基于FPGA和USB3.0的经颅超声刺激系统设计与实现

作     者：杨贺 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李英伟

授予年度：2018年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 10[医学] 

主      题：经颅超声刺激 多参数可调 可编程增益 数字滤波 高速传输 

摘      要：神经系统疾病严重威胁着人类的健康,在现代医学中,依然缺乏有效的诊疗手段。经颅磁刺激、经颅电刺激等神经刺激与调控技术,都存在刺激深度不够,空间分辨率低的缺点。经颅超声分辨率高,可以无创性刺激特定的脑功能区,被研究者广泛关注。但是目前经颅超声刺激系统存在可调参数少,传输速度慢等缺点,为了克服这些缺陷,本文基于FPGA和USB3.0对多参数可调以及高速传输的经颅超声刺激系统进行开发设计。首先,针对经颅超声刺激系统可调参数单一和传输速度慢的问题,构建了经颅超声刺激系统的硬件电路整体框架。设计了激励脉冲可调的发射模块电路、多采样率和可编程增益的接收模块电路、高带宽的通信控制模块电路。在此基础上,分析了各个模块电路的设计原理和主要实现功能,并据此确定经颅超声刺激系统的硬件电路和软件接口。其次,为实现经颅超声刺激系统的硬件电路控制和参数调节,编写了经颅超声刺激系统的软件程序,分析了各个模块的控制参数。在系统硬件电路的基础上,重点开发了包含数字滤波、DDR2缓存驱动、USB3.0高速传输和通信协议的FPGA软件,根据USB3.0和FPGA的通信接口,开发了USB内部FIFO读写和串口通信的固件,进而开发了波形显示和参数调节的交互软件。最后,研制了经颅超声刺激系统,以自主设计的硬件电路原理图为依据,设计并生产印制电路板(PCB),通过交互软件调整系统激励脉冲和增益采样参数,利用示波器对系统发出的超声激励进行性能测试,利用交互软件对增益接收进行性能测试。并搭建实验平台,对小鼠进行超声脑刺激实验,用脑电信号放大系统和采集系统记录小鼠脑电信号,完成实验过程和实验分析。