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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-07-25
(54)【発明の名称】時間相関単一光子計数法向けの光検出器アーキテクチャ
(51)【国際特許分類】
H04N 5/369 20110101AFI20220715BHJP
G01S 7/483 20060101ALI20220715BHJP
A61B 10/00 20060101ALI20220715BHJP
【ＦＩ】
H04N5/369
G01S7/483
A61B10/00 E
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021566064
(86)(22)【出願日】2020-04-09
(85)【翻訳文提出日】2021-12-21
(86)【国際出願番号】 US2020027537
(87)【国際公開番号】W WO2020226840
(87)【国際公開日】2020-11-12
(31)【優先権主張番号】62/844,107
(32)【優先日】2019-05-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/880,025
(32)【優先日】2019-07-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520449150
【氏名又は名称】エイチアイ エルエルシー
【氏名又は名称原語表記】ＨＩ ＬＬＣ
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100217113
【弁理士】
【氏名又は名称】高坂 晶子
(72)【発明者】
【氏名】ライアン フィールド
(72)【発明者】
【氏名】ブルーノ ド ヴァーレ
(72)【発明者】
【氏名】ジェイコブ ダール
(72)【発明者】
【氏名】ロン ジン
(72)【発明者】
【氏名】セバスティアン ソルゲンフレイ
【テーマコード（参考）】
5C024
5J084
【Ｆターム（参考）】
5C024AX04
5C024GX02
5C024GY39
5C024GY45
5C024HX23
5C024HX52
5J084BA04
5J084BA36
5J084BA40
5J084BB01
5J084BB15
5J084BB31
5J084CA03
5J084CA32
(57)【要約】
例示的な光検出器システムは、並列に接続された複数の光検出器と、複数の光検出器に通信可能に接続されたプロセッサとを備える。プロセッサは、複数の光検出器からの蓄積出力を受信するように構成されている。蓄積出力は、ボディ内の標的に向けられた光パルスに応じて発生する所定の測定期間中、それぞれが光子を検出する複数の光検出器からの個々の出力の蓄積を表す。プロセッサは、蓄積出力に基づいて、複数の光検出器により検出された光子の時間的分布を判定し、光子の時間的分布に基づいて、ボディ内の標的の光パルス反応を表すヒストグラムを生成するように更に構成されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
並列に接続された複数の光検出器と、前記複数の光検出器に通信可能に接続されたプロセッサであって、
ボディ内の標的に向けられた光パルスに応じて発生する所定の測定期間中の蓄積出力であって、それぞれが光子を検出する前記複数の光検出器からの個々の出力の蓄積を表す蓄積出力を、前記複数の光検出器から受信し、
前記蓄積出力に基づいて、前記複数の光検出器により検出された光子の時間的分布を判定し、
前記光子の時間的分布に基づいて、前記ボディ内の前記標的の光パルス反応を表すヒストグラムを生成するように構成されたプロセッサと
を備えるシステム。
【請求項2】
前記プロセッサは、前記所定の測定期間の後に、前記複数の光検出器をリセットし、
前記複数の光検出器から、前記ボディ内の前記標的に向けられた追加的な光パルスに応じて発生する追加的な所定の測定期間中の追加的蓄積出力であって、それぞれが光子を検出する前記複数の光検出器からの個々の出力の追加的な蓄積を表す、追加的蓄積出力を受信し、
前記追加的蓄積出力に基づいて、前記複数の光検出器により検出された光子の追加的な時間的分布を判定するように更に構成されており、
前記ヒストグラムは、前記光子の追加的な時間的分布に更に基づいて生成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記ヒストグラムは、前記ボディ内の前記標的に向けられた前記光パルスおよび前記追加的な光パルスを含む複数の光パルスの個々の光パルスに応じてそれぞれ発生する前記所定の測定期間および前記追加的な所定の測定期間を含む複数の所定の測定期間について検出された光子の累積分布を表し、前記プロセッサは、前記累積分布に基づいて、前記ボディ内の前記標的の前記光パルス反応を更に表す時間点広がり関数を生成するように更に構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
前記プロセッサは、前記所定の測定期間中は前記複数の光検出器のリセットを行わないように更に構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項5】
前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力は、それぞれ、前記複数の光検出器に含まれる個々の光検出器が、前記光パルスの光子を、前記光パルスが前記標的で反射された後に検出するときの所定量の電流出力を含み、前記蓄積出力は、前記個々の出力の組み合わせに基づく複合電流を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記複数の光検出器と前記プロセッサとに接続されたアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と、前記蓄積出力の前記複合電流を出力電圧に変換するように構成された終端コンポーネントと
を更に備え、
前記複数の光検出器により検出された前記光子の時間的分布は、前記ＡＤＣに前記出力電圧をサンプリングさせることにより判定される、請求項５に記載のシステム。
【請求項7】
前記終端コンポーネントと並列に接続された複数のサンプリングブランチであって、それぞれがスイッチとコンデンサとを含む複数のサンプリングブランチを更に備え、前記複数のサンプリングブランチの前記スイッチは、サンプリングレートで連続して開放されるように構成されており、
前記出力電圧は、前記サンプリングブランチのそれぞれの前記コンデンサの電圧測定値を前記ＡＤＣに取得させることによりサンプリングされる、請求項６に記載のシステム。
【請求項8】
前記出力電圧は、前記ＡＤＣにより、前記所定の測定期間の第１の部分に対する第１のサンプリングレートで、および前記所定の測定期間の第２の部分に対する第２のサンプリングレートで、サンプリングされる、請求項６に記載のシステム。
【請求項9】
前記光パルスは、前記ボディ内の前記標的に向けられた複数の光パルスであって、特定のレートで印加された複数の光パルスのうちの１つであり、前記蓄積出力は、前記複数の光パルスの前記特定のレートよりも遅いサンプリングレートでサンプリングされる、請求項６に記載のシステム。
【請求項10】
前記サンプリングレートは、前記複数の光パルスの前記特定のレートと特定の遅延時間との組み合わせに基づいている、請求項９に記載のシステム。
【請求項11】
前記複数の光検出器からの前記個々の出力は、それぞれ、前記複数の光検出器に含まれる個々の光検出器が光子を検出したかどうかを示すデジタル信号を提供するように構成されており、前記個々の出力は、複数のＸＯＲゲートを含むＸＯＲツリーを使用して組み合わされており、
前記蓄積出力は、前記個々の出力に基づいて、論理状態をトグルで切り換えるように構成された複合信号を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項12】
前記複数の光検出器と前記プロセッサとに接続された時間デジタル変換器（ＴＤＣ）を更に備え、前記複数の光検出器により検出された前記光子の時間的分布は、前記複合信号を前記ＴＤＣにサンプリングさせることにより判定される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項13】
前記複数の光検出器と前記プロセッサとに接続された衝突検出回路を更に備え、前記プロセッサは、前記複数の光検出器の第１の光検出器により第１の光子が検出され、かつ前記複数の光検出器の第２の光検出器により、閾値量の時間内に、第２の光子が検出される衝突イベントを、前記衝突検出回路に検出させるように更に構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項14】
前記衝突検出回路は、前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力を組み合わせる複数のＯＲゲートを含むＯＲツリーを含み、前記衝突イベントの検出は、前記蓄積出力における変化に対応しない前記ＯＲツリーの出力における変化を、前記衝突検出回路に検出させることにより行われる、請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
前記衝突検出回路は、前記複数の光検出器のうち、前記所定の測定期間中に光子を検出した光検出器の台数を判定するように構成されており、前記衝突イベントは、前記所定の測定期間中の前記蓄積出力のトグルの数と、前記所定の測定期間中に光子を検出した光検出器の台数とを、前記衝突検出回路に比較させることにより検出される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項16】
前記ＸＯＲツリーは、複数のＸＯＲツリーの１つであり、前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力は、前記複数のＸＯＲツリーの少なくとも２つにおいて組み合わされ、
前記衝突イベントは、前記複数のＸＯＲツリーからの出力を前記衝突検出回路に比較させることにより検出される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項17】
前記複数の光検出器の各光検出器は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）と、
前記ＳＰＡＤを作動（arm）させ、および解除（disarm）するように構成された高速ゲート回路と
を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項18】
前記複数の光検出器を収容した非侵襲的ウェアラブルデバイスを更に備える、請求項１７に記載のシステム。
【請求項19】
前記光パルスを生成するように構成された光源を更に備え、前記光源は、前記非侵襲的ウェアラブルデバイスに収容されている、請求項１８に記載のシステム。
【請求項20】
前記非侵襲的ウェアラブルデバイスは、ユーザの頭部に装着されるように構成されており、前記ボディ内の前記標的は、前記ユーザの脳内の領域を含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項21】
