KR20210010912A - 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템 - Google Patents

비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템 Download PDF

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KR20210010912A
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발레 브루노 도
롱 진
제이콥 달레
후삼 카트나니
라이언 필드
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하이 엘엘씨
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Abstract

예시적인 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템은 사용자의 머리에 착용하도록 구성된 헤드 기어 및 헤드 기어에 제거 가능하게 부착되도록 구성된 복수의 독립형 광 검출기 유닛을 포함한다. 광 검출기 유닛 각각은 광자가 상기 사용자의 뇌 내의 표적으로부터 반사된 후의 광의 광자를 검출하도록 구성된 복수의 광 검출기를 포함한다. 뇌 인터페이스 시스템은 복수의 와이어를 통해 상기 각각의 광 검출기 유닛에 통신 가능하게 결합되고 상기 광 검출기 유닛을 제어하도록 구성된 마스터 제어 유닛-상기 마스터 제어 유닛은 상기 마스터 제어 유닛 및 상기 광 검출기 유닛을 위한 전원에서 전력을 공급하는 전원 케이블에 연결하도록 구성된 입력 전원 포트를 포함함-을 더 포함한다.

Description

비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템
관련 출원
본 출원은 미국 35 U.S.C. §119(e)에 따라 2018 년 5 월 17 일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/673,065 및 2018 년 6 월 20 일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/687,659에 우선권을 주장하는 2018 년 7 월 31 일에 출원된 미국 특허 출원 번호 16/051,462에 우선권을 주장하는, 2018 년 10 월 31 일에 출원된 PCT 국제 출원 번호 PCT/US18/58580에 대해 우선권을 주장한다. 이들 출원은 각각의 전체가 참조로서 본 명세서에 포함된다.
뇌에서 신경 활동을 검출하는 것은 의료 진단, 이미징, 신경 공학, 뇌-컴퓨터 인터페이싱 및 다양한 기타 진단 및 소비자 관련 애플리케이션에 유용하다. 예를 들어, 뇌의 특정 영역이 혈액 관개(blood irrigation) 감소, 출혈 또는 기타 유형의 손상에 의해 영향을 받았는지 확인하기 위해 환자의 뇌에서 신경 활동을 감지하는 것이 바람직 할 수 있다. 또 다른 예로, 사용자의 뇌에서 신경 활동을 감지하고 감지된 신경 활동을 다양한 유형의 소비자 전자 제품을 제어하는 데(예를 들어, 컴퓨터 화면의 커서 제어, TV 채널 변경, 조명 켜기 등) 사용할 수 있는 명령으로 계산적으로 디코딩하는 것이 바람직할 수 있다.
단일 광자(즉, 광학 에너지의 단일 입자)를 검출할 수 있는 광 검출기는 뇌 내의 신경 활동을 검출하는 데 사용할 수 있는 비 침습적 검출기의 예이다. 예를 들어, 이러한 민감한 광 검출기의 어레이는 하나 이상의 광 펄스 적용에 반응하여 뇌 내의 조직에서 반사되는 광자를 기록할 수 있다. 광 검출기에 의해 광자가 검출되는 데 걸리는 시간에 기초하여 신경 활동 및 뇌의 기타 속성을 결정하거나 추론 할 수 있다.
반도체 기반의 단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD)를 사용하는 광 검출기는 매우 높은 도착 시간(time-of-arrival) 해상도(수십 피코초)로 개별 광자를 캡처할 수 있다. 광자가 SPAD에 흡수되면 에너지가 결합된 전하 캐리어(전자 및 정공)를 해제한 다음 자유 캐리어 쌍이 된다. 다이오드에 인가되는 역방향 바이어스 전압에 의해 생성된 전기장이 존재하는 경우 이러한 자유 캐리어는 증식 영역(multiplication region)이라고 하는 SPAD 영역을 통해 가속된다. 자유 캐리어가 증식 영역을 통과할 때 반도체의 원자 격자에 결합된 다른 캐리어와 충돌하여 충격 이온화라는 프로세스를 통해 더 많은 자유 캐리어를 생성한다. 이 새로운 자유 캐리어는 또한 인가된 전기장에 의해 가속화되고 더 많은 자유 캐리어를 생성한다. 이 애벌랜치 이벤트는 검출될 수 있고 광자의 도착 시간을 결정하는 데 사용할 수 있다.
단일 광자의 검출을 가능하게 하기 위해, SPAD는 자유 캐리어 생성이 자립되고 폭증적인 애벌랜치를 초래할 수 있는 것 이상의 바이어스 레벨인, 항복(breakdown) 전압의 크기보다 큰 크기를 갖는 역방향 바이어스 전압으로 바이어스된다. SPAD의 이러한 바이어스를 디바이스 준비(arming)라고 한다. SPAD가 준비되면 단일 광자의 흡수에 의해 생성된 단일 자유 캐리어 쌍이 폭증적인 애벌랜치를 생성하여 쉽게 검출할 수 있는 거시적 전류를 생성할 수 있다.
종래의 SPAD 아키텍처는 활성 전압원에 의해 생성된 게이팅 신호로 SPAD를 선택적으로 바이어싱함으로써 SPAD를 게이트 제어(즉, SPAD를 준비 및 해제(disarming))한다. SPAD를 게이트 제어하기 위해 활성 전압원을 사용하면 광 검출기 출력에 노이즈가 발생하고 상대적으로 많은 양의 전력을 소비하며 인접한 SPAD 아키텍처 내에 공급 전압 리플이 도입되게 되고 기타 바람직하지 않은 효과를 유발할 수 있다.
첨부된 도면은 다양한 실시예를 예시하며 명세서의 일부이다. 예시된 실시예는 단지 예일 뿐이며 본 개시의 범위를 제한하지 않는다. 도면 전체에서 동일하거나 유사한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 당 업계에 알려진 종래의 SPAD 아키텍처를 도시한다.
도 2는 본 명세서에 설명된 원리에 따른 예시적인 고속 게이트 광 검출기에 포함된 다양한 컴포넌트를 도시한다.
도 3a는 본 명세서에 설명된 원리에 따른 예시적인 광 검출기 시스템을 도시한다.
도 3b는 본 명세서에 설명된 원리에 따라 광 검출기 시스템을 구현하는 예시적인 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템을 도시한다.
도 4a는 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처에서 사용될 수 있는 예시적인 SPAD 회로를 도시한다.
도 4b는 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처에서 사용될 수 있는 또 다른 예시적인 SPAD 회로를 도시한다.
도 5는 본 명세서에 설명된 원리에 따른 도 4a의 SPAD 회로의 예시적인 동작 모드를 예시하는 흐름도이다.
도 6 내지 7은 도 4A의 SPAD 회로의 예시적인 스위치 상태를 도시한다.
도 8은 본 명세서에 설명된 원리에 따라 광 펄스의 발생과 프로그래머블 게이트 지연 사이의 관계를 나타내는 예시적인 타이밍 다이어그램을 도시한다.
도 9a 내지 9f는 본 명세서에 설명된 임의의 스위치를 구현할 수 있는 다양한 회로를 도시한다.
도 10a는 본 명세서에 설명된 원리에 따른 인버터의 예시적인 구현을 도시한다.
도 10b는 본 명세서에 설명된 원리에 따른 비교기의 예시적인 구현을 도시한다.
도 11a는 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처에서 사용될 수 있는 또 다른 예시적인 SPAD 회로를 도시한다.
도 11b는 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처에서 사용될 수 있는 다른 예시적인 SPAD 회로를 도시한다.
도 12는 본 명세서에 설명된 원리에 따른 도 11a의 SPAD 회로의 예시적인 동작 모드를 예시하는 흐름도이다.
도 13 내지 14는 도 11a의 SPAD 회로의 예시적인 스위치 상태를 도시한다.
도 15 내지 20은 도 11a의 SPAD 회로의 대안적인 회로 토폴로지를 도시한다.
도 21은 본 명세서에 설명된 원리에 따른 예시적인 방법을 도시한다.
도 22는 본 명세서에 설명된 원리에 따른 또 다른 예시적인 방법을 도시한다.
도 23 내지 29는 본 명세서에 설명된 원리에 따른 예시적인 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템을 도시한다.
비 침습성 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템이 본 명세서에 설명되어 있다. 예를 들어, 예시적인 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템은 사용자의 머리에 착용하도록 구성된 헤드 기어 및 헤드 기어에(예를 들어, 헤드 기어에 포함된 컷 아웃 내에 맞춰지도록 장착하거나 헤드 기어의 돌출부 또는 내장된 하우징에 부착하거나 기타 적절한 방식으로) 제거 가능하게 부착되도록 구성된 복수의 독립형 광 검출기 유닛을 포함한다. 광 검출기 유닛 각각은 광자가 사용자의 뇌 내의 표적으로부터 반사된 후에 광의 광자를 검출하도록 구성된 복수의 광 검출기를 포함한다. 뇌 인터페이스 시스템은 복수의 와이어를 통해 광 검출기 유닛 각각에 통신 가능하게 결합되고 광 검출기 유닛을 제어하도록 구성된 마스터 제어 유닛을 더 포함하고, 마스터 제어 유닛은 마스터 제어 유닛 및 상기 광 검출기 유닛의 전원에서 전원을 공급하는 전원 케이블에 연결하도록 구성된 입력 전원 포트를 포함한다.
다른 예시적인 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템은 사용자의 머리에 착용하도록 구성된 헤드 기어 및 헤드 기어에 제거 가능하게 부착되도록 구성된 복수의 독립형 광 검출기 유닛을 포함한다. 광 검출기 유닛 각각은 광자가 사용자의 뇌 내의 표적으로부터 반사된 후 광의 광자를 검출하도록 구성된 복수의 광 검출기를 포함한다. 복수의 광 검출기에 포함된 광 검출기는 SPAD와 커패시터를 포함한다. 커패시터는 SPAD가 해제(disarming) 상태에 있는 동안, 전압원에 의해 바이어스 전압으로 충전되도록 구성된다. 커패시터는 SPAD가 준비(arming) 상태에 있을 때, 상기 SPAD 양단의 전압이 상기 SPAD의 항복 전압보다 크도록 바이어스 전압을 상기 SPAD의 출력 노드에 공급하도록 더 구성된다.
다른 예시적인 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템은 사용자의 머리에 착용하도록 구성된 헤드 기어 및 헤드 기어에 제거 가능하게 부착되고 상기 컷 아웃에 맞춰지도록 구성된 복수의 독립형 광 검출기 유닛을 포함한다. 각각의 광 검출기 유닛은, 광을 생성하도록 구성된 광원 및 광자가 상기 사용자의 뇌 내의 표적으로부터 반사된 후 광의 광자를 검출하도록 구성된 복수의 광 검출기를 포함한다. 뇌 인터페이스 시스템은 복수의 와이어를 통해 각각의 광 검출기 유닛에 통신 가능하게 결합되고 광 검출기 유닛을 제어하도록 구성된 마스터 제어 유닛을 더 포함한다. 뇌 인터페이스 시스템은 사용자의 머리에 착용되고, 전원 케이블을 통해 마스터 제어 유닛에 연결되고, 마스터 제어 유닛 및 광 검출기 유닛에 전원을 공급하도록 구성된 전원을 더 포함한다.
본 명세서에 설명된 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템은 종래의 뇌 인터페이스 시스템에 비해 다양한 이점 및 장점을 제공한다. 예를 들어, 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템은 사용자의 뇌에서 신경 활동을 감지하는 데 효과적일 수 있으며 동시에 사용자가 착용하기 편리하고 비교적 편안할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 걷기, 운동, 작업 등과 같은 일상적인 활동을 수행하는 동안 본 명세서에 설명된 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템을 착용할 수 있다. 본 명세서에 설명된 비 침습성 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템은 또한 본 명세서에 설명된 고속 게이트 광 검출기 아키텍처와 관련하여 설명된 다양한 이점을 제공하고 "실시간" 신경 측정을 제공할 수 있다.
