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Stefano
- 1. Relatore: Prof. Alberto Tosi Correlatore: Prof. Franco Zappa Contatore di S ingoli Fotoni a Finestratura Ultrarapida per S pettroscopia Funzionale Non Invasiva S tefano Tadiello Milano, Milano, 20 Aprile 2009 20 Aprile 2009
- 2. S ommario 2 2 • Conteggio di singoli fotoni • Dall’applicazione alle specifiche • Progetto e implementazione • Stadio di ingresso • Generatore della finestra di conteggio • Conteggio e acquisizione 4. Caratterizzazione sperimentale 5. Conclusioni e prospettive S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 3. Conteggio di S ingoli F otoni S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 4. Rivelatori di singoli fotoni 4 Superconductive PhotoMultiplier Tube (PMT) Single Photon Detector (SSPD) Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) TON TOFF Avalanche Avalanche VEX no avalanche! 0.5V VBD S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 5. Photon Migration 5 ρ ρ>0 ρ=0 Photons Photons Biological Biological tissue tissue Slow-gated detector Fast-gated detector! S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 6. La spettroscopia funzionale ( fNIRS ) 6 Monitoraggio attività cerebrale • Non invasiva Monitoraggio continuo • Osservazione parametri vascolari www.neuropt.eu • Buona risoluzione spaziale Obiettivo Profondità di monitoraggio (3-4cm) • Strumento clinico per uso ospedaliero diffuso Specifiche • Laser 600-900nm • Fotorivelatore SPAD funzionante in Gated Mode • Elettronica di photon counting ad alta risoluzione (ps) S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 7. Time Correlated S ingle Photon 7 Counting START Risoluzione temporale (<1ps) Jitter (8ps) Distorsioni ad alti tassi di conteggio STOP Ingombro Consumo e costo (da 8’500€) Optical waveform Non adatto per produzione in larga scala S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 8. Approccio photon counting 8 Gated photon counter commerciali: Elevato tasso di conteggio Optical waveform • Durata finestra di conteggio (>1ns) Gate A B Gate Counts A Gate C • Jitter (200ps) Counts B Counts C Necessario NUOVO Contatore di Singoli Fotoni! S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 9. Dalle S pecifiche al Progetto S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 10. S pecifiche per il progetto 10 • Durata finestra di conteggio regolabile da 200ps a 10ns • Ritardo finestra regolabile fino a circa 10ns • Basso jitter (decine di ps) • Segnali in ingresso: Positivi e negativi fino a ±5V Fronti < 300ps Massimo tasso di conteggio > 100MHz • Controllo remoto dello strumento (USB) • Costo ridotto Problemi: • Tempi di commutazione ultrarapidi • Finestra di conteggio ultrarapida S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 11. Criticità progettuali 11 Logiche ECL per segnali molto veloci • Swing logico ridotto (<1V) • Interfaccia tra diverse famiglie logiche (LVPECL, RSECL, CMOS) • Elevata dissipazione di potenza • Layout per logica mista e ad alta frequenza (fino a 8GHz) 1 t RISE Adattamento e terminazione LMAX = ⋅ 2 t PD linee di trasmissione S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 12. Architettura 12 S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 13. S tadio di ingresso 13 LASPAD S ER INPUT AVALANCHE TRIGGER to to OUTPUT FLIP-FLOP DELAYER Potenziometro digitale (10bit) Relè RF DPDT (6GHz) Comparatore ECL, tRISE = 200ps (20%-80%) Comparatore ECL (SiGe), tRISE = 37ps (20%-80%) S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 14. Il delayer di sincronismo ( ECL) 14 Risoluzione 10ps Bus di programmazione 10bit Ritardo intrinseco 2.36ns S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 15. Generatore di gate: 15 principio di funzionamento Vantaggi • Durate molto piccole (legate alle prestazioni della XOR) • Risoluzione elevata • Basso jitter Svantaggi • Complessità di implementazione • Elevato consumo S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 