前記プロセッサは、前記ヒストグラムに基づいて前記ユーザの前記脳内の神経活動を判定するように更に構成されている、請求項２０に記載のシステム。
【請求項22】
複数の光検出器であって、前記複数の光検出器の各光検出器が、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）と、
前記ＳＰＡＤを作動させる、および解除するように構成される高速ゲート回路と、
を備え、
前記各光検出器は、光パルスがボディ内の標的から反射された後の所定の測定期間中、前記光検出器が前記光パルスの光子を検出するときの所定量の電流を含む出力を提供するように構成されており、
前記複数の光検出器は、並列に接続されて、前記複数の光検出器の各光検出器からの前記出力の個々の組み合わせである蓄積電流を供給する、複数の光検出器と、
前記複数の光検出器に接続されたアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
前記蓄積電流を出力電圧に変換するように構成された終端コンポーネントと、
前記複数の光検出器と前記ＡＤＣとに通信可能に接続されたプロセッサであって、
前記ＡＤＣに前記出力電圧をサンプリングさせ、
前記サンプリングされた出力電圧に基づいて、前記複数の光検出器により検出された光子の時間的分布を判定し、
前記光子の時間的分布に基づいて、前記ボディ内の前記標的の光パルス反応を表すヒストグラムを生成するように構成されているプロセッサと
を備えるシステム。
【請求項23】
前記プロセッサは、前記所定の測定期間の後に、前記複数の光検出器をリセットし、
前記複数の光検出器から、前記ボディ内の前記標的に向けられた追加的な光パルスに応じて発生する追加的な所定の測定期間中の追加的蓄積出力であって、それぞれが光子を検出する前記複数の光検出器からの個々の出力の追加的な蓄積を表す、追加的蓄積出力を受信し、
前記追加的蓄積出力に基づいて、前記複数の光検出器により検出された光子の追加的な時間的分布を判定するように更に構成されており、
前記ヒストグラムは、前記光子の追加的な時間的分布に更に基づいて生成される、請求項２２に記載のシステム。
【請求項24】
前記ヒストグラムは、前記ボディ内の前記標的に向けられた前記光パルスおよび前記追加的な光パルスを含む複数の光パルスの個々の光パルスに応じてそれぞれ発生する前記所定の測定期間および前記追加的な所定の測定期間を含む複数の所定の測定期間について検出された光子の累積分布を表し、前記プロセッサは、前記累積分布に基づいて、前記ボディ内の前記標的の前記光パルス反応を更に表す時間点広がり関数を生成するように更に構成されている、請求項２３に記載のシステム。
【請求項25】
前記プロセッサは、前記所定の測定期間中は前記複数の光検出器のリセットを行わないように更に構成されている、請求項２２に記載のシステム。
【請求項26】
前記終端コンポーネントと並列に接続された複数のサンプリングブランチであって、それぞれがスイッチとコンデンサとを含む複数のサンプリングブランチを更に備え、前記複数のサンプリングブランチの前記スイッチは、サンプリングレートで連続して開放されるように構成されており、
前記出力電圧は、前記サンプリングブランチのそれぞれの前記コンデンサの電圧測定値を前記ＡＤＣに取得させることによりサンプリングされる、請求項２２に記載のシステム。
【請求項27】
前記出力電圧は、前記ＡＤＣにより、前記所定の測定期間の第１の部分に対する第１のサンプリングレートで、および前記所定の測定期間の第２の部分に対する第２のサンプリングレートで、サンプリングされる、請求項２２に記載のシステム。
【請求項28】
前記光パルスは、前記ボディ内の前記標的に向けられた複数の光パルスであって、特定のレートで印加された複数の光パルスのうちの１つであり、前記蓄積出力は、前記複数の光パルスの前記特定のレートよりも遅いサンプリングレートでサンプリングされる、請求項２２に記載のシステム。
【請求項29】
前記サンプリングレートは、前記複数の光パルスの前記特定のレートと特定の遅延時間との組み合わせに基づいている、請求項２８に記載のシステム。
【請求項30】
前記複数の光検出器を収容した非侵襲的ウェアラブルデバイスを更に備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項31】
前記光パルスを生成するように構成された光源を更に備え、前記光源は、前記非侵襲的ウェアラブルデバイスに収容されている、請求項３０に記載のシステム。
【請求項32】
前記非侵襲的ウェアラブルデバイスは、ユーザの頭部に装着されるように構成されており、前記ボディ内の前記標的は、前記ユーザの脳内の領域を含む、請求項３０に記載のシステム。
【請求項33】
前記プロセッサは、前記ヒストグラムに基づいて前記ユーザの前記脳内の神経活動を判定するように更に構成されている、請求項３２に記載のシステム。
【請求項34】
複数の光検出器であって、前記複数の光検出器の各光検出器が、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）と、
前記ＳＰＡＤを作動させる、および解除するように構成される高速ゲート回路と
光パルスがボディ内の標的から反射した後の所定の測定期間中、前記複数の光検出器に含まれる個々の光検出器が前記光パルスの光子を検出したかどうかを示すデジタル信号を含む出力を提供するように構成されている各光検出器とを備える、複数の光検出器と、
前記複数の光検出器の前記各光検出器の前記個々の出力を組み合わせて、前記個々の出力に基づいてトグルするように構成された複合信号を提供する複数のＸＯＲゲートを備えるＸＯＲツリーと、
前記複数の光検出器に接続された時間デジタル変換器（ＴＤＣ）と、
前記複数の光検出器と前記ＴＤＣとに通信可能に接続されたプロセッサであって、
前記ＴＤＣに前記複合信号をサンプリングさせ、
前記サンプリングされた複合信号に基づき、前記複数の光検出器により検出された光子の時間的分布を判定し、
前記光子の時間的分布に基づき、前記ボディ内の前記標的の光パルス反応を表すヒストグラムを生成するように構成されたプロセッサと
を備えるシステム。
【請求項35】
前記プロセッサは、前記所定の測定期間の後に、前記複数の光検出器をリセットし、
前記複数の光検出器から、前記ボディ内の前記標的に向けられた追加的な光パルスに応じて発生する追加的な所定の測定期間中の追加的蓄積出力であって、それぞれが光子を検出する前記複数の光検出器からの個々の出力の追加的な蓄積を表す、追加的蓄積出力を受信し、
前記追加的蓄積出力に基づいて、前記複数の光検出器により検出された光子の追加的な時間的分布を判定するように更に構成されており、
前記ヒストグラムは、前記光子の追加的な時間的分布に更に基づいて生成される、請求項３４に記載のシステム。
【請求項36】
前記ヒストグラムは、前記ボディ内の前記標的に向けられた前記光パルスおよび前記追加的な光パルスを含む複数の光パルスの個々の光パルスに応じてそれぞれ発生する前記所定の測定期間および前記追加的な所定の測定期間を含む複数の所定の測定期間について検出された光子の累積分布を表し、前記プロセッサは、前記累積分布に基づいて、前記ボディ内の前記標的の前記光パルス反応を更に表す時間点広がり関数を生成するように更に構成されている、請求項３５に記載のシステム。
【請求項37】
前記プロセッサは、前記所定の測定期間中は前記複数の光検出器のリセットを行わないように更に構成されている、請求項３４に記載のシステム。
【請求項38】
前記複数の光検出器と前記プロセッサとに接続された衝突検出回路を更に備え、前記プロセッサは、第１の光子が前記複数の光検出器の第１の光検出器により検出され、第２の光子が閾値の時間内に前記複数の光検出器の第２の光検出器により検出される衝突イベントを、前記衝突検出回路に検出させるように更に構成されている、請求項３４に記載のシステム。
【請求項39】
前記衝突検出回路は、前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力を組み合わせる複数のＯＲゲートを含むＯＲツリーを含み、前記衝突イベントの検出は、前記蓄積出力における変化に対応しない前記ＯＲツリーの出力における変化を、前記衝突検出回路に検出させることにより行われる、請求項３８に記載のシステム。
【請求項40】
前記衝突検出回路は、前記複数の光検出器のうち、前記所定の測定期間中に光子を検出した光検出器の台数を判定するように構成されており、前記衝突イベントは、前記所定の測定期間中の前記蓄積出力のトグルの数と、前記所定の測定期間中に光子を検出した光検出器の台数とを前記衝突検出回路により比較することに検出させることにより行われる、請求項３８に記載のシステム。
【請求項41】
前記ＸＯＲツリーは、複数のＸＯＲツリーの１つであり、前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力は、前記複数のＸＯＲツリーの少なくとも２つにおいて組み合わされ、
前記衝突イベントは、前記複数のＸＯＲツリーからの出力を前記衝突検出回路により比較することにより検出される、請求項３８に記載のシステム。
【請求項42】
前記複数の光検出器を収容している非侵襲的ウェアラブルデバイスを更に備える、請求項３４に記載のシステム。
【請求項43】
前記光パルスを生成するように構成された光源を更に備え、前記光源は、前記非侵襲的ウェアラブルデバイスに収容される、請求項４２に記載のシステム。
【請求項44】
前記非侵襲的ウェアラブルデバイスは、ユーザの頭部に装着されるように構成されており、前記ボディ内の前記標的は、前記ユーザの脳内の領域を含む、請求項４２に記載のシステム。
【請求項45】
前記プロセッサは、前記ヒストグラムに基づいて前記ユーザの前記脳内の神経活動を判定するように更に構成されている、請求項４４に記載のシステム。
【請求項46】
並列に接続された複数の光検出器から、ボディ内の標的に向けられた光パルスに応じて発生する所定の測定期間中の蓄積出力であって、それぞれが光子を検出する前記複数の光検出器からの個々の出力の蓄積を表す蓄積出力を、プロセッサにより受信することと、前記蓄積出力に基づいて、前記複数の光検出器により検出された光子の時間的分布を、前記プロセッサにより判定することと、
前記光子の時間的分布に基づいて、前記ボディ内の前記標的の光パルス反応を表すヒストグラムを、前記プロセッサにより生成することと
を含む方法。
【請求項47】
前記プロセッサにより、前記所定の測定期間の後に、前記複数の光検出器をリセットすることと、前記プロセッサにより、前記複数の光検出器から、前記ボディ内の前記標的に向けられた追加的な光パルスに応じて発生する追加的な所定の測定期間中の追加的蓄積出力であって、それぞれが光子を検出する前記複数の光検出器からの個々の出力の追加的な蓄積を表す、追加的蓄積出力を受信することと、
前記プロセッサにより、前記追加的蓄積出力に基づいて、前記複数の光検出器により検出された光子の追加的な時間的分布を判定することと
を更に含み、
前記ヒストグラムを生成することは、前記光子の追加的な時間的分布に基づいて生成することを更に含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項48】