고속 게이트 광 검출기 아키텍처도 본 명세서에 설명되어 있다. 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처는 본 명세서에 설명된 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템에 의해 구현될 수 있으며, 데드 타임, 애프터 펄싱(afterpulsing), 전력 소비 및 시간 지터를 최소화하면서 SPAD를 빠르게 게이트 제어하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처는 광 검출의 신호 대 잡음비를 증가시켜 기존의 광 검출기에 비해 공간 및 시간 해상도를 개선할 수 있다. 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처의 이러한 장점 및 다른 장점은 아래에서 더 자세히 설명된다.
도 1은 종래의 광 검출기에서 사용될 수 있는 당 업계에 알려진 종래의 SPAD 구조를 도시한다. 도 1에서는 전압원 VGATE에 의해 생성된 게이팅 신호가 SPAD의 출력 노드에 인가된다. 게이팅 신호는 접지와 초과 바이어스 전압 사이에서 스위칭된다. 게이팅 신호가 접지와 같을 때 SPAD 양단의 전압은 SPAD의 항복 전압보다 작거나 같으며, 이는 SPAD가 애벌랜치 할 수 없는 SPAD가 해제된 상태 또는 "꺼짐" 상태임을 의미한다. 게이팅 신호가 초과 바이어스 전압과 같으면 SPAD 양단의 전압이 SPAD의 항복 전압보다 크며, 이는 광자가 SPAD 내에서 감지 가능한 애벌랜치를 시작할 수 있는 SPAD가 준비 상태 또는 "켜짐" 상태임을 의미한다.
SPAD가 준비 상태에 있는 동안, SPAD에 입사하는 광자는 SPAD 내에서 애벌랜치를 일으킬 수 있다. 애벌랜치가 발생하면 전류가 커패시터 CP와 저항 RB 및 RT를 통해 흐르기 시작하여 SPAD 애노드의 전압이 증가한다. 이는 차례로 SPAD 양단의 전압을 감소시킨다. SPAD 양단의 전압이 SPAD의 항복 전압 아래로 떨어지면 애벌랜치가 중지된다. 이 과정을 수동 ??칭(passive quenching)이라고 한다.
도 1에 도시된 종래의 SPAD 아키텍처와 관련된 많은 단점이 있다. 예를 들어, SPAD의 게이팅은 전압원 VGATE에 의해 직접 수행되기 때문에 SPAD를 준비하는 데 걸리는 시간은 즉각적이지 않다. 오히려 SPAD를 준비하는 데 걸리는 시간은 전압원 VGATE에서 제공하는 게이팅 신호의 상승 시간(즉, 게이팅 신호가 접지에서 초과 바이어스 전압으로 이동하는 데 걸리는 시간)에 의존한다. 게이팅 신호의 상승 시간 단계 동안 광자가 SPAD에 도달하면 SPAD가 아직 준비되지 않았기 때문에 광자를 감지하지 못할 수 있다. 따라서 게이팅 신호의 상승 시간 동안 광 검출기에 의해 수집된 모든 데이터가 손상되어 폐기되어야 한다.
더욱이, 도 1에 도시된 종래의 SPAD 아키텍처에 의해 수행되는 수동 ??칭은 비교적 느린 프로세스이다. SPAD의 출력 노드는 SPAD가 수동적으로 ??칭되는 동안 전압원 VGATE에 연결된 상태로 유지되기 때문에, 애벌랜치가 수동적으로 ??칭되기 전에 비교적 많은 양의 전류(따라서 전력)가 SPAD 아키텍처에 의해 소비된다. 상대적으로 느린 수동 ??칭 프로세스는 SPAD에서 많은 수의 트랩과 높은 애프터 펄스로 이어질 수 있다.
도 1의 종래 SPAD 구조의 또 다른 단점은 광 검출기 어레이에 걸친, 원치 않는 공급 전압 리플이다. 예를 들어, 광 검출기 어레이의 각 광 검출기는 도 1의 종래의 SPAD 아키텍처를 포함할 수 있다. 이 구성에서 특정 SPAD 내에서 애벌랜치가 발생하면, SPAD의 전압원(예를 들어, VGATE)에서 SPAD로의 큰 전류 흐름은 광 검출기 어레이의 다른 SPAD에서 관찰될 수 있는 전압에 전압 변동을 일으킬 수 있다. 이러한 전압 변동은 주어진 광 검출기 어레이에서 SPAD 수가 증가함에 따라 격렬해지고 SPAD 매개 변수(예를 들어, 광자 검출 확률, 암전류, 타이밍 등)에 변동을 일으킬 수 있다.
대조적으로, 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처의 SPAD는 전압원 VGATE와 같은 활성 전압원에 의해 직접 게이트 제어되지 않는다. 오히려, 본 명세서에 설명된 예시적인 SPAD는 SPAD를 준비 상태로 하기 위한 명령이 제공되기 전에 바이어스 전압으로 사전 충전된 커패시터로 게이팅된다. 활성 전압원 대신 커패시터를 사용하여 SPAD를 게이팅하면 여러 가지 장점과 이점이 있다.
예를 들어, 커패시터로 게이트 제어된 SPAD는 활성 전압원으로 게이트 제어된 SPAD와 비교하여 실질적으로 즉시 준비 상태가 될 수 있다. 이는 SPAD를 준비 상태로 하라는 명령이 제공될 때 커패시터에 이미 바이어스 전압이 충전되어 있기 때문이다. 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처에 의해 제공되는 더 가파른(sharp)(즉, 더 빠른) 상승 시간은 깊이 해상도(즉, SPAD는 더 정밀하게 준비 상태로 할 수 있으며, 이는 광자가 뇌에서 원하는 깊이에 위치한 목표물에서 반사하기 위해 걸릴 것으로 예상되는 시간과 SPAD를 준비 상태로 하는 시간을 맞추는 능력을 향상시킨다)를 개선하고 노이즈(즉, SPAD가 완전히 준비 상태로 전환되기 전에 수집되기 때문에 폐기해야 하는 잘못된 데이터)를 감소시킬 수 있다.
더욱이, 커패시터로 게이트 제어된 SPAD를 포함하는 SPAD 아키텍처는 능동 전압원으로 게이트 제어되고 수동적으로 ??칭이 허용되는 SPAD를 포함하는 종래의 SPAD 아키텍처보다 적은 전류(따라서 전력)를 소비할 수 있다. 이는 애벌랜치 동안 SPAD가 소비할 수 있는 최대 전류가 커패시터에 저장된 전하에 의해 제한되기 때문이다. SPAD 아키텍처의 전력 소비를 최소화함으로써, 본 명세서에 설명된 SPAD 아키텍처는 SPAD 아키텍처에 전력을 공급하기 위해 더 작은 전원 공급 디바이스가 사용될 수 있도록 할 수 있다(이는 웨어러블 디바이스에서 특히 유리함). 또한 SPAD 아키텍처의 전력 소비를 최소화함으로써 SPAD 아키텍처에 시간이 지남에 따라 가해지는 스트레스가 줄어들어 SPAD 아키텍처 내 컴포넌트의 수명이 늘어날 수 있다.
또한 커패시터로 게이트 제어되는 SPAD는 활성 전압원으로 게이트 제어되는 SPAD와 관련된 공급 전압 리플 문제를 제거한다. 이는 본 명세서에 설명된 SPAD 아키텍처의 SPAD가 모든 활성 전압원에서 분리되기 때문이다. 따라서, 본 명세서에 설명된 SPAD 아키텍처는 동일한 광 검출기 어레이에 포함된 다른 SPAD 아키텍처와 분리되며 이들의 성능에 영향을 미치지 않는다. 이 분리는 카운트 변동을 줄이고 검출 효율성과 감도를 향상시킬 수 있다. 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처에 의해 제공될 수 있는 이들 및 다른 이점 및/또는 장점은 다음의 상세한 설명에 의해 명백해질 것이다.
도 2는 예시적인 고속 게이트 광 검출기(202)에 포함된 다양한 컴포넌트를 도시한다. 도시된 바와 같이, 광 검출기(202)는 SPAD 회로(204), 제어 회로(206), 타임 투 디지털 컨버터(TDC)(208) 및 신호 처리 회로(210)를 포함한다.
SPAD 회로(204)는 SPAD, 및 SPAD에 입사하는 광자를 검출하기 위해 함께 동작하도록 구성된 다양한 다른 전기적 컴포넌트를 포함할 수 있다. 후술되는 바와 같이, SPAD 회로(204)는 SPAD 회로(204)가 광자를 검출할 때 출력 펄스를 생성할 수 있다. SPAD 회로(204)의 다양한 구현이 아래에서 상세히 설명될 것이다.
제어 회로(206)는 주문형 집적 회로(ASIC) 또는 SPAD 회로(204) 내의 다양한 컴포넌트의 동작을 제어하도록 구성된 임의의 다른 적절한 회로에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제어 회로(206)는 SPAD 회로(204) 내의 하나 이상의 스위치의 동작을 제어하여 SPAD 회로(204) 내의 커패시터를 선택적으로 충전하고 SPAD 회로(204)에 포함된 SPAD를 준비 또는 해제 상태에 놓는 제어 로직을 출력할 수 있다. 일부 예들에서, 제어 회로(206)는 게이트 지연을 제어할 수 있으며, 이는 SPAD를 준비 상태에 놓기 위해 광 펄스(예를 들어, 레이저 펄스)의 발생 후에 미리 결정된 양의 시간 제어 회로(206)가 대기하도록 지정하는 것이다. 이를 위해, 제어 회로(206)는 광 펄스가 발생하는 시간(예를 들어, 광 펄스가 뇌 내의 조직에 인가되는 시간)을 나타내는 광 펄스 타이밍 정보를 수신할 수 있다. 제어 회로(206)는 또한 SPAD가 해제되기 전에 준비 상태로 유지되는 시간을 지정하는 프로그래머블 게이트 폭을 제어할 수 있다.
제어 회로(206)는 신호 처리 회로(210)를 제어하도록 더 구성된다. 예를 들어, 제어 회로(206)는 신호 처리 회로(210)에 히스토그램 파라미터를 제공할 수 있다. 신호 처리 회로(210)는 히스토그램 파라미터에 따라 히스토그램 데이터를 생성할 수 있다.
TDC(208)는 SPAD 회로(204)에 의해 생성된 출력 펄스의 발생과 광 펄스의 발생 사이의 시간 차이를 측정하도록 구성된다. 이를 위해, TDC(208)는 또한 제어 회로(206)가 수신하는 동일한 광 펄스 타이밍 정보를 수신할 수 있다. TDC(208)는 특정 구현을 제공할 수 있는 임의의 적절한 회로에 의해 구현될 수 있다.
신호 처리 회로(210)는 TDC(208)에 의해 출력된 데이터에 대해 하나 이상의 신호 처리 동작을 수행하도록 구성된다. 예를 들어, 신호 처리 회로(210)는 TDC(208)에 의해 출력된 데이터에 기초하고 제어 회로(206)에 의해 제공된 히스토그램 파라미터에 따라 히스토그램 데이터를 생성할 수 있다. 예시하자면, 신호 처리 회로(210)는 TDC(208)에 의해 출력된 데이터에 기초하여 히스토그램을 생성, 저장, 전송, 압축, 분석, 디코딩 및/또는 처리할 수 있다. 일부 예들에서, 신호 처리 회로(210)는 임의의 적절한 방식으로 처리된 데이터를 사용할 수 있는 제어 회로(206)에, 처리된 데이터를 제공할 수 있다.