16. Generatore di gate: implementazione 16 ( ECL) to FLIP-FLOP from DELAYER latch BUS VALUE ( from MUX) Flip-flop JK 10-bit Compensazione ritardo BUS ( from μC) intrinseco Linea di ritardo Porta XOR (SiGe), programmabile tRISE = 40ps (20%-80%) S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 17. Finestratura dei conteggi ( ECL) 17 Flip-flop D (SiGe), Cavo coassiale di ritardo tRISE = 45ps (20%-80%) Buffer di fan-out Traslatore LVPECL-LVCMOS S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 18. Conteggio e acquisizione ( CMOS ) 18 Contatori CMOS (24bit), fMAX = 120MHz Shift-registers PISO (24bit) S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 19. Microcontrollore e controllo remoto 19 Microcontrollore • Famiglia PIC 16 • Clock a 8MHz • Programmazione in linguaggio C Configurazione logiche programmabili (SPI e Parallelo) Gestione interfaccia utente (Tastierino numerico e LCD) Salvataggio parametri misura su EEPROM Gestione interfaccia USB (FT232R, UART) Controllo software • Ambiente LabVIEW • Regolazione parametri di misura • Acquisizione risultati S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 20. Le schede 20 Scheda ECL Scheda CMOS S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 21. Montaggio e inscatolamento 21 Montaggio schede Il contatore S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 22. Caratterizzazione S perimentale S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 23. Funzionamento e caratterizzazione 23 COUNTING WINDOW Finestra di conteggio S PAD AVALANCHE Fronte positivo di rivelazione COUNT PULS E Impulso di conteggio 1 1 FWHM = 5.2ns CountRateMAX : = = 96MHz 2 ⋅ FWHM 2 ⋅ 5.2ns S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 24. Finestra di conteggio: prestazioni 24 S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 25. Conclusioni e prospettive 25 Conclusioni • Contatore di singoli fotoni a finestratura ultrarapida Durata finestra di conteggio regolabile da 65ps a 10.23ns Bassa dispersione temporale (decine di ps) Tasso di conteggio massimo pari a circa 96MHz (24bit) Controllo firmware e software • Verifica delle prestazioni del prototipo Prospettive • Progetto dell’alimentatore: compatto e a basso ripple • Implementazione conteggio multicanale • Misure sperimentali di spettroscopia funzionale in-vivo • Progetto dello strumento clinico completo S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 26. S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 27. S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 28. S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 29. Applicazioni del photon counting 5 1. Ricostruzione di forme d’onda ottiche • Photon Migration (Spettroscopia funzionale non invasiva) • Decadimento fluorescente e fosforescente • … 2. Conteggio di impulsi ad alta frequenza • Laser Imaging Detection and Ranging (LIDAR) • La spettrometria di massa • … S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 30. Photon Migration 6 ρ ρ>0 ρ=0 Photons Photons Biological Biological tissue tissue Slow-gated detector Fast-gated detector! S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 31. L’offerta del mercato 7 Becker-Hickl GmbH (B&H) Stanford Research Systems (SRS) Tasso conteggio 800MHz • Tasso conteggio 200MHz Prelievo segnali da -5V a +5V • Prelievo segnali da -5V a +5V • Ausilio PC (interfaccia PCI) • Stand-alone • Durata minima gate 1ns Durata minima gate 5ns • Costosi Costosi S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 32. La spettroscopia funzionale 5 Monitoraggio attività cerebrale • Studio processi cognitivi • Analisi patologie mentali • Localizzazione zone cerebrali danneggiate Monitoraggio continuo sul paziente (non invasività) Osservazione dei parametri vascolari Risoluzione spaziale Profondità di monitoraggio (3-4cm) S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 33. Il progetto europeo “nEUROPt” 6 Obiettivi • Strumento clinico di monitoraggio cerebrale non invasivo • Compatibilità con tecniche già esistenti (PET, MRI, EEG, ecc..) • Diffusione ospedaliera Specifiche • Laser 600-900nm • Fotorivelatore SPAD funzionante in Gated Mode • Elettronica di photon counting per misura forme d’onda ottiche www.neuropt.eu ad alta risoluzione (decine ps) S tefano Milano, 20 Aprile 2009