前記ヒストグラムは、前記ボディ内の前記標的に向けられた前記光パルスおよび前記追加的な光パルスを含む複数の光パルスの個々の光パルスに応じてそれぞれ発生する前記所定の測定期間および前記追加的な所定の測定期間を含む複数の所定の測定期間について検出された光子の累積分布を表し、前記方法は、前記累積分布に基づいて、前記ボディ内の前記標的の前記光パルス反応を更に表す時間点広がり関数を、前記プロセッサにより生成することを更に含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項49】
前記所定の測定期間中は前記複数の光検出器のリセットを前記プロセッサにより行わないことを更に含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項50】
前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力は、それぞれ、前記複数の光検出器に含まれる個々の光検出器が、前記光パルスの光子を、前記光パルスが前記標的で反射された後に検出するときの所定量の電流出力を含み、前記蓄積出力は、前記個々の出力の組み合わせに基づく複合電流を含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項51】
前記複数の光検出器により検出された前記光子の時間的分布を判定することは、前記複数の光検出器と前記プロセッサとに接続されたアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）に前記出力電圧をサンプリングさせることを含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項52】
前記終端コンポーネントと並列に接続された複数のサンプリングブランチであって、それぞれがスイッチとコンデンサとを含む複数のサンプリングブランチを、それぞれ、前記プロセッサにより、サンプリングレートで連続して切り換えさせることを更に含み、前記ＡＤＣにより前記出力電圧をサンプリングすることは、前記サンプリングブランチのそれぞれの前記コンデンサの電圧測定を前記ＡＤＣに取得させることを含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項53】
前記ＡＤＣにより前記出力電圧をサンプリングすることは、前記ＡＤＣに前記所定の測定期間の第１の部分に対する第１のサンプリングレートで、および前記所定の測定期間の第２の部分に対する第２のサンプリングレートで、前記出力電圧をサンプリングさせることを含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項54】
前記光パルスは、前記ボディ内の前記標的に向けられた複数の光パルスであって、特定のレートで印加された複数の光パルスのうちの１つであり、前記蓄積出力をサンプリングすることは、前記複数の光パルスの前記特定のレートよりも遅いサンプリングレートで前記出力電圧をサンプリングすることを含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項55】
前記サンプリングレートは、前記複数の光パルスの前記特定のレートと、特定の遅延時間との組み合わせに基づいている、請求項５４に記載の方法。
【請求項56】
前記複数の光検出器からの前記個々の出力は、それぞれ、前記複数の光検出器に含まれる個々の光検出器が光子を検出したかどうかを示すデジタル信号を提供するように構成されており、前記個々の出力は、複数のＸＯＲゲートを含むＸＯＲツリーを使用して組み合わされており、
前記蓄積出力は、前記個々の出力に基づいて、論理状態をトグルで切り換えるように構成された複合信号を含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項57】
前記複数の光検出器により検出された前記光子の時間的分布を判定することは、前記複数の光検出器と前記プロセッサとに接続された時間デジタル変換器（ＴＤＣ）により前記複合信号をサンプリングすることを含む、請求項５６に記載の方法。
【請求項58】
前記プロセッサにより、前記複数の光検出器の第１の光検出器により第１の光子が検出され、かつ前記複数の光検出器の第２の光検出器により、閾値の時間内に、第２の光子が検出される衝突イベントを、前記複数の光検出器と前記プロセッサとに接続された衝突検出回路に検出させることを更に含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項59】
前記衝突検出回路は、前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力を組み合わせる複数のＯＲゲートを含むＯＲツリーを含み、前記衝突検出回路に前記衝突イベントを検出させることは、前記蓄積出力における変化に対応しない前記ＯＲツリーの出力における変化を検出させることを含む、請求項５８に記載の方法。
【請求項60】
前記衝突検出回路は、前記複数の光検出器のうち、前記所定の測定期間中に光子を検出した光検出器の台数を判定するように構成されており、前記衝突検出回路に前記衝突イベントを検出させることは、前記所定の測定期間中の前記蓄積出力のトグルの数と、前記所定の測定期間中に光子を検出した光検出器の台数とを比較することを含む、請求項５８に記載の方法。
【請求項61】
前記ＸＯＲツリーは、複数のＸＯＲツリーの１つであり、前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力は、前記複数のＸＯＲツリーの少なくとも２つにおいて組み合わされ、
前記衝突検出回路に前記衝突イベントを検出させることは、前記複数のＸＯＲツリーからの出力を比較することを含む、請求項５８に記載の方法。
【請求項62】
前記プロセッサにより、前記ヒストグラムに基づいて前記ユーザの前記脳内の神経活動を判定することを更に含む、請求項４６に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【0001】
本出願は、２０１９年７月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／８８０，０２５号および２０１９年５月６日に出願された米国仮特許出願第６２／８４４，１０７号の優先権を主張するものである。これらの出願は、参照により、その全体を本明細書に援用る。
【背景技術】
【0002】
脳内の神経活動を検知することは、医療診断、撮像、神経工学、ブレイン・コンピュータ・インターフェース連携、および他の様々な診断およびコンシューマ関連用途において有用である。例えば、血液灌流の減少、出血、または任意の他の種類の損傷により脳の特定の領域が影響を受けたかどうかを判定する際に、患者の脳内の神経活動を検出することが望まれる場合がある。別の例として、ユーザの脳内の神経活動を検出し、検出された神経活動をコンピュータ的にデコードして、（例えば、コンピュータ画面上のカーソルを制御し、テレビのチャンネルを変更し、またはライトを点灯する等による）様々な種類の家電製品の制御に使用可能なコマンドとすることが望まれる場合がある。
【0003】
脳の神経活動その他の特性は、脳内の組織の光パルスに対する反応を測定することにより判定または推測することができる。そのような反応を測定する１つの手法に、時間相関単一光子計数法（ＴＣＳＰＣ）がある。時間相関単一光子計数法は、単一光子を検出し、基準信号（例えば、光源）に対する光子の到達時刻を測定する。ＴＣＳＰＣは、光パルスを繰り返すことにより、十分な数の光子イベントを蓄積して、検出された光子の分布を表すヒストグラムを統計的に判定することができる。光子分布のヒストグラムに基づいて光パルスへの組織の反応を判定し、脳の神経活動その他の特性を判定することもできる。
【0004】
単一光子を検出可能な光検出器は、脳内の神経活動を検出するために使用可能な非侵襲的な検出器の一例である。光検出器を使用して単一光子を検出し、ＴＣＳＰＣを実行することができる。しかしながら、単一光子を繰り返し検出することは難しい場合がある。なぜなら、従来の光検出器は、多くの場合、検出速度を低下させうるデッドタイムを有するからである。さらに、複数の光検出器を使用すると、当該システムの動作により多くの資源が必要となる場合がある。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【図1】本明細書に記載の原理によるＴＣＳＰＣ向けの光検出器システムの例示的な構成を示す図である。
【図2】本明細書に記載の原理による光検出器アーキテクチャを使用するＴＣＳＰＣにおける例示的なタイミング図である。
【図3】本明細書に記載の原理による光検出器アーキテクチャを使用するＴＣＳＰＣにおける例示的なヒストグラムを示す図である。
【図4】本明細書に記載の原理による光検出器アーキテクチャを使用するＴＣＳＰＣにおける例示的なヒストグラムを示す図である。
【図5】本明細書に記載の原理によるＴＣＳＰＣ向けの光検出器システムの例示的な光検出器配列を示す図である。
【図6】本明細書に記載の原理による光検出器アーキテクチャを使用するＴＣＳＰＣにおける例示的な出力図である。
【図7】本明細書に記載の原理によるＴＣＳＰＣ向けの光検出器システムの例示的なサンプリング回路を示す図である。
【図8】本明細書に記載の原理による光検出器アーキテクチャを使用するＴＣＳＰＣにおける例示的なサンプリングタイミング図である。
【図9】本明細書に記載の原理による光検出器アーキテクチャを使用するＴＣＳＰＣにおける例示的なサンプリング図である。
【図10】本明細書に記載の原理によるＴＣＳＰＣ向けの光検出器システムの例示的な光検出器配列を示す図である。
【図11】本明細書に記載の原理によるＴＣＳＰＣ向けの光検出器システムの例示的な出力図である。
【図12】本明細書に記載の原理によるＴＣＳＰＣ向けの光検出器システムの例示的な衝突検出回路を示す図である。
【図13】本明細書に記載の原理によるＴＣＳＰＣ向けの光検出器システムの例示的な光検出器を示す図である。
【図14A】明細書に記載の原理によるＴＣＳＰＣ向けの例示的な光検出器システムを示す図である。
【図14B】明細書に記載の原理によるＴＣＳＰＣ向けの光検出器システムを含む例示的なウェアラブルデバイスを示す図である。
【図15】本明細書に記載の原理による例示的な方法を示す図である。
【図16】本明細書に記載の原理による例示的なコンピュータデバイスを示す図である。
【0006】
添付の図面は、様々な実施形態を示しており、本明細書の一部である。図示された実施形態は単なる例示であり、本開示の範囲を限定するものではない。図面全体を通して、同一または類似の参照番号は、同一または類似の要素を指定している。
【詳細な説明】
【0007】
本明細書には、時間相関単一光子計数法（ＴＣＳＰＣ）向けの光検出器システムが記載される。本明細書に記載の光検出器システムは、それぞれ、並列に接続された複数の光検出器と、複数の光検出器に通信可能に接続されたプロセッサとを備える。プロセッサは、複数の光検出器からの蓄積出力を受信するように構成されている。蓄積出力は、ボディ内の標的に向けられた光パルスに応じて発生する所定の測定期間中、それぞれが光子を検出する複数の光検出器からの個々の出力の蓄積を表す。プロセッサは、蓄積出力に基づいて、複数の光検出器により検出された光子の時間的分布を判定し、光子の時間的分布に基づいて、ボディ内の標的の光パルス反応を表すヒストグラムを生成するように更に構成されている。
【0008】