도 3a는 예시적인 광 검출기 시스템(300)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 광 검출기 시스템(300)은 인쇄 회로 기판(PCB)(306) 상에 배치된 광원(302) 및 복수의 SPAD 회로(304)(즉, SPAD 회로(304-1 내지 304-16))를 포함한다. 또는, SPAD 회로(304)(및 광 검출기 시스템(300)의 다른 컴포넌트)는 ASIC 상에 배치될 수 있다. 광 검출기 시스템(300)은 SPAD(304)에 공통인 제어 회로(308), SPAD(304)에 공통인 신호 처리 회로(310), 및 SPAD 회로(304) 중 하나에 각각 대응하는 복수의 TDC를 포함하는 TDC 어레이(312)를 더 포함한다. 제어 회로(308), 신호 처리 회로(310) 및 TDC 어레이(312)는 각각도 3a에 도시된 바와 같이 PCB(306) 상에 배치되거나 광 검출기 시스템(300) 내의 다른 곳에 위치할 수 있다. TDC 어레이(312), 제어 회로(308) 및 신호 처리 회로(304)에 포함된 TDC와 결합된 각각의 SPAD 회로(304)는 특정 광 검출기를 구현할 수 있다. 따라서, 광 검출기 시스템(300)은 광 검출기의 어레이를 포함한다고 할 수 있다.
광원(302)은 원하는 표적(예를 들어, 뇌 내의 표적)에 적용될 수 있는 하나 이상의 파장의 하나 이상의 광 펄스를 생성하도록 구성될 수 있다. 광원(302)은 컴포넌트의 임의의 적절한 조합에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 광원(302)은 레이저 펄스를 생성하는 레이저 소스에 의해 구현될 수 있다.
SPAD 회로(304)는 각각 SPAD 회로(204)와 동작이 유사하며 광자가 표적(예를 들어, 뇌 조직과 같은 사용자 내부의 표적)으로부터 반사된 후에 광원(302)에 의해 생성된 광 펄스의 광자를 검출하도록 구성될 수 있다. SPAD 회로(304)는 또한 이미징 애플리케이션을 위해, 주변 광으로 인해 임의의 물체로부터 반사된 광자를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 광자는 주변 광 또는 다른 광원에 의해 생성되기 때문에 광원(302)이 필요하지 않다.
도시된 바와 같이, SPAD 회로(304)는 PCB(306) 상에 4x4 어레이로 배열된다. 각각의 SPAD 회로(304)의 위치는 예를 들어 픽셀 어레이 내의 픽셀에 대응할 수 있다. SPAD 회로(304)는 또는 임의의 적절한 방식으로 배열될 수 있다. 16 개의 SPAD 회로(304)가 도 3a에 도시되어 있지만, 임의의 개수의 SPAD 회로(304)가 광 검출기 시스템(300)에 포함될 수 있음이 인식될 것이다.
제어 회로(308)는 제어 회로(206)와 기능면에서 유사할 수 있고, 각각의 SPAD 회로(308)를 제어하도록 구성될 수 있다. 신호 처리 회로(310)는 기능면에서 신호 처리 회로(210)와 유사할 수 있고, 각각의 SPAD 회로(304)에 의해 출력된 신호를 처리하도록 구성될 수 있다. TDC 어레이(312)는, 각각 TDC(208)와 유사하고 광 펄스(302)의 발생과 SPAD 회로(304) 각각에 의해 생성된 출력 펄스 사이의 시간 차이를 측정하도록 구성된 복수의 TDC를 포함할 수 있다.
광 검출기 시스템(300)은 임의의 적절한 디바이스에 의해 구현되거나 이에 포함될 수 있다. 예를 들어, 광 검출기 시스템(300)은 사용자가 하나 이상의 진단, 이미징 및/또는 소비자 관련 작업을 수행하기 위해 착용할 수 있는 비 침습적 웨어러블 디바이스에 포함될 수 있다.
예시를 위해, 도 3b는 광 검출기 시스템(300)과 유사할 수 있는 광 검출기 시스템을 구현하는 예시적인 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템(320)("뇌 인터페이스 시스템(320)")을 도시한다. 도시된 바와 같이, 뇌 인터페이스 시스템(320)은 환자의 머리에 부착되도록 구성된 머리 장착형 컴포넌트(322)를 포함한다. 머리 장착형 컴포넌트(322)는 복수의 광 검출기(324) 및 광 펄스를 생성하도록 구성된 복수의 광원(326)을 포함한다. 일부 대안적인 실시예에서, 머리 장착형 컴포넌트(322)는 단일 광 검출기(324) 및/또는 단일 광원(326)을 포함할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 뇌 인터페이스 시스템(320)은 광 경로를 제어하고 광 검출기 픽셀 측정값을 심부 뇌 조직 영역의 광학 특성을 나타내는 강도 값으로 변환하는 데 사용될 수 있다. 뇌 인터페이스 시스템(320)은 표면 조직 구조 또는 광학적으로 투명한 구조를 통한 것만을 이미지화하는 기존의 이미징 시스템 및 방법(예를 들어, 광 간섭성 단층촬영기술(OCT))과 달리, 깊은 표적 위치에서 발생하는 광자로부터 데이터를 추출함으로써 피부와 뼈를 통한 깊은 해부학적 위치의 광학적 검출을 가능하게 한다.
뇌 인터페이스 시스템(320)은 통신 링크(330)를 통해 광 검출기(324) 및 광원(326)과 통신(예를 들어, 제어 및/또는 그로부터 신호를 수신)하도록 구성된 프로세서(328)를 더 포함할 수 있다. 통신 링크(330)는 임의의 적절한 유선 및/또는 무선 통신 링크를 포함할 수 있다. 프로세서(328)는 임의의 적절한 하우징을 포함할 수 있고 바람직하게는 환자의 두피, 목, 어깨, 가슴 또는 팔에 위치할 수 있다. 일부 변형에서, 프로세서(328)는 광 검출기(324) 및 광원(326)과 동일한 어셈블리 하우징에 통합될 수 있다.
도시된 바와 같이, 뇌 인터페이스 시스템(320)은 프로세서(328)와 통신하는 원격 프로세서(332)를 선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 원격 프로세서(332)는 이전 검출 세션으로부터의 광 검출기(324) 및/또는 프로세서(328)로부터 측정된 데이터를 저장할 수 있다. 광 검출기(324), 광원(326) 및/또는 프로세서(238)를 위한 전력은 웨어러블 배터리(미도시)를 통해 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 프로세서(328) 및 배터리는 단일 하우징에 수납될 수 있고, 프로세서(328)로부터 전력 신호를 전달하는 와이어 및 배터리는 광 검출기(324) 및 광원(326)으로 이어질 수 있다. 또는 전력이 무선으로(예를 들어, 유도에 의해) 제공될 수 있다.
본 명세서에 설명된 광 검출기 시스템을 구현할 수 있는 추가적인 또는 대안적인 뇌 인터페이스 시스템은 아래에서 더 자세히 설명된다.
광 검출기 시스템(300)은 대안적으로 비 웨어러블 디바이스(예를 들어, 하나 이상의 진단, 이미징 및/또는 소비자 관련 작업을 수행하기 위해 사용자의 머리 또는 다른 신체 부위 근처에 배치되는 의료 디바이스 및/또는 소비자 디바이스)에 포함될 수 있다. 광 검출기 시스템(300)은 대안적으로 웨어러블 침습 디바이스(예를 들어, 뇌 기록 및 이미징을 위한 이식형 의료 디바이스)의 서브 어셈블리 인클로저에 포함될 수 있다.
본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처에서 사용될 수 있는 다양한 SPAD 회로가 이제 설명될 것이다. 본 명세서에 설명된 각 SPAD 회로는 SPAD를 준비 상태로 하기 위한 명령이 제공되기 전에, 바이어스 전압으로 사전 충전된 커패시터(또는 경우에 따라 SPAD 자체의 기생 커패시턴스 포함)로 게이트 제어된다.
도 4a는 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처에서 사용될 수 있는 예시적인 SPAD 회로(400)를 도시한다. 도시된 바와 같이, SPAD 회로(400)는 SPAD(402), 전압원(404-1 및 404-2), 커패시터(406), 복수의 스위치(408)(즉, 스위치(408-1, 408-2 및 408-3)), 저항(410) 및 인버터(412)를 포함한다.
도시된 바와 같이, 전압원(404-1)은 SPAD(402)의 입력 노드(414)(애노드라고도 함)에 연결된다. 전압원(404-1)은 입력 노드(414)에 역방향 바이어스 전압을 공급하도록 구성된 임의의 적절한 활성 전압원을 포함할 수 있다. 역방향 바이어스 전압은 SPAD(402)의 항복 전압과 같거나 작은 크기를 갖는다. 일부 예들에서, 전압원(404-1)에 의해 공급되는 역방향 바이어스 전압은 SPAD(402)의 항복 전압보다 미리 결정된 양만큼 작은 크기를 갖는다. 예를 들어, 전압원(404-1)에 의해 공급되는 역방향 바이어스 전압은 SPAD(402)의 항복 전압의 1-2 볼트 이내일 수 있다. SPAD(402)의 예시적인 항복 전압은 20 볼트이다. 따라서, 전압원(404-1)에 의해 공급되는 역방향 바이어스 전압의 예시적이지만 배타적이지 않은 크기는 18-19 볼트이다.
전압원(404-2)은 임의의 적절한 활성 전압원을 포함할 수 있고 스위치(408-3)를 통해 커패시터(406)에 선택적으로 연결되도록 구성된다. 예를 들어, 전압원(404-2)은 스위치(408-3)가 닫힐 때 커패시터(406)에 연결되고 스위치(408-3)가 개방될 때 커패시터(406)로부터 분리된다. 전압원(404-2)이 커패시터(406)에 연결될 때, 전압원(404-2)은 초과 바이어스 전압으로 커패시터(406)를 충전한다. 일부 예에서, 초과 바이어스 전압은 SPAD(402)의 항복 전압보다 작거나 같은 크기를 갖는다(예를 들어, 전압원(404-1)에 의해 공급되는 역방향 바이어스 전압의 크기보다 작음). 예를 들어, 초과 바이어스 전압은 2-5 볼트일 수 있다. 그러나, 초과 바이어스 전압은 특정 구현에 알맞을 수 있는 임의의 다른 적절한 값을 가질 수 있다.
일부 예들에서, 초과 바이어스 전압은 SPAD(402)의 기생 커패시턴스를 보상하는 값으로 설정될 수 있다. 커패시터(406)가 SPAD(402)에 연결될 때 커패시터(406)의 전하 중 일부가 SPAD(402)의 기생 커패시턴스로 전달될 것임을 인식할 것이다. 따라서, SPAD(402)의 기생 커패시턴스가 충전된 후에도 SPAD(402) 양단의 총 전압이 SPAD(402)의 항복 전압을 초과하도록 초과 바이어스 전압이 설정될 수 있다.