- 34. Misure di timing sulla finestra di conteggio 25 7000 400 6000 300 5000 Counts [a.u.] Counts [a.u.] 4000 FWHM = 65ps 200 3000 FWHM = 4.13ns 2000 100 1000 0 0 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 3.65 3.69 3.73 3.77 3.81 3.85 3.89 3.93 Time [ns] Time [ns] 6000 6000 5000 5000 80% 4000 Counts [a.u.] 4000 80% Counts [a.u.] tjitter ~ 56ps 3000 3000 2000 tjitter ~ 22ps 2000 20% 20% 1000 1000 0 0 2.47 2.52 2.57 2.62 2.67 6.40 6.50 6.60 6.70 6.80 Time [ns] Time [ns] S tefano Milano, 20 Aprile 2009
Editor's Notes
- Buongiorno, io sono Stefano Tadiello e presento il lavoro di tesi che ho svolto presso il Dipartimento di Elettronica del Politecnico di Milano. L’argomento trattato è il progetto e la realizzazione di un contatore di singoli fotoni a finestra di conteggio ultrarapida per misure sperimentali nel campo della spettroscopia funzionale non invasiva inserita all’interno del progetto di ricerca europeo chiamato nEUROPt sorto nell’aprile 2008. (24)
- In questa discussione si parlerà del conteggio di singoli fotoni e delle sue applicazioni, concentrandosi sulla photon migration. Si descriverà, a partire dalle specifiche, il progetto e l’implementazione del contatore oggetto di questo lavoro. Si concluderà la discussione descrivendo le prestazioni del prototipo realizzato a partire dalla sua caratterizzazione sperimentale. (31)
- Cominciamo parlando del conteggio di singoli fotoni
- I principali rivelatori di singoli fotoni sono: I tubi fotomoltiplicatori, I quali hanno grandi aree attive, ma richiedono alte tensioni di lavoro I rivelatori a superconduzione, che hanno ottime prestazioni, ma possiedono piccole aree attive e necessitano di ingombranti sistemi di raffreddamento Ed infine i fotodiodi a singolo fotone, o SPAD, trattati in questo lavoro, che riescono a raggiungere buone efficienze quantiche e buone prestazioni di timing, ma sono caratterizzati da limitato count rate. Questi fotorivelatori generano un impulso di valanga in seguito all’incidenza di un fotone ed hanno il vantaggio di poter essere abilitati velocemente alla rivelazione polarizzandoli, quando necessario, al di sopra della tensione di breakdown. (45)
- La photon migration è una applicazione che consente l’analisi delle proprietà ottiche di un campione attraverso lo studio della propagazione della luce all’interno di esso. Una misura di photon migration si esegue iniettando un fascio laser attraverso una fibra ottica ad esempio in un tessuto biologico. I fotoni che diffondono all’interno di esso subiscono fenomeni di scattering e assorbimento in linea con le proprietà ottiche del campione. La luce riemessa dal campione viene rivelata con un fotorivelatore SPAD ed una seconda fibra ottica posizionata sul campione molto vicina alla fibra di iniezione del fascio ottico. Tale disposizione delle fibre viene comunemente definita rho-zero e consente una forte localizzazione della luce, dunque migliora il contrasto e la risoluzione spaziale della misura. L’ostacolo principale nelle misure a distanza interfibra nulla è la presenza degli early photons. Sono fotoni riflessi all’interfaccia che investono il rivelatore prima di quelli che hanno diffuso all’interno del tessuto A causa del loro scarso contenuto informativo e della saturazione del tasso di conteggio, vengono eliminati attraverso abilitazioni veloci del fotorivelatore SPAD (1.10) Tuttavia il nuovo approccio/metodo di misura/studio che si prevede di/intende utilizzare in futuro è chiamato misura a distanza interfibra nulla. Come si vede dalla figura le fibre ottiche sono molto vicine….