本明細書に記載の光検出器システムを使用して、所定の測定期間中、光検出器のリセットを行わずに複数の光検出器からの個々の出力を蓄積することにより、ＴＣＳＰＣを実行してもよい。例えば、光検出器により光子が検出されると、所定の測定期間中、光検出器の出力が（例えば、リセットされずに）維持されてもよい。光検出器の出力を維持することにより、個々の出力を蓄積し、光検出器ごとに最小数のアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）または時間デジタル変換器（ＴＤＣ）を使用して検出された光子をカウントすることができる。加えて、いくつかの実装例においては、サンプリングレートが比較的遅いＡＤＣを使用して、蓄積された信号をサンプリングし、光子をカウントしてもよい。そのようなアーキテクチャによれば、光検出器システムは、電力消費およびシステムエリア等の資源を節約しながら、および／または従来の光検出器システムと比較して光子検出の効率を高めて、ＴＣＳＰＣを実行することが可能となる。本明細書に記載のシステムおよび方法により提供されうるこれらのおよび他の利点および／または優位点は、以下の詳細な説明により明らかになるであろう。
【0009】
図１は、ＴＣＳＰＣを実行するように構成した光検出器システム１０２の例示的な構成１００を示す。図示されるように、光検出器システム１０２は、複数の個別的な光検出器（例えば、光検出器１０６）を備える光検出器配列１０４と、光検出器配列１０４に接続されたプロセッサ１０８とを備える。構成１００に含まれる他のコンポーネント（例えば、光源１１０、制御ユニット１１２、および光ファイバ１１４および１１６）は、図１の光検出器システム１０２に含まれるものとしては図示されていない。しかしながら、実施形態によっては、これらのコンポーネントの１つまたは複数のコンポーネントを光検出器システム１０２の一部と考えてもよい。
【0010】
光検出器１０６は、それぞれ、光検出器１０６に入射する光の各光子を個別に検出するように構成された任意の好適な回路により実装することができる。例えば、各光検出器１０６は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）回路により実装することができる。各光検出器１０６は、クエンチ回路、リセット回路、および／または高速ゲート回路を含みうる制御回路を備えてもよい。
【0011】
プロセッサ１０８は、１つまたは複数の物理処理（例えば、コンピューティング）デバイスにより実装されてもよい。いくつかの例において、プロセッサ１０８は、本明細書に記載の各動作の１つまたは複数の動作を実行するように構成されたソフトウェアを実行してもよい。
【0012】
光源１１０は、所定の中心波長において高コヒーレンス光（例えば、少なくとも５センチメートルのコヒーレンス長を有する光）を生成および出射するように構成された任意の好適なコンポーネントより実装されてもよい。例えば、光源１１０は、高コヒーレンス半導体レーザにより実装されてもよい。
【0013】
光源１１０は、制御ユニット１１２により制御される。制御ユニット１１２は、任意の好適なコンピュータデバイス（例えば、プロセッサ１０８）、集積回路、および／または、特定の実装に対応しうるハードウェアおよび／またはソフトウェアの組み合わせにより実装されうる。いくつかの例において、制御ユニット１１２は、光源１１０をオンまたはオフすることにより、および／または光源１１０により生成される光の強度を設定することにより、光源１１０を制御するように構成される。制御ユニット１１２は、ユーザにより手動で操作されてもよく、または光源１１０を自動的に制御するようにプログラムされていてもよい。
【0014】
光源１１０が出射する光は、光ファイバ１１４（例えば、単一モードファイバまたは多モードファイバ）を経由して被検体のボディ１１８まで進行する。いくつかの実装例において、ボディ１１８は、人間または他の動物の頭部または任意の他の身体部分である。あるいは、ボディ１１８は、無生物であってもよい。一例として、本明細書に記載の各例において、ボディ１１８は人間の頭部であると仮定する。
【0015】
矢印１２０で示すように、光源１１０により出射された光は、ボディ１１８上の第１の位置１２２においてボディ１１８に入射する。この目的のため、ファイバ１１４の先端は、第１の位置１２２に（例えば、第１の位置１２２のすぐ上または第１の位置１２２に物理的に付着して）（例えば、被検体の頭皮に）位置してもよい。いくつかの例において、光をファイバ１１４から出射させ、ボディ１１８上で一定のスポットサイズに拡散し、所定の安全性限界内に収まるようにしてもよい。
【0016】
図示されるように、光ファイバ１１６（例えば、多モード光ファイバ）の近位端は、出力位置１２６に（例えば、出力位置１２６のすぐ上または出力位置１２６に物理的に取り付けられして）位置する。このようにして、光ファイバ１１６は、出力位置１２６において、ボディ１２４から出射する光を収集し、収集された光を光検出器配列１０４まで伝搬してもよい。光は、光検出器配列１０４が備える各光検出器１０６に光を向ける１つまたは複数のレンズおよび／または他の光学素子（図示せず）を透過してもよい。
【0017】
光検出器１０６は、光検出器配列１０４内で並列に接続されてよい。各光検出器１０６の出力は蓄積され、光検出器配列１０４の蓄積出力を生成してよい。プロセッサ１０８は、蓄積出力を受信し、蓄積出力に基づいて、光検出器１０６により検出された光子の時間的分布を判定してよい。そして、プロセッサ１０８は、時間的分布に基づき、ボディ１１８内の標的の光パルス反応を表すヒストグラムを生成してもよい。本明細書において、蓄積された出力の例示的な実施形態を記載する。
【0018】
図２は、光検出器システム１０２などの光検出器システムを使用してＴＣＳＰＣを実行するための例示的なタイミング図２００を示す。光検出器システム１０２は、光パルス（例えば、レーザパルス）をボディ（例えば、ボディ１１８）内の標的に向けることによりＴＣＳＰＣを実行するように構成されてもよい。光パルスを短く（例えば、１０～２０００ピコ秒（ｐｓ））して、高周波（例えば、１００，０００ヘルツ（Ｈｚ）から１００メガヘルツ（ＭＨｚ）の間）で繰り返してもよい。光パルスは、標的で反射され、光検出器システム１０２により検出されてもよい。光検出器システム１０２は、検出された光子のそれぞれについて、光パルスに対する時間を測定してもよい。複数の光パルスを通して繰り返された各光パルスに対して検出された光子の数を都度カウントすることにより、光検出器システム１０２は、標的の光パルス反応を表すヒストグラムを生成することができる。
【0019】
例えば、タイミング図２００に、（例えば、ユーザの脳内の組織、ユーザのボディ内でプローブとして使用される蛍光体等の）標的に印加されうる一連の光パルス２０２（例えば、光パルス２０２－１および２０２－２）を示す。タイミング図２００は、また、所定の測定期間を表すパルス波２０４を示す。光検出器は、当該所定の測定期間中に光子を検出するように構成されている。光パルス２０２－１を参照すると、光パルス２０２－１は、時刻ｔ０に印加される。時刻ｔ１において、所定の測定期間の第１のインスタンスが開始する。光検出器を時刻ｔ１において作動（arm）して、所定の測定期間中、標的で反射される光子を光検出器により検出可能としてもよい。本例において、時刻ｔ１を、時刻ｔ０の後のある時刻に設定することにより、レーザパルスが標的に到達する前に、レーザパルスから直接検出された光子を最小化することができる。しかしながら、いくつかの代替例において、時刻ｔ１は、時刻ｔ０と同時刻に設定される。
【0020】
時刻ｔ２において、所定の測定期間が終了する。いくつかの例において、光検出器は、時刻ｔ２において解除（disarm）されてもよい。他の例において、光検出器は、時刻ｔ２において、または時刻ｔ２の後の時間においてリセットされ（例えば、解除（disarm）および再作動（re-arm）され）てもよい。所定の測定期間中、光検出器は、標的で反射される光子を検出してもよい。光検出器は、所定の測定期間中ずっと作動されて、光検出器が所定の測定期間中、光子を検出する際の出力を維持するように構成されてもよい。例えば、光検出器は、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の所定の測定期間中の時刻である時刻ｔ３において光子を検出してもよい。光検出器は、光検出器が光子を検出したことを示す出力を提供するように構成されてもよい。光検出器は、光検出器が解除および／またはリセットされうる時刻である時刻ｔ２まで、継続して出力を提供するように構成されてもよい。各光検出器の出力を維持することにより、光検出器システム１０２は、複数の光検出器からの蓄積出力を生成してもよい。光検出器システム１０２は、生成された蓄積出力をサンプリングして、光子が複数の光検出器により検出されてヒストグラムが生成される時刻を判定してもよい。
【0021】
図３に、ＴＣＳＰＣを実行している光検出器システム（例えば、光検出器システム１０２）により生成されうる例示的なヒストグラム３００を示す。具体的には、ヒストグラム３００は、複数のレーザパルス（例えば、５０，０００から２，０００，０００）を通して検出された光子の累積分布を示す累積分布関数（ＣＤＦ）である。ヒストグラム３００は、ｙ軸３０２に光子数を、ｘ軸３０４にタイムビンを示す。分布曲線３０６には、複数のレーザパルスを通して、対応するタイムビンにより検出された光子の累積数がプロットされている。タイムビンは、ナノ秒、ピコ秒、または任意の好適な所望のステップ数の採番に正規化された任意の所定の測定期間に対応させることができる。このヒストグラム３００の例において、分布曲線３０６は、時刻０から時刻２．５頃までは、わずかな数の光子しか検出されないことを示す。分布曲線３０６は、更に、およそ時刻２．５頃と時刻４との間に、標的から検出される実質的に全ての光子が検出されたことを示している。ここで、分布曲線３０６の各ポイントは、複数の光パルスを通して、そのポイントに対応する時点までにカウントされた光子の数を示している。
【0022】
図４に、ＴＣＳＰＣを実行している光検出器システム（例えば、光検出器システム１０２）により生成されうる別の例示的なヒストグラム４００を示す。具体的には、ヒストグラム４００は、ボディ（例えば、ボディ１１８）内の標的の光パルス反応を表す時間点広がり関数（ＴＰＳＦ）である。ヒストグラム４００は、ｙ軸４０２に光子の正規化されたカウントを、ｘ軸４０４にタイムビンを示す。ヒストグラム４００は、第１のＴＰＳＦ曲線４０６（ヒストグラム４００に実線で図示）、第２のＴＰＳＦ曲線４０８（ヒストグラム４００に破線で図示）、および第３のＴＰＳＦ曲線４１０（ヒストグラム４００に点線で図示）を含む。本例において、第１のＴＰＳＦ曲線４０６は、複数のレーザパルスを通して光検出器システム１０２により検出された光子カウントから判定される時間点広がり関数を示す。第１のＴＰＳＦ曲線４０６は、タイムビンごとに、そのタイムビン内で検出された光子の正規化された数を示す。第２のＴＰＳＦ曲線４０８は、分布曲線３０６により表される累積分布関数の導関数をとって、ヒストグラム３００に基づいて判定された時間点広がり関数を示す。各タイムビン内で検出される光子の数が累積され（すなわち、統合され）、累積分布関数が生成されるのとは対照的に、時間点広がり関数は、ＣＤＦを導出することにより判定してもよい。第３のＴＰＳＦ曲線４１０は、理想時間点広がり関数を示す。図示されるように、第１のＴＰＳＦ曲線４０６および第２のＴＰＳＦ曲線４０８は、いずれも、第３のＴＳＰＦ曲線４１０により示される理想ＴＰＳＦ曲線の実質的に近似する。各ＴＰＳＦ曲線の近似度により、光検出器システム１０２によりＴＣＳＰＣを使用してＴＰＳＦ曲線を判定する両方法の有効性を示すことができる。