스위치(408)(본 명세서에서 "스위치 구성"이라고도 함)는 SPAD(402)를 선택적으로 준비 및 해제하도록 구성된다. 예를 들어, 아래 설명되는 바와 같이, 스위치(408-1 및 408-2)는, 커패시터(406)가 초과 바이어스 전압으로 충전되고 커패시터(406)가 전압원(404-2)로부터 분리되는 동안 커패시터(406)를 SPAD(402)의 출력 노드(416)(캐소드라고도 함)에 연결함으로써 SPAD(402)를 준비 상태로 만들 수 있다. 도시 된 바와 같이, 커패시터(406)는 저항(410)을 통해 출력 노드(416)에 연결될 수있다. 일부 대안적인 실시 예에서, 저항(410)은 SPAD(402)와 전압원(404-1) 사이에 연결된다. 또 다른 대안적인 실시 예에서, 저항(410)은 SPAD 회로(400)에 포함되지 않으며, 커패시터(406)는 출력 노드(416)에 직접 연결될 수 있다.
커패시터(406)가 출력 노드(416)에 연결될 때, 커패시터(406)는 초과 바이어스 전압을 출력 노드(416)에 공급한다. 이것은 SPAD(402) 양단의 전압이 SPAD(402)의 항복 전압보다 커지게 하여 SPAD(402)를 준비 상태로 만든다. 예를 들어, SPAD(402)의 항복 전압이 20 볼트이면 입력 노드(414)에서 전압원(404-1)에 의해 공급되는 역방향 바이어스 전압은 -18 볼트이며, 커패시터(406)가 완전히 충전되었을 때 출력 노드(416)에서 커패시터(406)에 의해 공급되는 초과 바이어스 전압은 3 볼트이고, SPAD(402) 양단의 전압은 커패시터(406)가 SPAD(402)의 항복 전압보다 큰 경우 21 볼트이다.
커패시터(406)는 임의의 적절한 크기(즉, 용량)일 수 있다. 일부 예들에서, 커패시터(406)의 크기는 애벌랜치 동안 SPAD(402)를 통한 전류 흐름을 감소시키기 위해 상대적으로 작을 수 있다. 이는 전력 소비, ??칭 시간, 애프터 펄싱 및 시간 지터를 최소화한다.
스위치(408-1 및 408-2)는 SPAD(402)의 출력 노드(416)로부터 커패시터(406)를 분리하고 SPAD(402)의 출력 노드를 접지(418)에 연결함으로써 SPAD(402)를 해제 상태로 만들 수 있다. 이 구성에서, SPAD(402) 양단의 전압은 SPAD(402)의 항복 전압보다 작은 역방향 바이어스 전압의 크기와 실질적으로 동일하다.
인버터(412)는 SPAD(402)가 준비 상태에 있는 동안 광자가 SPAD(402)에 도달할 때 출력 펄스를 생성하도록 구성된다. 광자가 SPAD(402) 내에서 애벌랜치를 시작할 때, SPAD(402)는 커패시터(406)로부터 전류를 끌어와 커패시터(406)를 0으로 방전시킨다. 커패시터(406)가 방전됨에 따라 출력 노드(416)의 전압이 감소한다. 출력 노드(416)의 전압이 특정 값 아래로 떨어지면, 인버터(412)는 출력 펄스를 생성한다. 일부 예에서, 인버터(412)에 대한 전원 공급 장치는 상이한 임계값을 고려하도록 조정 가능하다.
도 4b는 비교기(420)가 인버터(412) 대신에 SPAD 회로(400)에 포함되는 SPAD 회로(400)의 대안적인 구현을 도시한다. 비교기(420)는 SPAD(402)가 준비 상태에 있는 동안 광자가 SPAD(402)에 도달할 때 출력 펄스를 생성하도록 구성된다. 이를 위해 비교기(420)는 음극 단자와 양극 단자를 갖는다. 임계 전압(V_threshold)은 음극 단자에 인가된다. 이 임계 전압은 SPAD(402) 양단의 전압보다 낮으며 SPAD(402)는 준비 상태에 있고 커패시터(406)는 초과 바이어스 전압으로 완전히 충전된다. 비교기(420)의 양극 단자는(예를 들어, 저항(410)을 통해) 출력 노드(416)에 연결된다. 광자가 SPAD(402) 내에서 애벌랜치를 시작할 때, SPAD(402)는 커패시터(406)로부터 전류를 끌어와 커패시터(406)를 0으로 방전시킨다. 커패시터(406)가 방전됨에 따라 출력 노드(416)의 전압이 감소한다. 출력 노드(416)의 전압이 비교기(420)의 음극 단자상의 임계 전압 아래로 떨어지면, 비교기(420)는 출력 펄스를 생성한다.
도 5는 SPAD 회로(400)의 예시적인 동작 모드를 예시하는 흐름도(500)이다. 이 예의 목적을 위해, 제어 회로(206)는 스위치(408)를 제어함으로써 SPAD 회로(400)를 제어하도록 구성되고, TDC(208)는 인버터(412)의 출력에 연결되고, 신호 처리 회로(210)는 TDC(208)의 출력에 연결된다. 흐름도(500)에 도시된 하나 이상의 동작은 제어 회로(206)에 의해 수행될 수 있다.
동작 502에서, 커패시터(406)는 SPAD(402)가 해제 상태에 있는 동안 초과 바이어스 전압으로 충전된다. 제어 회로(206)는, 커패시터(406)로부터 SPAD(402)의 출력 노드(416)를 분리하기 위해 스위치(408-1)를 개방하고, SPAD(402)의 출력 노드(416)를 접지(418)에 연결하기 위해 스위치(408-2)를 닫고, 전압원(404-2)을 커패시터(406)에 연결하기 위해 스위치(408-3)를 닫는 제어 로직을 제공함으로써 SPAD(402)가 해제 상태에 있는 동안 커패시터(406)가 초과 바이어스 전압으로 충전되도록 할 수 있다. 이 스위치 상태는 도 4a에 도시되어 있다.
도 4a에 도시된 스위치 상태에 있는 동안, 전압원(404-2)은 초과 바이어스 전압으로 커패시터(406)를 충전한다. 제어 회로(206)가 커패시터(406)가 초과 바이어스 전압으로 완전히 충전된 것을 검출할 때(결정 블록 504에서 YES), 제어 회로(506)는 커패시터(406)로부터 전압원(404-2)을 분리한다(동작 506). 이것은 스위치(408-1)가 여전히 개방되고 스위치(408-2)가 여전히 닫혀있는 동안 스위치(408-3)를 개방하는 제어 로직을 제공하는 제어 회로(506)에 의해 수행된다. 이 스위치 상태는 도 6에 도시되어 있다.
동작 508에서, 제어 회로(206)는 일단 커패시터(406)가 초과 바이어스 전압으로 충전되면 SPAD(402)를 준비 상태로 만든다. 이를 위해, 제어 회로(206)는 SPAD(402)의 출력 노드(416)를 커패시터(406)에 연결하기 위해 스위치(408-1)를 닫고, SPAD(402)의 출력 노드(416)을 접지(418)에서 분리시키기 위해 스위치(408-2)를 개방하고, 커패시터(406)로부터 전압원(404-2)를 계속 분리시키기 위해 스위치(408-2)를 계속 개방하는 제어 로직을 제공한다. 이 스위치 상태는 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 스위치 상태에 있는 동안 SPAD(402)는 SPAD(402) 양단의 전압이 SPAD(402)의 항복 전압보다 높기 때문에 준비 상태에 있다.
일부 예들에서, 제어 회로(206)는 광 펄스(예를 들어, 광원(302)에 의해 생성된 광 펄스)의 발생 후 미리 결정된 양의 시간이 경과할 때까지 SPAD(402)를 준비 상태에 놓기를 기다린다. 이러한 방식으로, SPAD 회로(402)는 사용자 내의 특정 깊이(예를 들어, 사용자의 뇌 내의 특정 깊이)로부터 도달하는 광자를 검출하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 제어 회로(206)는 프로그래머블 게이트 지연을 나타내는 데이터를 유지할 수 있다. 프로그래머블 게이트 지연은 제어 회로(206)가 광 펄스의 발생 후 SPAD(402)를 준비 상태로 만들기 위해 대기하는 미리 결정된 시간을 지정한다. 프로그래머블 게이트 지연은 임의의 적절한 양의 시간을 지정하기 위해 사용자에 의해(예를 들어, 제어 회로(206)와의 소프트웨어 및/또는 하드웨어 인터페이스를 통해) 프로그래밍 될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 프로그램 가능 게이트 지연은 신호 처리 회로(210)에 의해 결정될 수 있다.
제어 회로(206)는 SPAD(402)가 해제 상태에 있는 동안(예를 들어, 광 펄스가 생성되는 시간을 지정하는 광 펄스 타이밍 정보를 수신하여) 광 펄스의 발생을 검출하고 프로그램 가능 게이트 지연에 의해 지정된 바와 같이 광 펄스 발생 후 미리 결정된 시간 동안 SPAD(402)를 준비 상태에 놓음으로써 프로그래머블 게이트 지연을 사용할 수 있다. 제어 회로(206)는 대안적으로 스위치(408-2)를 개방 상태로 유지하면서 스위치(408-1 및 408-3)를 닫음으로써 항상 SPAD(402)가 준비 상태가 되도록 설정할 수 있다.
도 8은 광 펄스의 발생과 제어 회로(206)에 의해 사용되는 프로그래머블 게이트 지연 사이의 관계를 나타내는 예시적인 타이밍 다이어그램(800)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 광 펄스(802) 시퀀스(예를 들어, 광 펄스(802-1 및 802-2))가 표적(예를 들어, 사용자의 뇌 내의 조직)에 적용될 수 있다. 광 펄스(802)가 인가되는 예시적인 주파수는 40-100 메가 헤르츠이다.
광 펄스 시퀀스(802)를 적용하는 동안, SPAD(402)는 제어 회로(406)에 의해 유지되는 하나 이상의 타이밍 파라미터(예를 들어, 프로그래머블 게이트 지연, 프로그래머블 게이트 폭 등)에 따라 준비 및 해제된다. 이 준비 및 해제는 펄스파(804)로 표시된다. 도시된 바와 같이, 펄스파(804)가 하이일 때, SPAD(402)는 준비 상태에 있다. 펄스파(804)가 로우일 때, SPAD(402)는 해제 상태에 있다.
도시된 바와 같이, SPAD(402)가 해제 상태에 있는 동안 각 광 펄스(802)가 발생한다(즉, 인가된다). 각각의 광 펄스(802)는 특정 시간에 발생한다. 예를 들어, 광 펄스(802-1)는 시간 t0에서 발생한다. 제어 회로(206)에 의해 유지되는 프로그래머블 게이트 지연은 SPAD(402)를 준비 상태로 만드는 제어 데이터를 출력할 때까지 제어 회로(206)가 대기하는 시간을 지정한다. 도 8의 예에서, 시간 t1에서 SPAD(402)는 준비 상태로 된다. 따라서, 프로그래머블 게이트 지연은 t1-t0 와 같다. 예시적인 프로그래머블 게이트 지연은 0 피코초와 4 나노초 사이이다. 위에서 언급한 바와 같이, SPAD(402)가 활성 전압원 대신 커패시터(406)에 의해 게이트 제어되고 있기 때문에, 해제 상태에서 준비 상태로 가는 SPAD(402)와 관련된 상승 시간은 비교적 빠르다(예를 들어, 거의 순간적).
일부 예들에서, 제어 회로(206)는 또한 프로그래머블 게이트 폭을 나타내는 데이터를 유지하는데, 이는 SPAD(402)가 해제되기 전에 준비 상태로 유지되는 기간을 지정한다. 프로그래머블 게이트 폭은 임의의 적절한 시간을 지정하도록 사용자에 의해(예를 들어, 제어 회로(206)와의 소프트웨어 및/또는 하드웨어 인터페이스를 통해) 프로그래밍 될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 프로그래머블 게이트 폭은 신호 처리 회로(210)에서 도출될 수 있다.