- La spettroscopia funzionale è una tecnica ottica utilizzata principalmente per il monitoraggio dell’attività cerebrale. Consente lo studio dei processi cognitivi, l’analisi delle patologie mentali e la localizzazione delle zone cerebrali danneggiate. I vantaggi di questa tecnica sono dettati dalla non invasività della luce che consente monitoraggi continui sul paziente Dall’osservazione dei parametri vascolari. Ad esempio nell’osservazione dell’attività cerebrale conseguente a stimoli motori o visivi si modifica lo stato di ossigenazione dell’emoglobina, il quale comporta una variazione del coefficiente di assorbimento ottico. Un altro vantaggio è dettato dalla buona risoluzione spaziale della misura. Tuttavia il forte assorbimento dei tessuti che precedono il tessuto cerebrale limita la profondità di osservazione a 3-4cm. Il progetto di ricerca europeo nEUROPt si inserisce all’interno di questa applicazione e mira alla progettazione di uno strumento clinico innovativo con conseguente diffusione ospedaliera. Le specifiche sulla strumentazione imposte dal progetto sono: L’utilizzo di un laser con lunghezza d’onda compresa tra 600 e 900nm L’utilizzo di un fotorivelatore SPAD funzionante in gated-mode L’impiego di strumentazione che ricostruisca forme d’onda ottiche attraverso il conteggio di singoli fotoni e con risoluzione temporale di decine di ps. Di quest’ultima si vedranno ora alcuni esempi. (1.15)
- Il primo esempio è rappresentato dalle schede di timing. Si tratta di strumenti che effettuano una misura del ritardo temporale tra i due segnali di ingresso, chiamati di start e stop, accumulando via via conteggi su un asse temporale al valore corrispondente al ritardo misurato. In pratica accade che il ritardo tra i segnali che si misura più spesso, sarà segnalato/evidente sull’asse dei tempi con un alto numero di conteggi. Ricostruiscono intere forme d’onda ottiche entro l’intervallo temporale descritto dall’impulso di abilitazione del fotorivelatore SPAD con risoluzione inferiore al ps e jitter di 8ps. Tuttavia un problema di questi dispositivi è la distorsione delle misure ad elevato tasso di conteggio. L’ingombro ed il costo incrementati anche dal necessario utilizzo di un PC le rendono poco adatte per una diffusione ospedaliera (40)
- Si è dunque pensato ad un nuovo approccio di misura in via di sviluppo, utilizzando un contatore di singoli fotoni a finestratura. Consentono la ricostruzione di alcune zone dell’impulso ottico effettuando il conteggio di fotoni entro finestre temporali di decine di ps opportunamente ritardate all’interno dell’impulso di abilitazione dello SPAD. I contatori sono dispositivi più semplici e più compatti rispetto alle schede di timing. Inoltre sono possibili misure senza distorsione ad elevato tasso di conteggio, dunque sarebbe possibile aumentare la potenza laser per incrementare il rapporto segnale-rumore. Tuttavia i contatori commerciali disponibili hanno tipicamente basse prestazioni, soprattutto nella durata minima della finestra di conteggio e sul jitter che la caratterizza. Da qui l’avvio di un progetto per la realizzazione di un contatore di singoli fotoni a finestratura CUSTOM.(1)
- Vediamo dunque quali sono le specifiche ed il progetto.