【0023】
図５に、（例えば、光検出器配列１０４の実装例である）光検出器配列５０２の例示的な構成５００を示す。光検出器配列５０２は、ＴＣＳＰＣ向けの光検出器システムの例示的なアナログ実装の一部とすることができる。光検出器配列５０２は、並列に接続された複数の光検出器５０４（光検出器５０４－１から５０４－Ｎ）を備える。構成５００において、光検出器５０４は、それぞれ、ＳＰＡＤ５０６およびＳＰＡＤ回路５０８を備える。例えば、光検出器５０４－１は、ＳＰＡＤ５０６－１およびＳＰＡＤ回路５０８－１を備える。
【0024】
ＳＰＡＤ５０６－１は、単一光子を検出するように構成された任意の好適な単一光子アバランシェダイオードにより実装されてもよい。ＳＰＡＤ回路５０８－１は、任意の好適に実装されたクエンチ回路、リセット回路、および高速ゲート回路を含んでもよい。ＳＰＡＤおよびＳＰＡＤ回路の例は、参照により、その全体が本明細書に援用される米国特許第１０，１５８，０３８号に記載のものを含む。
【0025】
上述のように、ＳＰＡＤ５０６－１は、ボディ内の標的で反射される光子を検出するように構成されている。ＳＰＡＤ回路５０８－１は、ＳＰＡＤ５０６－１が光子を検出するときに所定の量の電流を出力するように構成されている。所定量の電流が所定の測定期間中継続的に出力される。ＳＰＡＤ回路５０８－１、５０８－２から５０８－Ｎまでの出力はそれぞれ蓄積され、蓄積された出力は光検出器配列５０２の出力５１０において、蓄積出力となる。各ＳＰＡＤが光子を検出し、各ＳＰＡＤに対応するＳＰＡＤ回路は、所定量の電流を出力し、出力された電流は蓄積出力に寄与する。このようにして、蓄積出力をサンプリングすることにより、光検出器システム（例えば、光検出器システムのプロセッサ）は、検出された光子の時間的分布を判定することができる。構成５００において、蓄積出力は、ＡＤＣ５１２によりサンプリングされる。ＡＤＣ５１２は、任意の好適な方法で実装することができ、各実装例が本明細書に記載される。
【0026】
例えば、図６に、（例えば、光検出器配列５０２を使用し）アナログ実装した光検出器システムを使用するＴＣＰＳＣについての例示的な出力図６００を示す。出力図６００は、単一レーザパルスに対する、光検出器配列５０２の蓄積出力６０２の例を示す。蓄積出力６０２は、第１の光子がイベント１において、例えば光検出器５０４－１により検出されるまで、０で開始される。対応するＳＰＡＤ回路５０８－１は、所定量の電流を出力し、蓄積出力６０２を０から、所定量の電流に等しい第１の電流レベル６０４まで上昇させる。イベント２において、第２の光子は、例えば光検出器５０４－２により検出される。ＳＰＡＤ回路５０８－２は、したがって、イベント２において所定量の電流の出力を開始し、これにより、蓄積出力６０２を第１の電流レベル６０４から、所定量の電流の２倍と同等の第２の電流レベル６０６まで上昇させる。これは、ＳＰＡＤ回路５０８－１およびＳＰＡＤ回路５０８－２の両方が出力５１０に所定量の電流を出力しているためである。追加で検出された各光子は、蓄積出力６０２を所定量の電流により上昇させるが、この上昇は、イベント３における最終時刻で示される。蓄積出力６０２をサンプリングすることにより、蓄積出力６０２の各電流レベルおよび当該各電流レベルにおける変化に対応する各時刻（および、その結果として、イベント１、２、３等のそれぞれに対する時刻）を特定して、検出された光子の時間的分布を判定してもよい。
【0027】
蓄積出力６０２は、任意の好適な方法でサンプリングすることができる。例えば、サンプリング回路は、時間的分布の把握に使用可能な、好適な速度のアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）（例えば、１０～３０ギガビット／秒（Ｇｂｐｓ）のサンプリングレートを持つＡＤＣ）を備えることができる。そのようなＡＤＣを使用することにより、ＡＤＣは、光検出器の電流当たりの平均のごく一部である最下位ビット（ＬＳＢ）を有することができる。ＡＤＣは、また、活性化された全ての光検出器配列（例えば、所定量の電流により乗算される光検出器配列における多数の光検出器）が寄与する全電流よりも大きいダイナミックレンジを有してもよい。サンプリング回路は、また、蓄積出力を出力電圧に変換するように構成される終端コンポーネントを備えてもよい。例えば、終端コンポーネントは、蓄積出力をバッファリングするように構成されたトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）により実装されてもよい。加えて、または代案として、終端コンポーネントは、終端抵抗により実装されてもよい。終端コンポーネントにより生成される出力電圧は、所定の測定期間において光子を検出した光検出器の総数に比例してもよい。
【0028】
図７に、ＴＣＳＰＣ向けの光検出器配列の蓄積出力（例えば、蓄積出力６０２）をサンプリングするための光検出器システムの別の例示的なサンプリング回路７００を示す。サンプリング回路７００は、蓄積出力を出力電圧に変換するための終端コンポーネントとして終端抵抗７０２を備える。サンプリング回路７００は、また、終端抵抗７０２に並列に接続された複数のサンプリングブランチ７０４（サンプリングブランチ７０４－１から７０４－Ｎ）を備える。サンプリングブランチ７０４は、それぞれ、サンプリングスイッチ７０６（サンプリングスイッチ７０６－１から７０６－Ｎ）と、サンプリングコンデンサ７０８と備える。例えば、サンプリングブランチ７０４－１は、サンプリングスイッチ７０６－１と、サンプリングコンデンサ７０８－１とを備える。
【0029】
サンプリングスイッチ７０６は、所望のタイミング分解能（例えば、５０ｐｓ、２０ｐｓ、１００ｐｓごとのスイッチ、または任意の好適なタイミング分解能）で連続して開放されるように構成される。各サンプリングスイッチ７０６が開放されると、対応するサンプリングコンデンサ７０８は、タイミング分解能の個々のサンプリング時間において出力電圧を維持することになる。例えば、仮に、サンプリングスイッチ７０６が５０ｐｓごとに開放される場合、Ｎ回のサンプリング時間を通じて、サンプリングコンデンサ７０８－１が第１のサンプリングされた出力電圧を５０ｐｓで維持するとともに、サンプリングスイッチ７０６－１が５０ｐｓごとに開放されてもよく、サンプリングコンデンサ７０８－２が第２のサンプリングされた出力電圧を１００ｐｓで維持するとともに、サンプリングスイッチ７０６－２が１００ｐｓで開放されるなどしてもよい。サンプリングコンデンサ７０８でサンプリングされた出力電圧を維持することにより、サンプリング回路７００には比較的遅いＡＤＣを設けて、サンプリングされた電圧のそれぞれを読み出すことが可能となる。
【0030】
サンプリングスイッチ７０６のタイミングは、任意の好適な方法で制御することができる。一例として、タイミングを、遅延ロックループ（ＤＬＬ）により制御して、タイミング分解能により分離される正確に配列された位相を生成してもよい。加えて、または代案として、１より多くのタイミング分解能が使用されてもよい。例えば、再度ヒストグラム３００を参照すると、大多数の光子を、所定の測定期間の一部において検出することができる。ヒストグラム３００では、タイムビン２．５とタイムビン４との間が、所定の測定期間の一部に該当する。サンプリング回路７００は、対象の部分（例えば、時刻２．５と時刻４との間）のサンプリングを、所定の測定期間以外の期間よりも高いサンプリングレートで行うように構成されてもよい。複数のタイミング分解能を使用することにより、所定の測定期間以外の期間に使用するサンプリングブランチの数を減少させ、対象の部分または複数の部分に対して使用するサンプリングブランチの数を増加することで、より効率的な資源配分が可能となる。
【0031】
図８に、本明細書に記載のシステムおよび方法に従って使用可能な、ＴＣＳＰＣ向けの光検出器配列の蓄積出力をサンプリングするための例示的なサンプリングタイミング図８００を示す。サンプリングタイミング図８００に、複数のレーザパルス８０２（レーザパルス８０２－１から８０２－７）を示す。各レーザパルス８０２に続いて、サンプリング用の蓄積出力８０４（蓄積出力８０４－１から８０４－７）が生成される。ＡＤＣは、特定の遅延時間を加えたレーザパルスのレートと同等のサンプリングレートでの蓄積出力８０４をサンプリングするために使用されてもよい。図示されるように、サンプル１は、レーザパルス８０２－１の後の特定の時間（例えば、１ｎｓ）における蓄積出力８０４－１から取得される。サンプル２は、レーザパルス８０２－２の後の２ｎｓにおける蓄積出力８０４－２から取得される。サンプル３は、レーザパルス８０２－３の後の３ｎｓにおける蓄積出力８０４－３から取得される。このようにすれば、各反応出力の全てのタイムビンをサンプリングしようとするのではなく、速度の遅いＡＤＣを使用して異なる反応出力の異なるタイムビンのサンプルを取得することができる。しかしながら、レーザパルス８０２が繰り返され、蓄積出力８０４も、統計的にヒストグラムを生成するために使用された反応を繰り返すと、異なる反応出力をサンプリングしても、各反応出力をサンプリングすることと実質的に同様なヒストグラムが得られる場合がある。
【0032】
図９に、本明細書に記載のシステムおよび方法に従って使用可能なＴＣＳＰＣ向けの光検出器配列の蓄積出力をサンプリングするための別の例示的なサンプリング図９００を示す。サンプリング図９００は、ｙ軸９０２に光子の数を、ｘ軸９０４に時間を示す。サンプリング図９００は、閾値１、閾値２、および閾値３において、光子の数に対する対象の閾値を示す。サンプリング図９００は、また、蓄積出力９０６を示す。ＡＤＣを使用して、対象の閾値に焦点を当てて蓄積出力９０６をサンプリングしてもよい。蓄積出力９０６が対象の閾値を満たす各ポイントにおいて、閾値を満たした時刻が判定される。本例において、閾値１は時刻ｔ０において満たされ、閾値２は時刻ｔ１において満たされ、閾値３は時刻ｔ２において満たされている。そのような閾値に焦点を当てることにより、より効率的な資源配分が可能となる。
【0033】
図１０に、（例えば、光検出器配列１０４の実装例である）光検出器配列１００２の例示的な構成１０００を示す。光検出器配列１００２は、ＴＣＳＰＣ向けの光検出器システムの例示的なデジタル実装の一部とすることができる。光検出器配列１００２は、並列に接続された複数の光検出器１００４（光検出器１００４－１から１００４－Ｎ）を備える。構成１０００において、光検出器１００４は、それぞれ、ＳＰＡＤ１００６（ＳＰＡＤ１００６－１から１００６－Ｎ）およびＳＰＡＤ回路１００８（ＳＰＡＤ回路１００８－１から１００８－Ｎ）を備える。例えば、光検出器１００４－１は、ＳＰＡＤ１００６－１およびＳＰＡＤ回路１００８－１を備える。
【0034】
本デジタル実装において、ＳＰＡＤ回路１００８は、それぞれ、対応するＳＰＡＤ１００６が光子を検出するときにデジタル信号の高状態を出力するように構成される。例えば、仮に、ＳＰＡＤ１００６－１が光子を検出すると、ＳＰＡＤ回路１００８－１は、高信号（例えば、デジタル信号の高状態）を出力する。アナログ実装の場合と同様に、光検出器システムは、所定の測定期間中、ＳＰＡＤ１００６のリセットを行わないようにしてもよい。このようにすれば、ＳＰＡＤ回路１００８の出力を、対応するＳＰＡＤ１００６による光子の検出に応じて、高く維持することができる。このようにして、ＳＰＡＤ回路１００８の出力は、光検出器配列１００２の出力１０１２において蓄積出力を提供するために蓄積される。