도 8의 타이밍 다이어그램에서, SPAD(402)는 시간 t2에서 해제 상태가 된다. 따라서 이 예에서 프로그래머블 게이트 폭은 t2-t1과 같다. 게이트 폭을 제어함으로써, 제어 회로(206)는 SPAD(402)가 후속 광 펄스가 발생하기 전에 비교적 긴 시간 동안 해제 상태가 되도록 할 수 있다. 이것은 실제 광자의 도달을 나타내지 않는 인버터(412)에 의한 출력 펄스를 트리거함으로써 광 검출기에 의해 획득된 데이터를 왜곡할 수 있는 애프터 펄싱을 바람직하게 회피할 수 있다.
따라서, 제어 회로(206)가 프로그래머블 게이트 폭이 충족된 것을 검출하면(즉, 프로그래머블 게이트 폭에 의해 지정된 미리 결정된 시간이 만료된 것)(결정 블록 510에서 YES), 제어 회로(206)는 SPAD(402)의 출력 노드(416)를 커패시터(406)로부터 분리하기 위해 스위치(408-1)를 개방하고 SPAD(402)의 출력 노드(416)를 접지(418)에 연결하기 위해 스위치(408-2)를 닫음으로써 SPAD(402)를 다시 해제 상태로 만든다(동작 512). 도 5에 도시된 프로세스는 후속 광 펄스에 대해 반복될 수 있다. 예를 들어, SPAD(402)가 해제 상태에 있는 동안, 커패시터(406)가 다시 충전되어 SPAD(402)가 다시 준비 상태가 되고 광 펄스(802-2)로부터 광자를 검출할 수 있다.
SPAD(402)가 준비 상태에 놓이면, 광 펄스로부터의 광자가 SPAD(402) 내에서 애벌랜치를 시작할 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, SPAD(402)는 애벌랜치가 발생하는 동안 커패시터(406)에서 전류를 끌어 와서 출력 노드(416)의 전압을 감소시킨다. 출력 노드(416)의 전압이 특정 값 아래로 떨어질 때, 인버터(412)는 출력 펄스를 생성한다.
TDC(208)는 임의의 적절한 방식으로 인버터(412)에 의해 생성된 출력 펄스의 발생과 광 펄스(802-1)의 발생 사이의 시간 차이를 측정할 수 있다. 예를 들어, 도 8을 참조하면, 인버터(412)는 시간 t3에서 출력 펄스를 생성할 수 있다. TDC(208)는 t3과 t0 사이의 차이를 계산함으로써 출력 펄스의 발생과 광 펄스(802-1)의 발생 사이의 시간 차이를 측정할 수 있다. 또는, TDC(208)는 t3와 후속 광 펄스(즉, 광 펄스(802-2))의 발생 사이의 차이를 계산하여 출력 펄스의 발생과 광 펄스(802-1)의 발생 사이의 시간 차이를 결정할 수 있다.
TDC(208)는 출력 펄스의 발생과 광 펄스(802-1)의 발생 사이의 시간 차이를 나타내는 데이터를 신호 처리 회로(210)에 출력할 수 있다. 신호 처리 회로(210)는 데이터에 대해 본 명세서에 설명된 신호 처리 동작 중 하나 이상을 수행할 수 있다.
SPAD 회로(400)에 포함된 다양한 컴포넌트는 임의의 적절한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 스위치(408)는 각각 임의의 적절한 스위치 회로에 의해 구현될 수 있다. 예시를 위해, 도 9a 내지 9f는 임의의 스위치(408)를 구현할 수 있는 다양한 회로를 도시한다. 특히, 도 9a는 스위치(408) 중 하나 이상을 구현할 수 있는 NPN 바이폴라 접합 트랜지스터를 도시하고, 도 9b는 스위치(408) 중 하나 이상을 구현할 수 있는 PNP 바이폴라 접합 트랜지스터를 도시하고, 도 9c는 스위치(408) 중 하나 이상을 구현할 수 있는 NMOS MOSFET을 도시하고, 도 9d는 스위치(408) 중 하나 이상을 구현할 수 있는 PMOS MOSFET을 도시하고, 도 9e는 스위치(408) 중 하나 이상을 구현할 수 있는 전송 게이트를 도시하고, 도 9f는 스위치(408) 중 하나 이상을 구현할 수 있는 구형파 발생기 및 커패시터를 도시한다.
도 10a는 인버터(412)의 예시적인 구현을 도시한다. 이 구현에서, 애벌랜치가 발생할 때, SPAD(402)의 출력 노드(416)상의 전압은 0에 가깝게 떨어져 인버터(412)에 의해 생성된 출력 펄스가 하이가 되도롤 한다. 다양한 다른 회로 토폴로지는 특정 구현을 제공할 수 있는 인버터(412)를 구현할 수 있다.
도 10b는 비교기(420)의 예시적인 구현을 도시한다. 이 구현에서, 애벌랜치가 발생할 때, SPAD(402)의 출력 노드(416)상의 전압은 0에 가깝게 떨어져 비교기(420)에 의해 생성된 출력 펄스가 하이가 된다. 다양한 다른 회로 토폴로지는 특정 구현을 제공할 수 있는 비교기(420)를 구현할 수 있다.
일부 예에서, 인버터(412) 및 비교기(420)는 SPAD 회로(400)로부터 생략될 수 있다. 이러한 예에서, SPAD(402)로부터의 출력은 TDC(208)에 대한 입력으로서 제공된다.
도 11a는 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처에서 사용될 수 있는 또 다른 예시적인 SPAD 회로(1100)를 도시한다. 도시된 바와 같이, SPAD 회로(1100)는 SPAD(1102), 전압원(1104-1 및 1104-2), 커패시터(1106-1 및 1106-2), 복수의 스위치(1108)(즉, 스위치 1108-1 및 1108-2), 저항(1110) 및 인버터(1112)를 포함한다.
도시된 바와 같이, 커패시터(1106-1)는 SPAD(1102)의 출력 노드(1114)에 연결된다. 커패시터(1106-1)는 특정 구현을 제공할 수 있는 임의의 적절한 크기를 가질 수 있다. 커패시터(1106-1)는 저항(1110)을 통해 출력 노드(1114)에 연결되는 것으로 도시되어 있다. 일부 예에서, 저항(1110)은 실제로 물리적 저항이 아니라 SPAD(1102)의 내부 저항을 나타낸다.
전압원(1104-1)은 임의의 적절한 활성 전압원을 포함할 수 있고 스위치(1108-2)를 통해 커패시터(1106-1)에 선택적으로 연결되도록 구성된다. 예를 들어, 전압원(1104-1)은 스위치(1108-1)가 제1 위치에 있을 때 커패시터(1106-1)에 연결되고 스위치(1108-1)가 제2 위치에 있을 때 커패시터(1106-1)로부터 분리된다. 본 명세서에 제공된 예에서, 스위치(1108-1)는 제1 위치에 있는 동안 닫히고 제2 위치에 있는 동안 개방된다. 대안적인 구성에서, 전압원(1104-1)은 스위치(1108-1)가 개방될 때 커패시터(1106-1)에 연결될 수 있고 스위치(1108-1)가 닫혀질 때 커패시터(1106-1)로부터 분리될 수 있음을 인식할 것이다.
전압원(1104-1)이 커패시터(1106-1)에 연결될 때, 전압원(1104-1)은 커패시터(1106-1)를 바이어스 전압으로 충전한다. 바이어스 전압은 SPAD(1102)의 항복 전압보다 작거나 같은 크기를 갖는다. 일부 예들에서, 전압원(1104-1)에 의해 공급되는 바이어스 전압은 SPAD(1102)의 항복 전압보다 미리 결정된 양만큼 작은 크기를 갖는다. 예를 들어, 전압원(1104-1)에 의해 공급되는 바이어스 전압은 SPAD(1102)의 항복 전압의 1-2 볼트 이내일 수 있다. SPAD(1102)의 예시적인 항복 전압은 20 볼트이다. 따라서, 전압원(1104-1)에 의해 공급되는 바이어스 전압의 예시적이지만 배타적이지 않은 크기는 18-19 볼트이다.
도시된 바와 같이, 전압원(1104-2)은 SPAD(1102)의 입력 노드(1116)에 연결된다. 전압원(1104-2)은 입력 노드(1116)에서 역방향 초과 바이어스 전압을 공급하도록 구성된 임의의 적절한 활성 전압원을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 역방향 초과 바이어스 전압은 SPAD(1102)의 항복 전압보다 작거나 같은 크기를 갖는다(예를 들어, 전압원(1104-1)에 의해 공급되는 바이어스 전압의 크기보다 작거나 같음). 예를 들어, 역방향 초과 바이어스 전압은 마이너스 2-5 볼트일 수 있다. 그러나, 역방향 초과 바이어스 전압은 특정 구현을 제공할 수 있는 임의의 다른 적절한 값을 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 역방향 초과 바이어스 전압은 SPAD(1102)의 기생 커패시턴스를 보상하는 값으로 설정될 수 있다.
스위치(1108)는 SPAD(1102)를 선택적으로 준비 및 해제하도록 구성된다. 예를 들어, 아래에서 설명되는 바와 같이, 스위치(1108-1)는 전압원(1104-2)을 SPAD(1102)의 입력 노드(1116)에 연결하는 반면, 커패시터(1106-1)는 바이어스 전압으로 충전되고 전압원(1104-1)으로부터 분리됨으로써 SPAD(1102)를 준비 상태로 만들 수 있다.
전압원(1104-2)이 입력 노드(1116)에 연결될 때, 전압원(1104-2)은 역방향 초과 바이어스 전압을 입력 노드(1116)에 공급한다. 이것은 SPAD(1102) 양단의 전압이 SPAD(1102)의 항복 전압보다 커지게 하여 SPAD(1102)를 준비 상태로 만든다. 예를 들어, SPAD(1102)의 항복 전압이 20 볼트면, 출력 노드(1114)에서 커패시터(1106-1)에 의해 공급되는 바이어스 전압은 커패시터(1106-1)가 완전히 충전될 때 18 볼트이고 입력 노드(1116)에서 전압원(1104-2)에 의해 공급되는 역방향 초과 바이어스 전압은 -3 볼트이고, SPAD(1102) 양단의 전압은 21 볼트이며, 이는 SPAD(1102)의 항복 전압보다 크다.
스위치(1108-1)는 SPAD(1102)의 입력 노드(1116)로부터 전압원(1104-2)을 분리하고 SPAD(1102)의 입력 노드(116)를 접지(1118)에 연결함으로써 SPAD(1102)를 해제 상태로 만들 수 있다. 이 구성에서, SPAD(1102) 양단의 전압은 SPAD(1102)의 항복 전압보다 작은 바이어스 전압의 크기와 실질적으로 동일하다.
인버터(1112)는 인버터(412)와 유사하며, SPAD(1102)가 준비 상태에 있는 동안 광자가 SPAD(1102)에 도달할 때 출력 펄스를 생성하도록 구성된다. 광자가 SPAD(1102) 내에서 애벌랜치를 시작할 때, SPAD(1102)는 커패시터(1106-1)에서 전류를 끌어와 커패시터(1106-1)를 0으로 방전시킨다. 커패시터(1106-1)가 방전됨에 따라 출력 노드(1114)의 전압이 감소한다. 출력 노드(1114)의 전압이 특정 값 아래로 떨어지면, 인버터(1112)는 출력 펄스를 생성한다.
