[发明专利]无创可穿戴脑接口系统

说明书

一种示例性无创可穿戴脑接口系统包括头戴式设备和多个独立的光电检测器单元，所述头戴式设备被配置为被穿戴在用户的头部上，所述多个独立的光电检测器单元被配置为能移除地附接到所述头戴式设备。所述光电检测器单元各自包括多个光电检测器，所述多个光电检测器被配置为在光的光子从所述用户的脑内的目标反射之后检测所述光子。所述脑接口系统还包括主控制单元，所述主控制单元通过多条电线被通信地耦合到所述光电检测器单元中的每个光电检测器单元并被配置为控制所述光电检测器单元，所述主控制单元包括输入电源端口，所述输入电源端口被配置为连接到电源线，所述电源线从电源向所述主控制单元和所述光电检测器单元提供电力。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月31日提交的PCT国际申请PCT/US18/58580的优先权，该申请要求于2018年7月31日提交的美国专利申请US16/051462的优先权，该申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2018年5月17日提交的美国临时专利申请US 62/673065和于2018年6月20日提交的美国临时专利申请US 62/687659的优先权。通过引用将这些申请各自以其整体并入本文。

背景技术

对于医学诊断、成像、神经工程、脑-计算机接口以及各种其他诊断和与消费者有关的应用来说，检测脑中的神经活动是有用的。例如，可能期望检测患者的脑中的神经活动，以确定脑的特定区域是否受到血液冲洗减少、出血或任何其他类型的损害的影响。作为另一示例，可能期望检测用户的脑中的神经活动并将检测到的神经活动通过计算解码成能够用于(例如通过控制计算机屏幕上的光标，更改电视上的频道，打开灯等)控制各种类型的消费者电子器件的命令。

能够检测单个光子(即，单个光能粒子)的光电检测器是能够用于检测脑内神经活动的无创检测器的示例。例如，这些灵敏的光电检测器的阵列能够记录响应于一个或多个光脉冲的施加而从脑内组织反射回来的光子。基于由光电检测器检测光子所花费的时间，能够确定或推断脑的神经活动和其他属性。

采用基于半导体的单光子雪崩二极管(SPAD)的光电检测器能够以很高的到达时间分辨率(几十皮秒)捕获个体光子。当光子被SPAD吸收时，它们的能量将结合的电荷载体(电子和空穴)释放成自由载体对。在存在由施加到二极管的反向偏置电压创建的电场的情况下，这些自由载体通过SPAD的被称为倍增区域的区域被加速。当自由载体行进通过倍增区域时，它们与结合在半导体的原子晶格中的其他载体发生碰撞，从而通过被称为碰撞电离的过程生成更多的自由载体。这些新的自由载体也会由于施加的电场而被加速并生成更多的自由载体。能够检测到该雪崩事件并将其用于确定光子的到达时间。

为了能够检测单个光子，利用反向偏置电压来偏置SPAD，该反向偏置电压的幅值大于其击穿电压，在该击穿电压之上，自由载体的生成能够自我维持并引起失控的雪崩。SPAD的这种偏置被称为装备设备。当对SPAD装备时，通过吸收单个光子所创建的单个自由载体对能够创建失控的雪崩，从而产生易于检测的宏观电流。

常规的SPAD架构通过利用由有源电压源生成的门控信号选择性地偏置SPAD来对SPAD进行门控(即，对SPAD进行装备和装备解除)。使用有源电压源对SPAD进行门控可能会不利地将噪声引入光电检测器输出，消耗相对大量的功率，在邻近的SPAD架构内引入电源电压纹波，并且引起其他不期望的效应。

附图说明

附图图示了各种实施例并且是说明书的部分。所图示的实施例仅是示例并且不限制本公开的范围。在所有附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元件。

图1示出了本领域中已知的常规的SPAD架构。

图2图示了根据本文描述的原理的示例性快速门控光电检测器中包括的各种部件。

图3A图示了根据本文描述的原理的示例性光电检测器系统。

图3B示出了根据本文描述的原理的实施光电检测器系统的示例性无创可穿戴脑接口系统。