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An FSCV Deep Neural Network: Development, Pruning, and Acceleration on an FPGA

计算机科学 现场可编程门阵列 人工神经网络 覆盖 软件 修剪 计算机硬件 计算 嵌入式系统 模式识别(心理学) 人工智能 算法 农学 生物 程序设计语言
作者
Zhichao Zhang,Yoonbae Oh,Scott D. Adams,Kevin E. Bennet,Abbas Z. Kouzani
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:25 (6): 2248-2259 被引量:10
标识
DOI:10.1109/jbhi.2020.3037366
摘要

Fast-scan cyclic voltammetry (FSCV) is an electrochemical technique for measuring rapid changes in the extracellular concentration of neurotransmitters within the brain. Due to its fast scan rate and large output-data size, the current analysis of the FSCV data is often conducted on a computer external to the FSCV device. Moreover, the analysis is semi-automated and requires a good understanding of the characteristics of the underlying chemistry to interpret, making it unsuitable for real-time implementation on low-resource FSCV devices. This paper presents a hardware-software co-design approach for the analysis of FSCV data. Firstly, a deep neural network (DNN) is developed to predict the concentration of a dopamine solution and identify the data recording electrode. Secondly, the DNN is pruned to decrease its computation complexity, and a custom overlay is developed to implement the pruned DNN on a low-resource FPGA-based platform. The pruned DNN attains a recognition accuracy of 97.2% with a compression ratio of 3.18. When the DNN overlay is implemented on a PYNQ-Z2 platform, it achieves the execution time of 13 ms and power consumption of 1.479 W on the entire PYNQ-Z2 board. This study demonstrates the possibility of operating the DNN for FSCV data analysis on portable FPGA-based platforms.

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