도 11b는 비교기(1120)가 인버터(1112) 대신 SPAD 회로(400)에 포함되는 SPAD 회로(1100)의 대안적인 구현을 도시한다. 비교기(1120)는 비교기(420)와 유사하며, SPAD(1102)가 준비 상태에 있는 동안 광자가 SPAD(1102)에 도달할 때 출력 펄스를 생성하도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 비교기(1120)의 양극 단자는 커패시터(1106-2)를 통해 SPAD(1102)의 출력 노드(1114)에 연결된다. 일부 예에서, 커패시터(1106-2)는 SPAD 회로(1100)에서 생략된다.
광자가 SPAD(1102) 내에서 애벌랜치를 시작할 때, SPAD(1102)는 커패시터(1106-1)로부터 전류를 끌어내어 커패시터(1106-1)를 0으로 방전시킨다. 커패시터(1106-1)가 방전됨에 따라 출력 노드(1114)의 전압이 감소한다. 출력 노드(1114)의 전압이 비교기(1120)의 음극 단자상의 임계 전압 아래로 떨어지면, 비교기(1120)는 출력 펄스를 생성한다.
도 12는 SPAD 회로(1100)의 예시적인 동작 모드를 예시하는 흐름도(1200)이다. 이 예의 목적을 위해, 제어 회로(206)는 스위치(1108)를 제어함으로써 SPAD 회로(1100)를 제어하도록 구성되고, TDC(208)는 인버터(1112)의 출력에 연결되고, 신호 처리 회로(210)는 TDC(208)의 출력에 연결된다. 흐름도(1200)에 도시된 하나 이상의 동작은 제어 회로(206)에 의해 수행될 수 있다.
동작 1202에서, 커패시터(1106-1)는 SPAD(1102)가 해제 상태에 있는 동안 바이어스 전압으로 충전된다. 제어 회로(206)는 SPAD(1102)의 입력 노드(1116)를 접지(1118)에 연결하기 위해 스위치(1108-1)가 제1 위치(즉, 닫힘)에 있게 하고 전압원(1104-1)을 커패시터(1106-1)에 연결하기 위해 스위치(1108-2)가 제1 위치에 있게 하는 제어 로직을 제공함으로써 SPAD(1102)가 해제 상태에 있는 동안 커패시터(1106-1)가 바이어스 전압으로 충전되도록 할 수 있다. 이 스위치 상태는 도 11a에 도시되어 있다.
도 11a에 도시된 스위치 상태에 있는 동안, 전압원(1104-1)은 바이어스 전압으로 커패시터(1106-1)를 충전한다. 제어 회로(206)는 커패시터(1106-1)가 바이어스 전압으로 완전히 충전된 것을 검출할 때(결정 블록 1204의 YES), 제어 회로(1206)는 커패시터(1106-1)로부터 전압원(1104-1)을 분리한다(동작 1206). 이것은 스위치(1108-1)가 여전히 제1 위치에 있는 동안 스위치(1108-2)가 제2 위치(즉, 개방)에 있게 하는 제어 로직을 제공하는 제어 회로(1206)에 의해 수행된다. 이 스위치 상태는 도 13에 도시되어 있다.
동작 1208에서, 제어 회로(206)는 커패시터(1106-1)가 바이어스 전압으로 충전되는 동안 SPAD(1102)를 준비 상태로 만든다. 이를 위해, 제어 회로(206)는 SPAD(1102)의 입력 노드(1116)를 전압원(1104-2)에 연결하기 위해 스위치(1108-1)가 제2 위치(즉, 개방)에 있게 하는 제어 로직을 제공한다. 제어 로직은 또한 전압원(1104-1)이 커패시터(1106-1)로부터 분리된 상태를 유지하기 위해 스위치(1108-2)를 제2 위치에 유지한다. 이 스위치 상태는 도 14에 도시되어 있다. 도 14에 도시된 스위치 상태에 있는 동안, SPAD(1102) 양단의 전압이 SPAD(1102)의 항복 전압보다 높기 때문에 SPAD(1102)가 준비 상태가 된다.
전술한 바와 같이, 제어 회로(206)는 프로그래머블 게이트 지연 및 프로그래머블 게이트 폭에 따라 SPAD(1102)를 준비 및 해제할 수 있다. 따라서, 제어 회로(206)가 프로그래머블 게이트 폭이 충족되는 것을 검출하면(즉, 프로그래머블 게이트 폭에 의해 지정된 미리 결정된 시간이 만료된 것)(결정 블록 1210의 YES), 제어 회로(206)는 스위치(1208-1)가 SPAD(1102)의 입력 노드(1116)를 접지(1118)에 연결하는 제1 위치에 있게 함으로써 SPAD(402)를 다시 해제 상태로 만든다(동작 1212). 도 12에 도시된 프로세스는 후속 광 펄스에 대해 반복될 수 있다.
SPAD(1102)가 준비 상태에 놓이면, 광 펄스로부터의 광자가 SPAD(1102) 내에서 애벌랜치를 시작할 수 있다. 전술한 바와 같이, SPAD(1102)는 애벌랜치가 발생하는 동안 커패시터(1106-1)로부터 전류를 끌어오고, 이는 출력 노드(1116)에서 전압을 감소시킨다. 출력 노드(1116)의 전압이 특정 값 아래로 떨어지면, 인버터(1112)는 출력 펄스를 생성한다. TDC(208)는 전술한 바와 같이 출력 펄스를 처리할 수 있다.
SPAD 회로(1100)에 포함된 다양한 컴포넌트는 임의의 적절한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 스위치(1108)는 각각 도 9a 내지 9f에 도시된 스위치 회로와 같은 임의의 적절한 스위치 회로에 의해 구현될 수 있다. 인버터(1112)는 도 10a에 도시된 회로에 의해 구현될 수 있다. 비교기(1120)는 도 10b에 도시된 회로에 의해 구현될 수 있다.
일부 예에서, 인버터(1112) 및 비교기(1120)는 SPAD 회로(1100)로부터 생략될 수 있다. 이러한 예에서, SPAD(1102)로부터의 출력은 TDC(208)에 대한 입력으로서 제공된다.
SPAD 회로(1110)는 다수의 대안적인 회로 토폴로지 중 임의의 것에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 15 내지 20은 SPAD 회로(1110)의 대안적인 회로 토폴로지를 보여준다. 특히, 도 17의 회로 토폴로지는 SPAD를 게이트 제어하는 커패시터를 포함하지 않는다. 오히려 SPAD의 기생 커패시턴스는 초과 바이어스 전압으로 충전되어 SPAD를 게이트 제어하는 데 사용된다. 공간적인 제한이 SPAD 회로(1110)에 포함될 수 있는 컴포넌트의 수를 제한하는 구성에서 이는 유리할 수 있다.
도 21은 예시적인 방법(2100)을 도시한다. 도 21은 일 실시예에 따른 예시적인 동작을 도시하지만, 다른 실시예는 도 21에 도시된 동작 중 임의의 것을 생략, 추가, 재정렬 및/또는 수정할 수 있다. 도 21에 도시된 동작 중 하나 이상은 SPAD 회로(400)와 관련하여 제어 회로(206)에 의해 수행될 수 있다.
동작 2102에서, 제어 회로(206)는 제1 전압원이 SPAD의 입력 노드에서 역방향 바이어스 전압을 공급하도록 하고, 여기서 역방향 바이어스 전압은 SPAD의 항복 전압보다 작거나 같은 크기를 갖는다. 동작(2102)은 본 명세서에 설명된 임의의 방식으로 수행될 수 있다.
동작 2104에서, 제어 회로(206)는 제2 전압원이 초과 바이어스 전압으로 커패시터를 충전하기 위해 커패시터에 선택적으로 연결하도록 구성되도록 한다. 동작 2104는 본 명세서에 설명된 임의의 방식으로 수행될 수 있다.
동작 2106에서, 제어 회로(206)는 초과 바이어스 전압으로 충전되는 커패시터에 응답하여, 커패시터로부터 제2 전압원을 분리한다. 동작 2106은 본 명세서에 설명된 임의의 방식으로 수행될 수 있다.
동작 2108에서, 제어 회로(206)는 커패시터는 초과 바이어스 전압으로 충전되고 제2 전압원으로부터 분리된 동안 커패시터를 SPAD의 출력 노드에 연결함으로써 SPAD를 준비 상태로 만든다. 동작 2108은 본 명세서에 설명된 임의의 방식으로 수행될 수 있다.
도 22는 다른 예시적인 방법(2200)을 도시한다. 도 22는 일 실시예에 따른 예시적인 동작을 도시하지만, 다른 실시예는 도 22에 도시된 임의의 동작을 생략, 추가, 재정렬 및/또는 수정할 수 있다. 도 22에 도시된 동작들 중 하나 이상은 SPAD 회로(1100)와 관련하여 제어 회로(206)에 의해 수행될 수 있다.
동작 2202에서, 제어 회로(206)는 제1 전압원이 단일 광자 애벌랜치 다이오드의 출력 노드에 연결된 커패시터를 SPAD의 항복 전압보다 작거나 같은 크기의 바이어스 전압으로 충전하도록 한다. 동작 2202는 본 명세서에 설명된 방식 중 임의의 방식으로 수행될 수 있다.
동작 2204에서, 제어 회로(206)는 제2 전압원이 역방향 초과 바이어스 전압을 공급하도록 한다. 동작 2204는 본 명세서에 설명된 방식 중 임의의 방식으로 수행될 수 있다.
동작 2206에서, 제어 회로(206)는 커패시터가 바이어스 전압으로 충전되고 제1 전압원으로부터 분리된 동안 제2 전압원을 SPAD의 입력 노드에 연결함으로써 SPAD를 준비 상태로 만든다. 동작 2206은 본 명세서에 설명된 임의의 방식으로 수행될 수 있다.
본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처를 구현할 수 있는 다양한 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템이 이제 도 23 내지 29와 관련하여 설명될 것이다. 도 23 내지 29와 관련하여 설명된 각각의 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템은 "뇌 인터페이스 시스템"으로 지칭될 것이다. 본 명세서에 설명된 뇌 인터페이스 시스템은 본 명세서에 설명된 광 검출기 아키텍처를 구현할 수 있는 많은 상이한 유형의 뇌 인터페이스 시스템의 예시일 뿐이다.
도 23은 예시적인 뇌 인터페이스 시스템(2300)을 도시한다. 뇌 인터페이스 시스템(2300)은 헤드 기어(2302), 복수의 광 검출기 유닛(2304)(예를 들어, 광 검출기 유닛(2304-1 내지 2304-12)), 마스터 제어 유닛(2306) 및 전원(2308)을 포함한다.
도 23의 예에서, 헤드 기어(2302)는 사용자(2310)의 머리에 착용되는 캡으로 구현된다. 헤드 기어(2302)의 대안적인 구현은 헬멧, 비니, 헤드 밴드, 다른 모자 모양 등을 포함하며 본 명세서에서 설명될 것이다. 헤드 기어(2302)는 특정 구현을 제공할 수 있는 임의의 적절한 천, 연질 중합체, 플라스틱, 경질 쉘 및/또는 임의의 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다.
광 검출기 유닛(2304)은 임의의 적절한 방식으로 헤드 기어(2302)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 헤드 기어(2302)는 광 검출기 유닛(2304)이 맞춰지도록 구성되는 복수의 컷 아웃, 광 검출기 유닛(2304)이 부착되도록 구성된 헤드 기어(2302)의 내부 표면상의 복수의 돌출부, 개별 광 검출기 유닛(2304)을 수납하도록 구성된 복수의 내장 하우징, 및/또는 임의의 다른 적절한 부착 메커니즘 또는 요소를 포함할 수 있다.