【0035】
各ＳＰＡＤ回路１００８の出力は、任意の好適な方法で蓄積することができる。一例として、ＸＯＲゲート１０１０のツリー（ＸＯＲツリー）を使用して、出力を蓄積してよい。本例において、各ＳＰＡＤ回路１００８は、ＸＯＲゲートに入力してもよい。図示されるように、ＳＰＡＤ回路１００８－１および１００８－２は、ＸＯＲゲート１０１０－１に入力する。次の２つのＳＰＡＤ回路は、次のＸＯＲゲート１０１０－２に入力する。さらに、ＸＯＲゲート１０１０－１および１０１０－２は、別のＸＯＲゲート１０１０－３に入力し、出力が出力１０１２における蓄積出力に蓄積されるまで、各ＳＰＡＤ回路１００８が隣接するＳＰＡＤ回路とともにＸＯＲゲート１０１０に入力し、各ＸＯＲゲート１０１０が隣接するＸＯＲゲートとともに下流の別のＸＯＲゲートに入力する。
【0036】
任意のＳＰＡＤ１００６が光子を検出し、対応するＳＰＡＤ回路１００８が高信号を出力すると、高信号を受信するＸＯＲゲート１０１０も同様に高信号を出力することになる。高信号は、下流の、ＸＯＲツリーの対応するブランチに伝搬することになり、蓄積出力を低から高に変更させる。仮に、別のＳＰＡＤ１００６により別の光子が検出された場合、高信号を受信するＸＯＲゲートは、高から低または低から高に反転することになる。この信号は、また、蓄積出力が高から低に反転されるまで、下流の、ＸＯＲツリーの対応するブランチに伝搬することになる。このようにして、光検出器配列１００２により検出される各光子を用いて、蓄積出力は、論理状態（例えば、低から高および高から低）をトグルで切り換えることになる。蓄積出力をサンプリングして、トグルをカウントし、カウントされた各トグルの時刻を判定することにより、光検出器システムは、検出された光子の時間的分布を判定してもよい。光子の時間的分布に基づき、光検出器システムは、標的の光パルス反応を表すヒストグラムを生成することができる。
【0037】
例えば、図１１に、（例えば、光検出器配列１００２を使用し）デジタル実装した光検出器システムを使用するＴＣＰＳＣについての例示的な出力図１１００を示す。出力図１１００は、単一レーザパルスに対する、光検出器配列１００２の蓄積出力１１０２の例を示す。蓄積出力１１０２は、第１の光子がイベント１において検出されるまで、低で開始される。第１の光子は、例えば、光検出器１００４－１により検出されてよい。それに応じて、対応するＳＰＡＤ回路１００８－１は高信号を出力し、ＸＯＲゲート１０１０－１の出力を低から高に変更し、それにより、ＸＯＲゲート１０１０－３および１０１０－Ｍが同様に更に変更され、蓄積出力１１０２は低から高にトグルで切り換えられる。イベント２において、第２の光子は、例えば光検出器１００４－２により検出される。それに応じて、ＳＰＡＤ回路１００８－２も高信号を出力し、ＸＯＲゲート１０１０－１の出力を高から低にトグルで戻し、それによりＸＯＲゲート１０１０－３および１０１０－Ｍが同様に更に変更され、蓄積出力１１０２が高から低にトグルで切り換えられる。追加で検出された各光子により、蓄積出力１１０２が一方の論理状態から他方の論理状態にトグルで切り換えられるが、この論理状態の切り換えは、イベント３における最終時刻に示されている。蓄積出力１１０２をサンプリングすることにより、蓄積出力１１０２の各論理状態および当該各論理状態における各変化に対応する各時刻（およびその結果として、イベント１、２、３等のそれぞれについての時刻）を特定して、検出された光子の時間的分布を判定してもよい。
【0038】
蓄積出力１１０２は、任意の好適な方法でサンプリングすることができる。例えば、サンプリング回路は、蓄積出力１１０２の論理状態の変化を検出し、変化の時間を特定するように構成される時間デジタル変換器（ＴＤＣ）を含んでもよい。
【0039】
デジタル実装のいくつかの例において、時間的に非常に近い（例えば、閾値の時間内の）ＳＰＡＤにより２つの光子が検出されると、衝突イベントが発生する場合がある。いくつかの衝突イベントを用いて、蓄積出力１１０２を、トグルで２回非常に高速で切り換えてもよく、論理状態の両変化は、いずれも、ＴＤＣにより見逃されてもよい。他の衝突イベントでは、蓄積出力１１０２は、トグルで全く切り換えられなくてもよく、また、ＳＰＡＤにより検出される光子よりも少ない回数トグルで切り換えられてもよい。よって、いくつかの例において、光検出器システムは、そのような衝突イベントを検出するように構成された衝突検出回路を備えて、光子をカウントする際の潜在的エラーを最小化してもよい。
【0040】
衝突検出回路は、任意の好適な方法で実装することができる。例えば、衝突検出回路は、図１０に示すＸＯＲツリーに並んで配置されるＯＲツリーを含んでもよい。ＯＲツリーは、ＯＲツリーの入力において追加の回路を備えてパルスを生成してもよい。仮に、ＸＯＲツリーの出力が変化しないにもかかわらずＯＲツリーの出力がパルスに対して（例えば、５０～２００ｐｓと）高くなると、それは衝突イベントを意味しうる。
【0041】
加えてまたは代案として、衝突検出回路は、光検出器配列内の光検出器のうち、所定の測定期間中に光子を検出した光検出器の台数を判定するように構成される１以上のコンポーネントを含んでもよい。所定の測定期間中に始動したＳＰＡＤの合計数を判定し、その合計数と検出されたトグルの総数とを比較し、始動したＳＰＡＤの合計数とトグルの総数との差分を算出することにより、衝突イベントの数を判定してもよい。
【0042】
加えてまたは代案として、図１２に、本明細書に記載のシステムおよび方法に従って使用可能なＴＣＰＳＣ向けの光検出器システムの別の例示的な衝突検出回路１２００を示す。衝突検出回路１２００は、複数のＳＰＡＤ回路１２０２（ＳＰＡＤ回路１２０２－１から１２０２－８）を示す。各ＳＰＡＤ回路１２０２は、１以上のＸＯＲツリー１２０４（ＸＯＲツリー１２０４－１から１２０４－４）に入力する。本例において、ＳＰＡＤ回路１２０２－１および１２０２－２は、ＸＯＲツリー１２０４－１および１２０４－４に入力し、ＳＰＡＤ回路１２０２－３および１２０２－４は、ＸＯＲツリー１２０４－１および１２０４－２に入力する。各ＸＯＲツリー１２０４は、別個のサンプリング回路１２０６（サンプリング回路１２０６－１から１２０６－４）によりサンプリングされる。各ＳＰＡＤ回路１２０２を、１より多いＸＯＲツリー１２０４に出力させることにより、衝突イベントの確率が低減され、１組のＳＰＡＤが閾値の時間内に光子を検出しても、当該組の各ＳＰＡＤは、別のサンプリング回路１２０６において正確に検出することができる。
【0043】
図１３に、本明細書に記載のシステムおよび方法に従って使用可能な例示的な光検出器１３０２が備える様々なコンポーネントを示す。光検出器１３０２は、例えば、図１に示される光検出器１０６のいずれを実装してもよく、および／または本明細書に記載の他の光検出器のいずれを実装してもよい。図示されるように、光検出器１３０２は、ＳＰＡＤ回路１３０４と、制御回路１３０６と、ＴＤＣ１３０８と、および信号処理回路１３１０とを備える。
【0044】
ＳＰＡＤ回路１３０４は、ＳＰＡＤと、ＳＰＡＤに入射する光子を検出するためにともに動作するように構成される高速ゲート回路とを備えてもよい。上述のように、ＳＰＡＤ回路１３０４は、ＳＰＡＤ回路１３０４が光子を検出したときに出力を生成してもよい。
【0045】
制御回路１３０６は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはＳＰＡＤ回路１３０４内の様々なコンポーネントの動作を制御するように構成される任意の他の好適な回路により実装されてもよい。例えば、制御回路１３０６は、ＳＰＡＤ回路１３０４内の１つ又は複数のスイッチの動作を制御する制御論理を出力し、ＳＰＡＤ回路１３０４内のコンデンサを選択的に充電し、ＳＰＡＤ回路１３０４が備えるＳＰＡＤを作動状態（armed state）または解除状態（disarmed state）のいずれかに設定してもよい。いくつかの例において、制御回路１３０６は、ＳＰＡＤを作動状態にするために、光パルス（例えば、レーザパルス）の発生後に制御回路１３０６が待機する所定の時間量を指定するゲート遅延を制御してもよい。この目的のため、制御回路１３０６は、光パルスが発生する時刻（例えば、光パルスが脳内の組織に印加される時刻）を示す光パルスタイミング情報を受信してもよい。制御回路１３０６は、また、プログラム可能なゲート幅を制御して、ＳＰＡＤが解除される前に維持されるべき作動状態の期間を指定してもよい。
【0046】
制御回路１３０６は、信号処理回路１３１０を制御するように更に構成される。例えば、制御回路１３０６は、信号処理回路１３１０にヒストグラムパラメータ（例えば、タイムビン、光パルスの数、ヒストグラムの種類等）を提供してもよい。信号処理回路１３１０は、ヒストグラムパラメータに従ってヒストグラムデータを生成してもよい。
【0047】
ＴＤＣ１３０８は、ＳＰＡＤ回路１３０４により生成される出力パルスの発生と光パルスの発生との間の時差を測定するように構成される。この目的のため、ＴＤＣ１３０８も、制御回路１３０６が受信するものと同様の光パルスタイミング情報を受信してもよい。ＴＤＣ１３０８は、特定の実装に対応しうる任意の好適な電気回路により実装されてもよい。
【0048】
信号処理回路１３１０は、ＴＤＣ１３０８により出力されるデータにおける１つ又は複数の信号処理動作を実行するように構成される。例えば、信号処理回路１３１０は、ＴＤＣ１３０８により出力されるデータに基づいて、および制御回路１３０６により提供されるヒストグラムパラメータに従って、ヒストグラムデータを生成してもよい。具体的には、信号処理回路１３１０は、ＴＤＣ１３０８により出力されるデータに基づきヒストグラムを生成し、記憶し、送信し、圧縮し、分析し、デコードし、および／またはそれ以外の処理を行ってもよい。いくつかの例において、信号処理回路１３１０は、処理されたデータを制御回路１３０６に提供してもよく、その場合、任意の好適な方法で処理されたデータを使用してもよい。
【0049】
図１４Ａに、本明細書に記載のシステムおよび方法に従って使用可能な例示的な光検出器システム１４００を示す。光検出器システム１４００は、本明細書に記載の光検出器システムのいずれを実装してもよい。図示されるように、光検出器システム１４００は、プリント配線板（ＰＣＢ）１４０６上に配置された、光源１４０２と、複数のＳＰＡＤ回路１４０４（すなわち、ＳＰＡＤ回路１４０４－１から１４０４－１６）とを備える。あるいは、ＳＰＡＤ回路１４０４（および光検出器システム１４００の他のコンポーネント）は、ＡＳＩＣ上に配置されてもよい。光検出器システム１４００は、更に、ＳＰＡＤ１４０４に共通する制御回路１４０８と、ＳＰＡＤ１４０４に共通する信号処理回路１４１０と、ＳＰＡＤ回路１４０４の１つにそれぞれ対応する複数のＴＤＣを含むＴＤＣ配列１４１２とを備える。制御回路１４０８、信号処理回路１４１０、およびＴＤＣ配列１４１２は、それぞれ、図１４Ａに示されるように、ＰＣＢ１４０６上に配置されてもよいし、光検出器システム１４００内の他の場所に設置されてもよい。ＴＤＣ配列１４１２に含まれるＴＤＣと組み合わせた各ＳＰＡＤ回路１４０４、制御回路１４０８、および信号処理回路１４０４は、特定の光検出器を実装してもよい。したがって、光検出器システム１４００は、光検出器の配列を備えるということができる。