- Le specifiche che il contatore deve soddisfare sono: (40) Finestra di conteggio regolabile a partire da 200ps fino a 10ns con regolazione fine del ritardo sul sincronismo Prelievo di segnali positivi e negativi fino a 5V di ampiezza, con fronti fino a 300ps e massima frequenza di ripetizione fino a 100MHz Jitter limitato della finestra di conteggio Controllo remoto dello strumento tramite interfaccia USB Compattezza, consumo e costo contenuto Date le specifiche i principali ostacoli sono rappresentati da segnali con tempi di commutazione ultrarapidi e dall’implementazione di una interfaccia utente semplice.
- L’elaborazione di segnali veloci e molto brevi è implementata utilizzando famiglie logiche ECL. (1) L’impiego di questi dispositivi obbliga la riduzione dei disturbi sulla scheda per via della riduzione dello swing logico e l’impiego di traslatori di livello per l’interfaccia tra diverse famiglie logiche. L’utilizzo di logiche ECL constrasta le specifiche di basso consumo, poiché dissipano staticamente. Il layout dovrà essere realizzato in linea con l’applicazione ad alta frequenza. In particolare, per quanto riguarda le linee di propagazione dei segnali, la massima distanza percorribile da un segnale senza che su di esso si generino evidenti sovraelongazioni è ridotta dalla sua velocità di commutazione. Ad esempio per le logiche ECL la lunghezza massima tipica che garantisce sovraelongazioni inferiori al 15% è di qualche cm. Dunque poiché verosimilmente si andrà a realizzare sul layout interconnessioni più lunghe si devono usare linee di trasmissione, di cui occorre studiarne l’adattamento e la corretta terminazione.
- Questa è l’architettura del contatore di singoli fotoni oggetto di questa presentazione.(1) I segnali di ingresso sono il sincronismo di generazione di un impulso laser e l’impulso di valanga dello SPAD. Entrambi vengono prelevati a soglia da un comparatore ed è presente un sistema per lo scambio degli ingressi che consente di fissare il riferimento sul primo fronte di commutazione. Nella parte alta dello schema si nota come l’impulso di sincronismo del laser venga ritardato attraverso una linea a ritardo programmabile e prelevato dal blocco a valle che genera dal sincronismo la finestra di conteggio. Il blocco in alto a destra esegue la finestratura dei conteggi ed invia le informazioni alla logica responsabile del conteggio. I dati ottenuti verranno acquisiti con un microcontrollore il quale, oltre a gestire l’intera scheda, visualizza i risultati a display o li invia ad un PC in comunicazione USB.
- Cominciamo con la descrizione dello stadio di ingresso. La configurazione qui rappresentata è stata adottata per entrambi i segnali di ingresso. E’ costituito da: un potenziometro digitale programmato dal microcontrollore per la regolazione della soglia un relè a radiofrequenza di banda pari a 6GHz a doppio polo per consentire lo scambio del segnale di ingresso con la tensione di soglia all’ingresso del comparatore e fissare così il riferimento sul primo fronte di commutazione un buffer utilizzato per garantire un buon trasferimento della tensione di soglia dal potenziometro agli ingressi del comparatore i cui ingressi sono adattati a 50ohm. Per il segnale di sincronismo è stato scelto un comparatore ECL con banda pari a 4GHz e basso jitter. Il segnale di uscita sarà inviato alla linea a ritardo programmabile. Il segnale dello SPAD viene anch’esso prelevato a soglia questa volta con un comparatore in tecnologia silicio germanio che ha fronti di commutazione di 37ps e banda pari ad 8GHz. In questo modo il segnale di uscita sarà rigenerato con fronti molto veloci dunque adatti al circuito responsabile della finestratura dei conteggi.
- Il segnale di sincronismo prelevato tramite il comparatore viene ritardato con la seguente linea di ritardo. Si tratta di un dispositivo in logica ECL che consente una regolazione del ritardo a passi di 10ps. E’ programmato tramite microcontrollore con un BUS a 10bit. Ha tuttavia un ritardo intrinseco di 2.36ns che deve essere compensato ad esempio utilizzando esternamente dispositivi ausiliari che regolino il ritardo tra i due segnali di ingresso al contatore.