예시를 위해, 도 24a는 복수의 컷 아웃(2402)(예를 들어, 컷 아웃(2402-1 내지 컷 아웃(2402-9))을 포함하는 헤드 기어(2302)의 예시적인 부분을 도시한다. 도 24a에서, 광 검출기 유닛(2304)은 아직 컷 아웃(2402) 내에 삽입되지 않았다. 도시된 바와 같이, 각각의 컷 아웃(2402)은 헤드 기어(2302) 내에 내장된 강성 링(2404)에 의해 둘러싸일 수 있다. 예를 들어, 컷 아웃(2402)은 강성 링(2404)으로 둘러싸여 있다. 강성 링(2404)은 임의의 적절한 재료(예를 들어, 플라스틱, 금속 등)로 만들어 질 수 있다. 강성 링(2404)은 헤드 기어(2302)에 광 검출기 유닛(2304)의 제거 가능한 부착을 용이하게 하도록 구성된 하나 이상의 홈 또는 다른 특징 부를 포함할 수 있다. 컷 아웃(2402) 및 강성 링(2404)은 직사각형으로 도 24a에 도시되어 있지만, 컷 아웃(2402) 및 강성 링(2404)은 대안적으로 임의의 다른 형상 및/또는 크기로 될 수 있다.
도 24b는 헤드 기어(2302)의 측 단면도를 도시하고 헤드 기어(2302)가 복수의 돌출부(2406)(예를 들어, 돌출부(2406-1 내지 2406-5))를 포함하는 대안적인 구성을 도시한다. 돌출부(2406)는 헤드 기어(2302)와 동일하거나 다른 재료로 만들어질 수 있고 헤드 기어(2302)의 내부 표면에 위치할 수 있다. 헤드 기어(2302)에 결합되는 개별 요소로 도 24b에 도시되어 있지만, 돌출부(2406)는 대안적으로 헤드 기어(2302)의 일부로서 형성될 수 있다. 돌출부(2406)는 광 검출기 유닛(2304)이 그곳에 부착되도록 하는 임의의 적절한 형상 및/또는 크기를 가질 수 있다. 일부 예에서, 돌출부(2406)는 각각 광 검출기 유닛(2304)이 부착될 수 있는 강성 링(2404)과 유사한 강성 링을 포함한다.
일부 대안적인 예에서, 광 검출기 유닛(2304)은 별개(discrete)의 위치에서 헤드 기어(2302)에 부착되지 않는다. 예를 들어, 헤드 기어(2302)는 헤드 기어(2302) 내부에 레일형 가이드를 포함할 수 있으며, 이는 사용자가 별개의 컷 아웃 또는 돌출 위치 대신에 연속 경로를 따라 임의의 위치에 광 검출기 유닛(2304)을 배치 할 수 있게 한다. 다른 예로서, 헤드 기어(2302)는 광 검출기 유닛이 임의의 바람직한 위치에서 자기적으로 결합될 수 있는 자성 재료로 만들어질 수 있다.
광 검출기 유닛(2304)이 헤드 기어(2302)에 부착될 수 있는 전술한 방식은 본 명세서에 설명된 다른 뇌 인터페이스 시스템 중 임의의 것에 유사하게 적용될 수 있다.
도 23으로 돌아 가면, 각각의 광 검출기 유닛(2304)은 독립형일 수 있다. 즉, 각 광 검출기 유닛은 자체 케이스 내에 수용될 수 있다. 각각의 광 검출기 유닛(2304)은 광 검출기 시스템(300)과 유사할 수 있다. 예를 들어, 각각의 광 검출기 유닛(2304)은 광을 생성하도록 구성된 개별 광원 및 광자가 사용자(2310)의 뇌 내의 표적으로부터 반사된 후의 광의 광자를 검출하도록 구성된 복수의 광 검출기를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 각각의 광 검출기 유닛(2304)은 광원 및 광 검출기가 배치된 인쇄 회로 기판을 포함할 수 있다.
일부 대안적인 실시예에서, 광 검출기 유닛(2304)은 개별 광원을 포함하지 않는다. 대신, 광 검출기 유닛(2304)에 의해 검출되는 광을 생성하도록 구성된 광원이 뇌 인터페이스 시스템(2300)의 다른 곳에 포함될 수 있다. 예를 들어, 광원은 마스터 제어 유닛(2306)에 포함될 수 있고 전기적 연결을 통해 광 검출기 유닛(2304)에 결합될 수 있다.
본 명세서에 설명된 광원 각각은 임의의 적절한 디바이스에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 사용 된 광원은 예를 들어 분산 피드백(DFB) 레이저, 초 발광 다이오드(SLD), 발광 다이오드(LED), 다이오드 펌핑 고체(DPSS) 레이저, 레이저 다이오드(LD), 초 발광 조명 발광 다이오드(sLED), 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL), 티타늄 사파이어 레이저, 마이크로 발광 다이오드(mLED), 및/또는 기타 적절한 레이저 또는 광원과 같을 수 있다.
복수의 광 검출기에 포함된 각각의 광 검출기는 본 명세서에 설명된 임의의 광 검출기에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 복수의 광 검출기에 포함된 특정 광 검출기는 SPAD 및 커패시터를 포함할 수 있다. 커패시터는 SPAD가 해제 상태에 있는 동안 전압원으로 충전되도록 구성된다. 커패시터는 SPAD가 준비 상태에 있을 때 SPAD의 출력 노드에 바이어스 전압을 공급하도록 구성되어 SPAD 양단의 전압이 SPAD의 항복 전압보다 크도록 구성된다.
마스터 제어 유닛(2306)은 복수의 와이어(2312)를 통해 각각의 광 검출기 유닛(2304)에 통신 가능하게 결합된다. 일부 예에서, 와이어(2312)는 헤드 기어(2302)의 재료 내에서 광 검출기 유닛(2304)으로부터 마스터 제어 유닛(2306)으로 적어도 부분적으로 터널링된다. 일부 예에서, 각각의 광 검출기 유닛(2304)은 하나 이상의 와이어(2312)에 연결하도록 구성된 플러그 인터페이스를 포함한다.
마스터 제어 유닛(2306)은 광 검출기 유닛(2304)을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 마스터 제어 유닛(2306)은 각 광 검출기 유닛(2304)의 광 검출기에서 광의 광자를 검출하기 위해 각 광 검출기 유닛(2304)의 광원이 광을 생성하도록 할 수 있다. 이것은 본 명세서에 설명된 방법 중 하나로 수행될 수 있다.
도시된 바와 같이, 마스터 제어 유닛(2306)은 헤드 기어(2302) 내에 위치된다. 대안적인 실시예에서, 후술되는 바와 같이, 마스터 제어 유닛(2306)은 사용자(2310)의 머리에 그로부터 떨어져서 착용(worn off)되도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 마스터 제어 유닛(2306)은 선택적으로 헤드 기어(2302)로부터 제거될 수 있다.
전원(2308)은, 마스터 제어 유닛(2306), 광 검출기 유닛(2304) 및/또는 뇌 인터페이스 시스템(2300) 내에 포함된 임의의 다른 전자 부품에 작동 전력을 제공하도록 구성된 배터리 및/또는 임의의 다른 유형의 전원에 의해 구현될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전원(2308)은 마스터 제어 유닛(2306)의 대응하는 입력 전원 포트(2316)에 연결되도록 구성된 전원 케이블(2314)에 연결될 수 있다. 도 23의 예에서, 입력 전원 포트(2316)는 와이어(미도시)를 통해 마스터 제어 유닛(2306)에 연결된다. 대안적인 예에서, 입력 전원 포트(2316)는 마스터 제어 유닛(2306)에 직접 통합될 수 있다. 도 23의 예에서, 전원(2308)은 사용자(2310)의 머리에 그로부터 떨어져서 착용되도록 구성된다. 또는, 전원(2308)은 헤드 피스(2302)에 통합될 수 있다. 예를 들어, 전원(2308)은 사용자(2310)의 어깨 및/또는 허리에 착용되고, 사용자(2310)에 의해 착용된 벨트에 클립되고, 및/또는 그렇지 않으면 사용자(2310)에 의해 운반되도록 구성될 수 있다.
도 25는 다른 예시적인 뇌 인터페이스 시스템(2500)을 도시한다. 뇌 인터페이스 시스템(2300)과 같이, 뇌 인터페이스 시스템(2500)은 헤드 기어(2502) 및 헤드 기어(2502)에 선택적으로 부착된 복수의 광 검출기 유닛(2504)(예를 들어, 광 검출기 유닛(2504-1 내지 2504-4))을 포함한다. 그러나, 뇌 인터페이스 시스템(2500)에서, 마스터 제어 유닛 및 전원은 모두 사용자(2508)의 어깨에 착용되도록 구성된 독립형 유닛(2506)에 포함된다. 유닛(2506)에 포함된 마스터 제어 유닛 및 전원은 도 23과 관련하여 설명된 것과 동일한 기능을 수행하도록 구성된다. 그러나 마스터 제어 유닛 및 전원은 유닛(2506)에 포함되어 있기 때문에 도 25에 명시적으로 도시되어 있지 않다. .
도 26은 또 다른 예시적인 뇌 인터페이스 시스템(2600)을 도시한다. 뇌 인터페이스 시스템(2600)은 헤드 기어(2602), 헤드 기어(2602)에 선택적으로 부착된 복수의 광 검출기 유닛(예를 들어, 광 검출기 유닛(2604)), 및 헤드 기어(2602)에 포함된 마스터 제어 유닛(2606)을 포함한다는 점에서 뇌 인터페이스 시스템(2300)과 유사하다. 그러나, 도 26에서, 헤드 기어(2602)는 사용자(2608)가 착용하도록 구성된 비니에 의해 구현된다.
도 27은 또 다른 예시적인 뇌 인터페이스 시스템(2700)을 도시한다. 뇌 인터페이스 시스템(2700)에서, 헤드 기어(2702)는 사용자(2704)에 의해 착용되도록 구성된 헤드 밴드에 의해 구현된다. 뇌 인터페이스 시스템(2300)과 같이, 뇌 인터페이스 시스템(2700)은 헤드 기어(2702) 및 헤드 기어(2702)에 선택적으로 부착된 복수의 광 검출기 유닛(2704)을 포함한다. 복수의 광 검출기 유닛(예를 들어, 광 검출기 유닛(2706))은 전술한 바와 같이 헤드 기어(2702)에 선택적으로 부착된다. 뇌 인터페이스 시스템(2700)에서, 마스터 제어 유닛 및 전원은 사용자(2704)의 어깨에 착용하도록 구성된 독립형 유닛(2708)에 포함된다.
도 28은 본 명세서에 설명된 임의의 뇌 인터페이스 시스템에 포함될 수 있는 헤드 기어(2802)의 내부 표면을 도시한다. 헤드 기어(2802)는 사용자의 머리를 둘러싸도록(예를 들어, 합치하도록) 구성될 수 있다. 내부 표면은 사용자가 헤드 기어(2802)를 착용하는 동안 사용자의 머리를 향하도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 복수의 광 검출기 유닛(예를 들어, 광 검출기 유닛(2804))은 헤드 피스(2802)에 (예를 들어, 헤드 피스(2802)의 복수의 컷 아웃 내에 맞춰지고, 헤드 피스(2802)의 복수의 돌출부에 부착되고, 헤드 피스(2802)의 복수의 내장된 하우징 내에 둘러싸여 있는 등에 의해) 부착될 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 각 광 검출기 유닛은 빛을 사용자의 뇌로 향하도록 구성된 광원을 포함한다. 예를 들어, 광 검출기 유닛(2804)은 광원(2806)을 포함한다. 광원(2806)은 도시된 바와 같이 광 검출기 유닛(2804)의 일부이거나 그 내부에 포함될 수 있거나, 대안적으로 광원(2806)은 전기적 연결을 통해 광 검출기 유닛(2804)에 원격으로 위치되고 결합될 수 있다.
