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专利号: 2021106449688
申请人: 江苏集萃脑机融合智能技术研究所有限公司
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-05-22
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统,其特征在于:包括,处理器,用以控制整个脑机接口系统;

光源模块,用以发射入射光;

光电传感器,用以接收反射光,并将光信号转换为电信号;

跨阻放大器,用以将光电传感器转换输出的电信号转换成可处理的电压信号;

模数转换器,用以对接收到的电压信号进行模数采样,并记录幅度大小;

第一高度比较器,用以记录光源模块发光的时刻,作为时间测量的起始时刻;

第二高速比较器,用以记录接收到反射光的时刻,作为时间测量的结束时刻。

2.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统,其特征在于:所述光源模块发射出的为600nm‑900nm的皮秒量级超短脉冲近红外光。

3.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统,其特征在于:所述处理器采用FPGA处理器,所述处理器上集成有时间数字转换器,用以将起始时刻和结束时刻的时间差ΔT转换为数字量。

4.根据权利要求3所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统,其特征在于:所述脑机接口系统还包括高速MOSFET管,通过FPGA处理器的控制来产生皮秒量级的脉冲信号,并以此来驱动光源模块发光。

5.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统,其特征在于:所述光电传感器为SPAD单光子雪崩光电二极管或CCD探测器。

6.根据权利要求1所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统,其特征在于:所述跨阻放大器和模数转化器之间还设置有射频放大器,用以将经过跨阻放大器放大之后的电压信号进一步放大。

7.一种脑机接口穿戴设备,其特征在于:包括如权利要求1‑6中所述的基于直接测量飞行时间技术的脑机接口系统、外部受控设备以及配套设置于两者之上的无线通信模块。

8.一种如权利要求7所述的脑机接口穿戴设备的控制方法,其特征在于:包括以下步骤,

光源模块向大脑皮层发射600nm‑900nm的近红外光线,其中入射近红外光线为皮秒量级的超短光脉冲,第一高速比较器将光源模块发光时刻记录为起始时刻;

入射近红外光线到达人脑的不同深度位置之后发生散射,变为包含了大脑组织光学特性信息的出射近红外光线,此时出射近红外光线的信号类型为皮秒量级的超短光脉冲;

光电传感器将出射的近红外光线接收并转换成电信号,然后对电信号进行放大处理,第二高速比较器将接收到出射光时刻记录为结束时刻,起始时刻和结束时刻的时间差记录为ΔT;

处理器将时间差转换成数字量,然后计算出近红外光线在大脑中经过的距离,并获取出射近红外光的时间点扩散函数,进而进行逆向求解,计算出大脑组织的散射系数、吸收系数,以此判断大脑的思维活动情况,通过无线通信模块发送控制指令,以完成对于外部受控设备的控制。

9.根据权利要求8所述的脑机接口穿戴设备的控制方法,其特征在于:所述时间点扩散函数的计算方法方法包括以下步骤,先通过直接测量飞行时间技术计算出出射光在大脑中经过的距离ρ,然后建立数学模型,

其中μs为散射系数,μa为吸收系数,ls为光在介质中传播时散射长度,la为光在介质中传播时吸收长度;

μs′=(1‑g)μs      (2)其中μs′为优化散射系数,g为各向异性因子;

其公式如(3)所示:

Φ(r,t)为单位体积内的光通量,S(r,t)为单位体积内的光源产生的光通量,D为扩散系数, ν为光在介质中的传播速度;

注入一个δ型近红外激光脉冲,方程(3)的解是:其中,R(ρ,t)是在距离ρ处的时间点扩散函数,B(μs′,t)是取决于优化散射系数μs′和边界条件的项。

10.根据权利要求9所述的脑机接口穿戴设备的控制方法,其特征在于:通过理论模型拟合实验数据计算发色团浓度的绝对值来计算吸收系数的绝对值。