- Vediamo ora il principio di funzionamento del circuito per la generazione della finestra di conteggio. Un flip-flop JK con gli ingressi J e K fissati allo stato alto rigenera il segnale di uscita dalla linea di ritardo dimezzando la frequenza e fissando un duty-cycle al 50%. L’onda quadra generata viene sdoppiata su due linee, una delle quali a ritardo programmabile, che terminano all’ingresso di una porta logica XOR. La porta genera impulsi di durata pari al ritardo introdotto dalla linea, raddoppiando la frequenza e compensando il dimezzamento iniziale. Il vantaggio di tale configurazione è la generazione di impulsi molto stretti, limitati dalle prestazioni della porta XOR, l’elevata risoluzione e il basso jitter. Tuttavia si tratta di una implementazione complessa e ad alto consumo di potenza.
- In questa slide si vede l’implementazione della configurazione appena descritto. Il flip-flop JK in logica ECL riceve il segnale di sincronismo e lo rigenera verso due linee di ritardo, identiche a quella vista in precedenza. La prima, programmata da microcontrollore, regola il ritardo a passi di 10ps, mentre la seconda viene utilizzata per compensare il ritardo intrinseco di 2.36ns. La porta XOR lavora in logica ECL ma è realizzata in tecnologia SiGe. Questo dispositivo genera il segnale di gate, con fronti di commutazione di 40ps e lo invia al circuito per la finestratura dei conteggi.
- Visibile in questa slide. I segnali di ingresso a questo circuito sono il segnale di gate e il segnale dello SPAD rigenerato dal comparatore, entrambi molto veloci. La finestratura dei conteggi avviene utilizzando un flip-flop di tipo D in tecnologia SiGe. Sull’ingresso D si propaga il segnale di gate, mentre sul clock il segnale dello SPAD. Il flip-flop porta il segnale di uscita allo stato logico alto con fronte positivo ed estremamente ripido quando il segnale dallo SPAD arriva all’interno della finestra di gate, poichè in pratica il segnale dello SPAD campiona lo stato logico del segnale di gate. Il segnale di uscita del flip-flop viene prelevato da un buffer di fan-out, il quale lo sdoppia su più linee. Il segnale che si propaga su una di queste viene ritardato da un cavo coassiale ed inviato sul pin di reset del flip-flop. In questo modo sull’uscita del flip-flop genera un impulso di conteggio la cui durata minima, fissata pari a 4ns, è limitata dal circuito di conteggio a valle, realizzato in tecnologia CMOS per contenere la dissipazione di potenza. La lunghezza del cavo coassiale di ritardo, che regola la durata di tale impulso, è stata dunque progettata di conseguenza. Essendo il circuito di conteggio in logica CMOS è stato utilizzato un traslatore di livello per l’interfaccia dei dispositivi.
- Brevemente, si illustra il circuito di conteggio in tecnologia CMOS. Si utilizza una cascata di due contatori da 12 bit l’uno per avere un numero massimo di conteggi sufficiente e 3 shift register PISO da 8 bit ciascuno per acquisire la sequenza binaria ed inviarla con protocollo seriale al microcontrollore.
- Il microcontrollore adottato appartiene alla famiglia PIC16, è stato programmato in linguaggio C e configura tutte le logiche programmabili, gestisce l’interfaccia utente, salva i parametri della misura su EEPROM e gestisce l’interfaccia USB con l’ausilio di un dispositivo fornito da FTDI Chip. Il software di controllo è stato realizzato in ambiente LabVIEW e consente oltre alla regolazione dei parametri di misura, l’acquisizione dei risultati con rappresentazioni grafiche e stampa su file.
- In questa slide vediamo le foto delle schede realizzate. Sono state realizzate due schede per separare la famiglia ECL dalla famiglia CMOS, in modo da ridurre i disturbi di accoppiamento tra esse.