도 29는 또 다른 예시적인 뇌 인터페이스 시스템(2900)을 도시한다. 뇌 인터페이스 시스템(2900)은 사용자(2904)에 의해 착용되도록 구성된 헤드 기어(2902)를 포함하고 마스터 제어 유닛(2906) 및 복수의 광 검출기 유닛(도시되지 않음)을 포함한다. 마스터 제어 유닛(2906)은 전원 케이블(2910)을 통해 전원(2908)에 연결된다. 헤드 기어(2902)는 헤드 기어(2902)가 사용자(2904)의 머리를 둘러싸도록 구성된다는 점에서 헤드 기어(2802)와 유사하다.
도시된 바와 같이, 전원(2908)은 사용자(2904)가 착용할 수 있는 벨트(2912)에 부착될 수 있다. 이 구성에서, 전원(2908)은 사용자(2904)가 달리거나 이동하는 동안 사용자(2904)에 안전하게 부착된 채로 있다.
전술한 설명에서, 다양한 예시적인 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 명세서에 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있으며, 후속하는 청구 범위에 기재된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 추가 실시예가 구현될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 일 실시예의 특정 특징은 본 명세서에 설명된 다른 실시예의 특징과 결합되거나 대체될 수 있다. 따라서 설명 및 도면은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 의미로 간주되어야 한다.

Claims (29)

  1. 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템으로서,
    사용자의 머리에 착용되도록 구성된 헤드 기어;
    상기 헤드 기어에 제거 가능하게 부착되도록 구성된 복수의 독립형 광 검출기 유닛-상기 광 검출기 유닛 각각은 광자가 상기 사용자의 뇌 내의 표적으로부터 반사된 후의 광의 광자를 검출하도록 구성된 복수의 광 검출기를 포함함-; 및
    복수의 와이어를 통해 상기 각각의 광 검출기 유닛에 통신 가능하게 결합되고 상기 광 검출기 유닛을 제어하도록 구성된 마스터 제어 유닛-상기 마스터 제어 유닛은 상기 마스터 제어 유닛 및 상기 광 검출기 유닛을 위한 전원에서 전력을 공급하는 전원 케이블에 연결하도록 구성된 입력 전원 포트를 포함함-을 포함하는 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광을 생성하도록 구성된 광원을 더 포함하는 뇌 인터페이스 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 광원은 상기 각각의 광 검출기 유닛에 포함된 개별 광원을 포함하는 뇌 인터페이스 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 광원은 상기 마스터 제어 유닛에 포함되는 뇌 인터페이스 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 헤드 기어는 복수의 컷 아웃을 포함하고; 그리고
    상기 광 검출기 유닛은 상기 컷 아웃에 맞춰지도록 구성되는 뇌 인터페이스 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 복수의 컷 아웃에 포함된 각각의 컷 아웃은 상기 헤드 기어 내에 내장된 강성 링에 의해 둘러싸이고 상기 헤드 기어에 상기 광 검출기 유닛의 부착을 용이하게 하도록 구성되는 뇌 인터페이스 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 헤드 기어는 복수의 돌출부(protrusion)를 포함하고; 그리고
    상기 광 검출기 유닛은 상기 돌출부에 부착되도록 구성되는 뇌 인터페이스 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    각각의 상기 돌출부는 상기 헤드 기어에 상기 광 검출기 유닛을 부착하는 것을 용이하게 하도록 구성되는 강성 링을 포함하는 뇌 인터페이스 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 와이어는 상기 헤드 기어의 재료 내에서 상기 광 검출기 유닛으로부터 상기 마스터 제어 유닛으로 적어도 부분적으로 터널링되는 뇌 인터페이스 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 마스터 제어 유닛은 상기 헤드 기어 내에 위치하는 뇌 인터페이스 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 마스터 제어 유닛은 상기 사용자의 머리에 그로부터 떨어져서 착용되도록 구성되는 뇌 인터페이스 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원은 상기 사용자의 머리에 그로부터 떨어져서 착용되도록 구성되는 뇌 인터페이스 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 전원은 상기 사용자의 어깨 또는 상기 사용자의 허리에 착용되도록 구성되는 뇌 인터페이스 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 마스터 제어 유닛은 상기 각각의 광 검출기 유닛의 광 검출기가 상기 광의 광자를 검출하도록 함으로써 상기 광 검출기 유닛을 제어하는 뇌 인터페이스 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 헤드 기어는 캡, 비니, 헬멧, 또는 헤드 밴드로 구현되는 뇌 인터페이스 시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 광 검출기에 포함된 광 검출기는,
    단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD); 및
    상기 SPAD가 해제 상태(disarmed state)에 있는 동안, 전압원에 의해 바이어스 전압으로 충전되고, 그리고
    상기 SPAD가 준비 상태(armed state)에 있을 때, 상기 SPAD 양단의 전압이 상기 SPAD의 항복 전압보다 크도록 상기 바이어스 전압을 상기 SPAD의 출력 노드에 공급하도록 구성된
    커패시터;를 포함하는 뇌 인터페이스 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 전압원으로부터 분리된 동안 상기 SPAD의 출력 노드에 상기 바이어스 전압을 공급하는 뇌 인터페이스 시스템.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 광 검출기는,
    상기 SPAD의 입력 노드에 연결되고 상기 입력 노드에서 역방향 바이어스 전압을 공급하도록 구성된 추가 전압원-상기 역방향 바이어스 전압은 상기 SPAD의 항복 전압 이하의 크기를 가지고, 상기 전압원은 상기 커패시터에 선택적으로 연결하여 상기 커패시터를 상기 바이어스 전압으로 충전하도록 구성되고, 상기 바이어스 전압은 상기 추가 전압원에 의해 공급되는 상기 역방향 바이어스 전압의 크기보다 작은 크기를 갖는 초과 바이어스 전압임-;
    상기 커패시터가 상기 초과 바이어스 전압으로 충전되고 상기 커패시터가 상기 전압원으로부터 분리된 동안 상기 커패시터를 상기 SPAD의 출력 노드에 연결함으로써 상기 SPAD를 준비 상태로 만들도록 구성된 스위치 구성을 포함하고,
    상기 커패시터가 상기 SPAD의 출력 노드에 연결될 때, 상기 커패시터는 상기 SPAD의 출력 노드에 상기 초과 바이어스 전압을 공급하여 상기 SPAD 양단의 전압이 상기 항복 전압보다 크도록 하는, 뇌 인터페이스 시스템.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 SPAD의 출력 노드에 연결되고;
    상기 전압원은 상기 커패시터에 선택적으로 연결하여 상기 커패시터를 상기 바이어스 전압으로 충전하도록 구성되고, 상기 바이어스 전압은 상기 SPAD의 항복 전압 이하의 크기를 가지고; 그리고
    상기 광 검출기는,
    상기 바이어스 전압의 크기보다 작은 크기를 갖는 역방향 초과 바이어스 전압을 공급하도록 구성된 추가 전압원; 및
    상기 커패시터가 상기 바이어스 전압으로 충전되고 상기 전압원에서 분리된 동안, 상기 추가 전압원을 상기 SPAD의 입력 노드에 연결하여 상기 SPAD를 준비 상태로 만들도록 구성된 스위치 구성을 더 포함하도록 구성된 뇌 인터페이스 시스템.
  20. 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템으로서,
    사용자의 머리에 착용되도록 구성된 헤드 기어;
    상기 헤드 기어에 제거 가능하게 부착되도록 구성된 복수의 독립형 광 검출기 유닛-상기 광 검출기 유닛 각각은 광자가 상기 사용자의 뇌 내의 표적으로부터 반사된 후의 광의 광자를 검출하도록 구성된 복수의 광 검출기를 포함함-;
    상기 복수의 광 검출기에 포함된 광 검출기는,
    단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD); 및
    상기 SPAD가 해제 상태에 있는 동안, 전압원에 의해 바이어스 전압으로 충전되고, 그리고
    상기 SPAD가 준비 상태에 있을 때, 상기 SPAD 양단의 전압이 상기 SPAD의 항복 전압보다 크도록 상기 바이어스 전압을 상기 SPAD의 출력 노드에 공급하도록 구성된
    커패시터;를 포함하는 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 광을 생성하도록 구성된 광원을 더 포함하는 뇌 인터페이스 시스템.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 광원은 상기 각각의 광 검출기 유닛에 포함된 개별 광원을 포함하는 뇌 인터페이스 시스템.
  23. 청구항 20에 있어서,
    복수의 와이어를 통해 상기 각각의 광 검출기 유닛에 통신 가능하게 결합되고 상기 광 검출기 유닛을 제어하도록 구성된 마스터 제어 유닛-상기 마스터 제어 유닛은 상기 마스터 제어 유닛 및 상기 광 검출기 유닛을 위한 전원에서 전력을 공급하는 전원 케이블에 연결하도록 구성된 입력 전원 포트를 포함함-을 더 포함하는 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 마스터 제어 유닛은 광을 생성하도록 구성된 광원을 더 포함하는 뇌 인터페이스 시스템.
  25. 청구항 20에 있어서,
    상기 헤드 기어는 복수의 컷 아웃을 포함하고; 그리고
    상기 복수의 독립형 광 검출기 유닛은 상기 컷 아웃에 맞춰지도록 구성되는 뇌 인터페이스 시스템.
  26. 청구항 20에 있어서,
    상기 헤드 기어는 복수의 돌출부를 포함하고; 그리고
    상기 광 검출기 유닛은 상기 돌출부에 부착되도록 구성되는 뇌 인터페이스 시스템.
  27. 청구항 20에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 전압원으로부터 분리되는 동안 상기 SPAD의 출력 노드에 상기 바이어스 전압을 공급하는 뇌 인터페이스 시스템.
  28. 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템으로서,
    사용자의 머리에 착용되도록 구성된 헤드 기어-상기 헤드기어는 복수의 컷 아웃을 포함함-;
    상기 헤드 기어에 제거 가능하게 부착되고 상기 컷 아웃에 맞춰지도록 구성된 복수의 독립형 광 검출기 유닛-
    상기 각각의 광 검출기 유닛은,
    광을 생성하도록 구성된 광원, 및
    광자가 상기 사용자의 뇌 내의 표적으로부터 반사된 후의 광의 광자를 검출하도록 구성된 복수의 광 검출기를 포함함-;
    복수의 와이어를 통해 상기 각각의 광 검출기 유닛에 통신 가능하게 결합되고 상기 광 검출기 유닛을 제어하도록 구성된 마스터 제어 유닛; 및
    상기 사용자의 머리에 그로부터 떨어져서 착용되고,
    전원 케이블을 통해 상기 마스터 제어 유닛에 연결되고,
    상기 마스터 제어 유닛 및 상기 광 검출기 유닛을 위한 전력을 공급하도록 구성된,
    전원;을 포함하는 비 침습적 웨어러블 뇌 인터페이스 시스템.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 복수의 광 검출기에 포함된 광 검출기는,
    단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD); 및
    상기 SPAD가 해제 상태에 있는 동안, 전압원에 의해 바이어스 전압으로 충전되고, 그리고
    상기 SPAD가 준비 상태에 있을 때, 상기 SPAD 양단의 전압이 상기 SPAD의 항복 전압보다 크도록 상기 바이어스 전압을 상기 SPAD의 출력 노드에 공급하도록 구성된
    커패시터;를 포함하는 뇌 인터페이스 시스템.
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