio,SAR)的分布,并将得出的结果与国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)所指定的安全限值进行对比。结果表明,脑组织中磁场强度最大值为0.06 A/m,约为ICNIRP限值的82.19%;电场强度最大值为5.5 V/m,约为INCIRP安全限值的19.64%;SAR最大约为0.03 W/kg,远小于ICNIRP标准的2 W/kg。所有结果均处于ICNIRP安全限值以内,说明射频美容电极所产生的电磁暴露不会对人体造成威胁。     

Hodgkin-Huxley神经元反转电势变化对动作电位的影响

目的:运用数值模拟的方法研究离子通道反转电势参数变化对神经元发放动作电位的影响。方法:参考生理实验结果,运用Simulink软件分别对钠离子通道、钾离子通道和漏通道反转电势偏离标准值±10%、±20%、±30%下的Hodgkin-Huxley神经元模型进行建模,施加相同的刺激电流,得到神经元动作电位的响应结果。结果:3个通道的反转电势E_(Na)、E_K、E_l太小时,神经元不能正常发放连续的动作电位。在一定范围内增加时,E_(Na)、E_K、E_l都会使相同时间段内神经元动作电位的发放个数增加。并且当E_K变化导致神经元异常放电时,可以通过调节ENa来使神经元恢复正常放电。结论:离子通道反转电势的异变导致神经元的异常放电,这可能是离子通道疾病的病因。模拟结果表明离子通道疾病的治疗可以在多离子通道的参数调节上同时进行,这为其致病机理和临床治疗等研究提供了一定的思路和方法。     

磁感应热疗中磁介质参数与加热温度关系的模拟仿真

本文以线性响应理论为基础,在有限元软件COMSOL中建立了基于大鼠肝癌的磁感应热疗(MFH)模型。通过对四氧化三铁(Fe_3O_4)、钴化铁(FeCo)、面心立方晶格铂化铁(fccFePt)和L10相铂化铁(L10FePt)共4种磁介质参数的分析,研究了弛豫机制下,磁介质半径的变化对损耗功率和温度场的影响。同时,提出了针对不同磁介质参数的优化方法,并对4种磁介质的适用场合给出建议。本文通过尽可能地提高磁介质的损耗功率,可以降低治疗时所需的磁介质剂量,从而减小对肿瘤组织周围正常组织的不良影响。本文结果可为应用于磁感应热疗的磁介质制备提供参考。     

经颅磁刺激放电回路参数对线圈脉冲电流特性的影响

目的 本文分析了经颅磁刺激放电回路参数,包括放电回路中总电容（C）、放电电压（U）以及放电线圈的电感值（L）和电阻值（R）对线圈放电电流特性的影响,为经颅磁刺激放电回路参数的优化提供理论指导.方法 首先理论上对经颅磁刺激系统基本电路进行分析,得出放电电流与放电回路参数的关系式,然后通过仿真和实验相结合的方法,研究放电回路参数对线圈脉冲电流的影响.同时,利用傅里叶变换分析线圈脉冲放电电流的频域特性.结果 单独增大储能电容值,增大了线圈放电电流幅值,延长了脉冲电流上升沿时间和脉宽持续时间,减小了电流信号的主频.单独减小回路总电阻值,增大了脉冲电流的幅值,提高了电流信号的主频,但更容易使脉冲电流出现多次振荡.单独增大回路电感值,减小了脉冲电流幅值,延长了脉冲电流的上升沿时间和脉宽持续时间,电流信号主频先增大后减小.结论 在经颅磁刺激系统工程设计中,放电回路参数值要匹配,不同的回路参数取值直接影响线圈脉冲电流的特性.本研究对设计特定指标要求的经颅磁刺激系统具有理论参考价值.     

手机辐照对人体视觉组织的电磁辐射安全评估

目的 分析视觉组织中手机电磁辐照剂量,为手机暴露对人体视觉组织的电磁辐射安全评估提供科学依据。方法 建立包含角膜、晶状体、巩膜、玻璃体和视神经等视觉组织的真实头部模型,采用时域有限差分法计算手机分别位于语音或短信位置时,1 750 MHz辐射下视觉组织的比吸收率（SAR）分布。结果 在各视觉组织中,1g生物组织中SAR最大值（1g-psSAR）均出现在玻璃体中。对于处于语音位置的手机,玻璃体的1g-psSAR为8.671 mW/kg,是视神经（1.649 mW/kg）的5.2倍。对于处于短信位置的手机,随着头部模型与手机距离的增加,各视觉组织中的1g-psSAR均减小。1g-psSAR在手机距离头部50 mm时比在300 mm时高出12～15倍。结论 通用手机对人眼的电磁辐射剂量符合电气与电子工程师协会指南制定标准,本研究有助于减少公众关于手机暴露对人体视觉组织的风险担忧。     

基于HH模型的神经元网络的数值模拟与FPGA实现

目的提出了一种数值模拟结合硬件实现生物神经元网络的方法。方法运用Simulink与Dsp builder软件分别对HH模型神经元组成的神经元链网络、神经元环网络进行建模仿真,进而运用FPGA硬件实现生物神经元网络。结果通过对比,两种软件的仿真结果相同,验证了建模的一致性;再现了神经元链网络的神经元动作电位传导特性,神经元环网络的同步放电特性。FPGA硬件结果与对应的软件仿真结果相同,验证了硬件结果的正确性。结论运用FPGA实现具有生物特性的神经元网络是可行的。     

神经核团异常放电的数值模拟与FPGA实现

进行神经核团网络异常放电的数值模拟以及硬件实现。方法:选用Izhikevich模型模拟单个神经元放电,通过化学突触连接各神经元搭建神经核团网络,进而在FPGA上实现神经核团放电。对比Izhikevich模型在Simulink和DSP Builder两种软件中建模的相对标准误差,并分析各神经核团的放电特性。结果:两种软件中各神经核团的仿真结果相对标准误差均小于0.1,验证了建模的一致性。通过计算丘脑的中继可靠性指标RI=0.3<0.6,证明搭建的神经核团网络可以模拟帕金森病的一种放电状态。结论:模拟神经核团的异常放电对替代动物活体实验、探究神经性疾病的治疗方法和脑机接口研究等具有重要意义。     

基于三层球模型弱直流电刺激下脑白质各向异性对电场分布的影响

目的研究脑白质的各向异性电导率对经颅直流电刺激产生的电场分布的影响。方法依托经典三层同心球模型,通过基于有限元法的ANSYS软件建模,并求解头模型的电场强度、电流密度分布及初级皮质运动区的关键点数值。结果随着脑白质各向异性电导率的比率、空间分布不同,头模型中电场强度和电流密度的分布产生了较大区别。结论仿真结果说明脑白质各向异性对电场分布有显著影响,对临床应用有重要的借鉴意义。