【0050】
光源１４０２は、所望の標的（例えば、脳内の標的）に適用可能な１つ又は複数の波長において１つまたは複数の光パルスを生成するように構成されてもよい。光源は、コンポーネントの任意の好適な組み合わせにより実装されてもよい。例えば、光源１４０２は、レーザパルスを生成するレーザ源により実装されてもよい。光源は、ＰＣＢ１４０６上に実装されてもよく、またはＰＣＢ１４０６の外部に実装されてもよい。
【0051】
ＳＰＡＤ回路１４０４は、それぞれ、ＳＰＡＤ回路１３０４と同様に動作し、光源１４０２により生成された光パルスの光子を、当該光子が標的（例えば、脳組織のような、ユーザの内部の標的）で反射または散乱された後に検出するように構成されてもよい。ＳＰＡＤ回路１４０４は、また、撮像アプリケーションに対する環境光に起因して任意の物体から反射される光子を検出するために使用されてもよい。この場合、光子が環境光または別の光源のいずれかにより生成されるため、光源１４０２は不要である。
【0052】
図示されるように、ＳＰＡＤ回路１４０４は、ＰＣＢ１４０６上に４×４配列で配置される。各ＳＰＡＤ回路１４０４の位置決めは、例えば、ピクセル配列内のピクセルに対応して行われてよい。ＳＰＡＤ回路１４０４は、あるいは、任意の好適な方法で配置されてもよい。図１４Ａには１６個のＳＰＡＤ回路１４０４が示されているが、光検出器システム１４００に含まれるＳＰＡＤ回路１４０４の数は任意でよいことを理解されたい。
【0053】
制御回路１４０８は、制御回路１３０６と同様に機能してもよく、ＳＰＡＤ１４０４のそれぞれを制御するように構成されてもよい。信号処理回路１４１０は、信号処理回路１３１０と同様に機能してもよく、ＳＰＡＤ回路１４０４のそれぞれにより出力される信号を処理するように構成されてもよい。ＴＤＣ配列１４１２は、それぞれがＴＤＣ１３０８と同様の複数のＴＤＣを含み、光パルス１４０２の発生と、ＳＰＡＤ回路１４０４のそれぞれにより生成された出力パルスとの間の時差を測定するように構成されてもよい。
【0054】
光検出器システム１４００は、任意の好適なデバイスにより実装されてもよく、任意の好適なデバイスに含まれてもよい。例えば、光検出器システム１４００を、ユーザの身体に装着可能な非侵襲的ウェアラブルデバイスに設けて、診断関連動作、撮像関連動作、および／またはコンシューマ関連動作のうちの１つまたは複数の動作を実行させてもよい。
【0055】
具体的には、図１４Ｂに、光検出器システム１４００に類似の光検出器システムを実装する例示的な非侵襲的ウェアラブル・ブレイン・インタフェース・システム１４２０（「ブレイン・インタフェース・システム１４２０」）を示す。図示されるように、ブレイン・インタフェース・システム１４２０は、ユーザの頭部に装着可能に構成されたヘッド・マウンタブル・コンポーネント１４２２を備える。ヘッド・マウンタブル・コンポーネント１４２２は、ユーザの頭部に装着されるキャップ形状により実装することができる。ヘッド・マウンタブル・コンポーネント１４２２の代替的な実装例には、ヘルメット、ビーニー帽、ヘッドバンド、他の帽子形状、またはユーザの頭部等に装着するのに適した他の形状が含まれる。ヘッド・マウンタブル・コンポーネント１４２２は、任意の好適な布、軟質ポリマー、プラスチック、ハードシェル、および／または特定の実装に対応可能な任意の他の好適な材料から作成されてもよい。ウェアラブル・ブレイン・インタフェース・システムに使用されるヘッドギアの例は、参照によりその全体が本明細書に援用される米国特許第１０，３４０，４０８号において更に詳細に記載されている。
【0056】
ヘッド・マウンタブル・コンポーネント１４２２は、複数の光検出器１４２４と、光パルスを生成するように構成される複数の光源１４２６とを備える。いくつかの代替的な実施形態においては、ヘッド・マウンタブル・コンポーネント１４２２に含まれる光検出器１４２４および／または光源１４２６の数は、それぞれ、１つであってもよいことを理解されたい。例えば、ブレイン・インタフェース・システム１４２０を使用して、光路を制御し、および光検出器ピクセル測定値を脳組織領域の光学的特性を表す強度値に変換してもよい。ブレイン・インタフェース・システム１４２０は、表面組織構造または完全に光学的に透明な構造を単に撮像するにすぎない従来の撮像システムおよび方法（例えば、光干渉断層撮影（ＯＣＴ））とは対照的に、光源１４２６からユーザの脳内の標的の位置までに生じる光子からのデータを抽出することにより、皮膚および骨を透過した深部の解剖学的部位の光学検出を可能にする。
【0057】
ブレイン・インタフェース・システム１４２０は、通信リンク１４３０を経由して光検出器１４２４および光源１４２６と通信（例えば、光検出器１４２４および光源１４２６からの信号を制御および／または受信）するように構成されたプロセッサ１４２８を更に備えてもよい。通信リンク１４３０は、任意の好適な有線および／または無線の通信リンクを含んでもよい。プロセッサ１４２８は、任意の好適な筐体を備えてもよく、所望により、ユーザの頭皮、首、肩、胸、または腕に設置されてもよい。いくつかの変形例において、プロセッサ１４２８は、光検出器１４２４および光源１４２６と同じのアセンブリハウジングに統合されてもよい。
【0058】
図示されるように、ブレイン・インタフェース・システム１４２０は、プロセッサ１４２８と通信するリモートプロセッサ１４３２を任意で備えてもよい。例えば、リモートプロセッサ１４３２は、前回の検出セッションからの、および／または（図示されていない）多数のブレイン・インタフェース・システムからの、光検出器１４２４および／またはプロセッサ１４２８から測定されたデータを記憶してもよい。光検出器１４２４、光源１４２６、および／またはプロセッサ１４２８用の電力は、ウェアラブルバッテリ（図示せず）経由で供給されてもよい。いくつかの例において、プロセッサ１４２８およびバッテリは、単一の筐体に収納されてもよく、プロセッサ１４２８およびバッテリからの電力信号を伝えるワイヤは、光検出器１４２４および光源１４２６まで延在していてもよい。あるいは、電力は、（例えば、誘導により）無線で供給されてもよい。
【0059】
いくつかの代替的な実施形態において、ヘッド・マウンタブル・コンポーネント１４２２は、個別の光源を備えない。代わりに、光検出器１４２４により検知される光を生成するように構成された光源が、ブレイン・インタフェース・システム１４２０内の別の場所に設けられていてもよい。例えば、光源は、プロセッサ１４２８内に設けてもよく、電気的接続を通して光検出器ユニット１４２４に接続されてもよい。
【0060】
本明細書に記載の光源は、それぞれ、任意の好適なデバイスにより実装されてもよい。例えば、本明細書で使用される光源は、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ダイオード励起固体（ＤＰＳＳ）レーザ、半導体レーザ（ＬＤ）、スーパールミネッセント発光ダイオード（ｓＬＥＤ）、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、チタンサファイアレーザ、マイクロ発光ダイオード（ｍＬＥＤ）、および／または任意の他の好適なレーザまたは光源であってもよい。
【0061】
図１４Ａに示す光検出器システム１４００は、あるいは、ノンウェアラブルデバイス（例えば、ユーザの頭部または他の身体部位の近傍に設置され、診断関連動作、撮像関連動作、および／またはコンシューマ関連動作のうちの１つまたは複数の動作を行う医療機器および／またはコンシューマデバイス）に備えられてもよい。光検出器システム１４００は、あるいは、ウェアラブル侵襲デバイス（例えば、脳の記録および撮像用の埋め込み型医療機器）のサブアセンブリ筐体に設けられてもよい。
【0062】
任意の好適なＳＰＡＤ回路が、本明細書に記載の光検出器アーキテクチャ内で使用されてもよい。本明細書に記載のＳＰＡＤ回路のいくつかは、ＳＰＡＤを作動させるコマンドが提供される前にバイアス電圧で事前に充電されるコンデンサで（または、場合により、ＳＰＡＤ自体の寄生容量で）ゲートされる。これは、先に、参照によりその全体が援用された米国特許第１０，１５８，０３８号において更に詳細に記載されている。
【0063】
図１５に、光検出器システム（例えば、本明細書に記載の光検出器システムのいずれか）を使用してＴＣＳＰＣを実行するための例示的な方法１５００を示す。図１５は一実施形態にかかる例示的な動作を示すが、他の実施形態では、図１５に示される動作のいずれを省略、追加、並び替え、および／または改変してもよい。
【0064】
動作１５０２において、プロセッサは、複数の光検出器からの蓄積出力を受信する。蓄積出力は、ボディ内の標的に向けられた光パルスに応じて発生する所定の測定期間中、それぞれが光子を検出する複数の光検出器からの個々の出力の蓄積を表す。動作１５０２は、本明細書に記載のいずれの手順で実行されてもよい。
【0065】
動作１５０４において、プロセッサは、蓄積出力に基づいて、複数の光検出器により検出された光子の時間的分布を判定する。動作１５０４は、本明細書に記載のいずれの手順で実行されてもよい。
【0066】
動作１５０６において、プロセッサは、光子の時間的分布に基づき、ボディ内の標的の光パルス反応を表すヒストグラムを生成する。動作１５０６は、本明細書に記載のいずれの手順で実行されてもよい。
【0067】
図１６に、本明細書に記載の処理の１つまたは複数の処理を実行するように具体的に構成可能な例示的なコンピュータデバイス１６００を示す。図１６に示すように、コンピュータデバイス１６００は、通信インフラ１６１０を介して相互に通信可能に接続された、通信インタフェース１６０２、プロセッサ１６０４、記憶装置１６０６、および入出力（「Ｉ／Ｏ」）モジュール１６０８を備えてよい。図１６には例示的なコンピュータデバイス１６００が示されているが、図１６に示されるコンポーネントは、限定を意図したものではない。他の実施形態においては、追加のコンポーネントまたは代替的なコンポーネントが使用されてもよい。以下、図１６に示すコンピュータデバイス１６００のコンポーネントについて、更に詳述する。
【0068】
通信インタフェース１６０２は、１つまたは複数のコンピュータデバイスと通信するように構成されてもよい。通信インタフェース１６０２の例としては、限定はしないが、（ネットワーク・インタフェース・カード等の）有線ネットワークインタフェース、（無線ネットワーク・インタフェース・カード等の）無線ネットワークインタフェース、モデム、オーディオ／ビデオ接続、および任意の他の好適なインタフェースを挙げることができる。
【0069】
プロセッサ１６０４は、一般に、データ処理、および／または本明細書に記載の指示、処理、および／または動作の１つまたは複数についての実施の解釈、実行、および／または指示が可能な任意の種類または形式の処理装置を表す。プロセッサ１６０４は、記憶装置１６０６に記憶された、コンピュータにより実行可能な指示１６１２（例えば、アプリケーション、ソフトウェア、コード、および／または他の実行可能なデータインスタンス）を実行することにより、動作を実行してもよい。
【0070】