- In quest’altra slide si mostra il montaggio delle schede e il prototipo completo di interfaccia utente ed inscatolamento.
- Vediamo ora il funzionamento dello strumento. In questa immagine il segnale di sincronismo del laser ed il segnale dello SPAD sono stati simulati utilizzando due impulsatori tra loro scorrelati. L’alterazione delle forme d’onda dei segnali deriva dall’accoppiamento di disturbi irradiati sulle sonde passive di banda pari a 500MHz utilizzate per prelevare i segnali, al solo scopo di verificare il funzionamento dello strumento. Si può notare come all’apertura di una finestra di conteggio, all’interno della quale cade temporalmente il fronte positivo del segnale dello SPAD, sia generato un impulso di conteggio. La larghezza a mezza altezza di tale impulso è pari a 5.2ns dunque il massimo tasso di conteggio può essere stimato come uno su due volte tale durata e risulta pari a circa 96.15MHz
- In questa slide si evidenziano le misure di timing effettuate per due motivi: valutare l’effetto del jitter sulla finestra di conteggio e la finestra minima consentita. In alto a sinistra è presente una misura di timing su una finestra di conteggio ampia circa 4ns. In alto a destra si visualizza la finestra minima di gate che rappresenta un ottimo risultato in quanto presenta una larghezza misurata a mezza altezza pari a soli 65ps. Oltre questa durata non viene rilevato più alcun conteggio. Nelle figure in basso è stato invece misurato l’intervallo temporale di distribuzione dei conteggi in seguito all’effetto del jitter. Il parametro di merito è la pendenza del fronte della finestra di conteggio. Anche in questo caso i risultati sono stati ottimi in quanto l’intervallo temporale di distribuzione dei conteggi è pari a qualche decina di ps, con un lieve peggioramento sul fronte di discesa rispetto al fronte di salita.
- Concludendo, in questo lavoro è stato realizzato un contatore di singoli fotoni a finestratura ultrarapida custom con: finestra di conteggio regolabile da 65ps a 10.23ns e ritardo finemente programmabile fino a circa 10ns tasso di conteggio di poco inferiore ai 100MHz effetto del jitter sulla finestratura dei conteggi limitato controllo dello strumento con firmware in linguaggio C e software LabVIEW E’ stato inoltre verificato il funzionamento e le prestazioni del sistema. In futuro si prevede: il progetto del circuito di potenza per l’alimentazione a basso ripple del dispositivo l’ottimizzazione della finestratura dei conteggi, andando ad utilizzare simultaneamente più finestre di conteggio il compimento di misure sperimentali di spettroscopia funzionale in-vivo infine il completamento dello strumento clinico a cui mira il progetto nEUROPt Con questo ho finito e vi ringrazio.