記憶装置１６０６は、１つまたは複数のデータ記憶媒体、デバイス、または構成を備えてよく、任意のタイプ、形式、および組み合わせのデータ記憶媒体および／またはデバイスを採用してもよい。例えば、記憶装置１６０６は、限定はしないが、本明細書に記載の任意の組み合わせの不揮発性媒体および／または揮発性媒体を含んでもよい。本明細書に記載のデータを含む電子データは、一時的に、および／または恒久的に記憶装置１６０６に記憶されてもよい。例えば、本明細書に記載のいずれかの動作を実行するようにプロセッサ１６０４に指示するように構成されたコンピュータにより実行可能な指示１６１２を表すデータが、記憶装置１６０６内に記憶されてもよい。いくつかの例において、データは、記憶装置１６０６内に存在する１つまたは複数のデータベースに配置されてもよい。
【0071】
Ｉ／Ｏモジュール１６０８は、ユーザ入力を受信し、ユーザ出力を提供するように構成された１つまたは複数のＩ／Ｏモジュールを含んでもよい。Ｉ／Ｏモジュール１６０８は、入出力機能を支援する、任意のハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。例えば、Ｉ／Ｏモジュール１６０８は、限定はしないが、キーボード、キーパッド、タッチスクリーンコンポーネント（例えば、タッチスクリーンディスプレイ）、受信機（例えば、ＲＦまたは赤外線受信機）、モーションセンサ、および／または１つまたは複数の入力ボタンを含む、ユーザ入力を受け付けるためのハードウェアおよび／またはソフトウェアを含んでもよい。
【0072】
Ｉ／Ｏモジュール１６０８は、限定はしないが、グラフィックスエンジン、ディスプレイ（例えば、ディスプレイ画面）、１つまたは複数の出力ドライバ（例えば、ディスプレイドライバ）、１つまたは複数の音声スピーカ、および１つまたは複数の音声ドライバを含む、ユーザへの出力を提示するための１つまたは複数のデバイスを含んでもよい。実施形態によっては、Ｉ／Ｏモジュール１６０８は、ユーザに提示するための画面にグラフィカルデータを提供するように構成される。グラフィカルデータは、１つまたは複数のグラフィカル・ユーザ・インタフェースおよび／または特定の実装に対応可能な任意の他のグラフィカルコンテンツを表してもよい。
【0073】
いくつかの例において、本明細書に記載のシステム、コンピュータデバイス、プロセッサ、制御ユニット、および／または他のコンポーネントは、いずれも、コンピュータデバイス１６００により実装されてよい。例えば、プロセッサ１０８および／または制御ユニット１１２は、プロセッサ１６０４により実装されてよい。
【0074】
これまでの説明では、様々な例示的な実施形態を、添付の図面を参照しながら説明してきた。しかしながら、以下の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、これに種々の修正または変更を加えること、および追加の実施形態を実装することができることは明らかであろう。例えば、本明細書に記載の一実施形態の特定の特徴は、本明細書に記載の別の実施形態の特徴と組み合わせるか、または代用してもよい。したがって、本記載と図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で解釈されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】
【手続補正書】
【提出日】2022-01-11
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
並列に接続された複数の光検出器と、前記複数の光検出器に通信可能に接続されたプロセッサであって、
ボディ内の標的に向けられた光パルスに応じて発生する所定の測定期間中の蓄積出力であって、それぞれが光子を検出する前記複数の光検出器からの個々の出力の蓄積を表す蓄積出力を、前記複数の光検出器から受信し、
前記蓄積出力に基づいて、前記複数の光検出器により検出された光子の時間的分布を判定し、
前記所定の測定期間の後に、前記複数の光検出器をリセットし、
前記複数の光検出器から、前記ボディ内の前記標的に向けられた追加的な光パルスに応じて発生する追加的な所定の測定期間中の追加的蓄積出力であって、それぞれが光子を検出する前記複数の光検出器からの個々の出力の追加的な蓄積を表す、追加的蓄積出力を受信し、
前記追加的蓄積出力に基づいて、前記複数の光検出器により検出された光子の追加的な時間的分布を判定し、
前記光子の時間的分布および前記光子の追加的な時間的分布に基づいて、前記ボディ内の前記標的に向けられた前記光パルスおよび前記追加的な光パルスを含む複数の光パルスの個々の光パルスに応じてそれぞれ発生する前記所定の測定期間および前記追加的な所定の測定期間を含む複数の所定の測定期間について検出された光子の累積分布を表すヒストグラムを生成し、
前記累積分布に基づいて、前記ボディ内の前記標的の光パルス反応を表す時間点広がり関数を生成するように構成されたプロセッサと
を備えるシステム。
【請求項2】
前記プロセッサは、前記所定の測定期間中は前記複数の光検出器のリセットを行わないように更に構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力は、それぞれ、前記複数の光検出器に含まれる個々の光検出器が、前記光パルスの光子を、前記光パルスが前記標的で反射された後に検出するときの所定量の電流出力を含み、前記蓄積出力は、前記個々の出力の組み合わせに基づく複合電流を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
前記複数の光検出器と前記プロセッサとに接続されたアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）と、前記蓄積出力の前記複合電流を出力電圧に変換するように構成された終端コンポーネントと
を更に備え、
前記複数の光検出器により検出された前記光子の時間的分布は、前記ＡＤＣに前記出力電圧をサンプリングさせることにより判定される、請求項３に記載のシステム。
【請求項5】
前記終端コンポーネントと並列に接続された複数のサンプリングブランチであって、それぞれがスイッチとコンデンサとを含む複数のサンプリングブランチを更に備え、前記複数のサンプリングブランチの前記スイッチは、サンプリングレートで連続して開放されるように構成されており、
前記出力電圧は、前記サンプリングブランチのそれぞれの前記コンデンサの電圧測定値を前記ＡＤＣに取得させることによりサンプリングされる、請求項４に記載のシステム。
【請求項6】
前記複数の光検出器からの前記個々の出力は、それぞれ、前記複数の光検出器に含まれる個々の光検出器が光子を検出したかどうかを示すデジタル信号を提供するように構成されており、前記個々の出力は、複数のＸＯＲゲートを含むＸＯＲツリーを使用して組み合わされており、
前記蓄積出力は、前記個々の出力に基づいて、論理状態をトグルで切り換えるように構成された複合信号を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項7】
前記複数の光検出器と前記プロセッサとに接続された時間デジタル変換器（ＴＤＣ）を更に備え、前記複数の光検出器により検出された前記光子の時間的分布は、前記複合信号を前記ＴＤＣにサンプリングさせることにより判定される、請求項６に記載のシステム。
【請求項8】
前記複数の光検出器と前記プロセッサとに接続された衝突検出回路を更に備え、前記プロセッサは、前記複数の光検出器の第１の光検出器により第１の光子が検出され、かつ前記複数の光検出器の第２の光検出器により、閾値量の時間内に、第２の光子が検出される衝突イベントを、前記衝突検出回路に検出させるように更に構成されている、請求項７に記載のシステム。
【請求項9】
前記衝突検出回路は、前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力を組み合わせる複数のＯＲゲートを含むＯＲツリーを含み、前記衝突イベントの検出は、前記蓄積出力における変化に対応しない前記ＯＲツリーの出力における変化を、前記衝突検出回路に検出させることにより行われる、請求項８に記載のシステム。
【請求項10】
前記衝突検出回路は、前記複数の光検出器のうち、前記所定の測定期間中に光子を検出した光検出器の台数を判定するように構成されており、前記衝突イベントは、前記所定の測定期間中の前記蓄積出力のトグルの数と、前記所定の測定期間中に光子を検出した光検出器の台数とを前記衝突検出回路に比較させることに検出される、請求項８に記載のシステム。
【請求項11】
前記ＸＯＲツリーは、複数のＸＯＲツリーの１つであり、前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力は、前記複数のＸＯＲツリーの少なくとも２つにおいて組み合わされ、
前記衝突イベントは、前記複数のＸＯＲツリーからの出力を前記衝突検出回路により比較することにより検出される、請求項８に記載のシステム。
【請求項12】
並列に接続された複数の光検出器から、ボディ内の標的に向けられた光パルスに応じて発生する所定の測定期間中の蓄積出力であって、それぞれが光子を検出する前記複数の光検出器からの個々の出力の蓄積を表す蓄積出力を、プロセッサにより受信することと、前記蓄積出力に基づいて、前記複数の光検出器により検出された光子の時間的分布を、前記プロセッサにより判定することと、
前記プロセッサにより、前記所定の測定期間の後に、前記複数の光検出器をリセットすることと、
前記プロセッサにより、前記複数の光検出器から、前記ボディ内の前記標的に向けられた追加的な光パルスに応じて発生する追加的な所定の測定期間中の追加的蓄積出力であって、それぞれが光子を検出する前記複数の光検出器からの個々の出力の追加的な蓄積を表す、追加的蓄積出力を受信することと、
前記プロセッサにより、前記追加的蓄積出力に基づいて、前記複数の光検出器により検出された光子の追加的な時間的分布を判定することと、
前記光子の時間的分布および前記光子の追加的な時間的分布に基づいて、前記ボディ内の前記標的に向けられた前記光パルスおよび前記追加的な光パルスを含む複数の光パルスの個々の光パルスに応じてそれぞれ発生する前記所定の測定期間および前記追加的な所定の測定期間を含む複数の所定の測定期間について検出された光子の累積分布を表すヒストグラムを、前記プロセッサにより生成することと、
前記累積分布に基づいて、前記ボディ内の前記標的の光パルス反応を表す時間点広がり関数を、前記プロセッサにより生成することと
を含む方法。
【請求項13】
前記所定の測定期間中は前記複数の光検出器のリセットを前記プロセッサにより行わないことを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記複数の光検出器のそれぞれからの前記個々の出力は、それぞれ、前記複数の光検出器に含まれる個々の光検出器が、前記光パルスの光子を、前記光パルスが前記標的で反射された後に検出するときの所定量の電流出力を含み、前記蓄積出力は、前記個々の出力の組み合わせに基づく複合電流を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項15】
前記複数の光検出器により検出された前記光子の時間的分布を判定することは、前記複数の光検出器と前記プロセッサとに接続されたアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）に出力電圧をサンプリングさせることを含む、請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】