- Il conteggio di singoli fotoni ha richiamato grande interesse negli ultimi anni principalmente nel campo della diagnosi clinica non invasiva. Le applicazioni più diffuse che richiedono la ricostruzione di forme d’onda ottica sono la photon migration, all’interno della quale si inserisce la spettroscopia funzionale non invasiva e la misura di decadimento fluorescente e fosforescente. Entrambe consentono lo studio delle proprietà ottiche dei campioni. Altre applicazioni, come la tecnica LIDAR per la misura delle distanze e la spettrometria di massa per l’identificazione di sostanze sconosciute richiedono il conteggio di fotoni o impulsi ad alta frequenza per problemi di basso rapporto segnale-rumore (45)
- La photon migration è una applicazione che consente l’analisi delle proprietà ottiche di un campione attraverso lo studio della propagazione della luce all’interno di esso. Una misura di photon migration si esegue iniettando un fascio laser attraverso una fibra ottica ad esempio in un tessuto biologico. I fotoni che diffondono all’interno di esso subiscono fenomeni di scattering e assorbimento in linea con le proprietà ottiche del campione. La luce riemessa dal campione viene rivelata con un fotorivelatore SPAD ed una seconda fibra ottica posizionata sul campione molto vicina alla fibra di iniezione del fascio ottico. Tale disposizione delle fibre viene comunemente definita rho-zero e consente una forte localizzazione della luce, dunque migliora il contrasto e la risoluzione spaziale della misura. L’ostacolo principale nelle misure a distanza interfibra nulla è la presenza degli early photons. Sono fotoni riflessi all’interfaccia che investono il rivelatore prima di quelli che hanno diffuso all’interno del tessuto A causa del loro scarso contenuto informativo e della saturazione del tasso di conteggio, vengono eliminati attraverso abilitazioni veloci del fotorivelatore SPAD (1.10)
- Vediamo ora quali contatori di singoli fotone commerciali soddisfano le specifiche. Becker-Hickl, azienda leader nel settore del photon counting, fornisce un contatore a finestratura con tasso di conteggio ampiamente sopra le specifiche e consente l’ingresso di segnali positivi e e negativi fino a 5V di tensione. Tuttavia la finestra minima di conteggio non soddisfa le specifiche in quanto pari a 1ns. Il costo e l’ingombro elevati anche a causa del necessario utilizzo di un PC unitamente alle scarse prestazioni di finestratura escludono dunque l’impiego di questo dispositivo. Stanford research systems, tra i tanti strumenti di misura, fornisce un contatore a finestratura il cui tasso di conteggio massimo, pari a 200MHz soddisfa le specifiche. Consente l’ingresso di segnali positivi e negativi fino a 5 v di tensione e, rispetto al contatore becker-hickl non richiede l’utilizzo forzato di un PC. Purtroppo la durata minima della finestra di conteggio ed il costo ne fanno un dispositivo non in linea con le specifiche di progetto. Sarà dunque necessario il progetto e la realizzazione di un contatore di singoli fotoni CUSTOM
- La spettroscopia funzionale è una tecnica di monitoraggio ottico che si inserisce all’interno della photon migration ed è utilizzata principalmente per il monitoraggio dell’attività cerebrale. I vantaggi di questa tecnica sono la non invasività della luce che consente monitoraggi continui sul paziente e l’osservazione dei parametri vascolari mantendendo una buona risoluzione spaziale della misura. Tuttavia il forte assorbimento dei tessuti biologici limita la profondità di osservazione.
- Da Aprile 2008 è attivo un progetto di ricerca Europeo chiamato “ nEUROPt” , con l’ambizione di fornire uno strumento clinico avanzato per misure di spettroscopia funzionale. Lo strumento dovrà essere compatibile con le esistenti tecniche di neuro-controllo e di imaging già esistenti e sarà destinato ad una diffusione in strutture ospedaliere. Il progetto nEUROPt definisce misure di spettroscopia funzionale con sorgenti laser a lunghezza d’onda nel vicino infrarosso, un fotorivelare SPAD funzionante in gated-mode ed uno strumento per il conteggio di singoli fotoni ad alta risoluzione temporale
- In questa slide si evidenziano le misure di timing effettuate per due motivi: valutare l’effetto del jitter sulla finestra di conteggio e la finestra minima consentita. In alto a sinistra è presente una misura di timing su una finestra di conteggio ampia 4.13ns. In alto a destra si visualizza la finestra minima di gate che rappresenta un ottimo risultato in quanto presenta una larghezza misurata a mezza altezza pari a soli 65ps. Oltre questa durata non viene rilevato più alcun conteggio. Nelle figure in basso è stato invece misurato l’intervallo temporale di distribuzione dei conteggi in seguito all’effetto del jitter. Il parametro di merito è la pendenza del fronte della finestra di conteggio. Anche in questo caso i risultati sono stati ottimi in quanto l’intervallo temporale di distribuzione dei conteggi è pari a qualche decina di ps, con un lieve peggioramento sul fronte di discesa rispetto al fronte di salita.