LIGHT can be exploited as a powerful tool for the non-invasive probing of highly scattering media in applications extending from neurology to oncology, but even for quality assessment of food and molecular imaging. Simulations demonstrated that, for an ideal but still realistic case of diffuse optical imaging, time-domain systems can achieve impressively higher depth penetration and contrast if compared to ideal continuous-wave systems, provided that three conditions are fulfilled: i) a dense distribution of sources to maximize the injected power; ii) a dense distribution of probe-hosted detectors to maximize the light collection; iii) picosecond time-gating capability to avoid detectors saturation. Towards this aim, during this thesis work, novel single-photon technologies were devised and exploited. A probe embedding a pulsed Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) was designed; thanks to the extremely compact dimensions of the die (1 mm x 1 mm), many lasers can be parallelized to achieve a dense sources distribution. Silicon PhotoMultipliers (SiPMs) have been for the first time employed in Time-Domain Diffuse Optics (TD-DO), representing a proof of concept of dense detectors distribution with impressive single-photon performances. Finally, a probe embedding a gated Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) was devised and tested to demonstrate the time-gating capability on the basic SiPM element. This thesis paves the way to the future development of non-invasive and wearable imaging systems. Thanks to a dramatic enhancement, knocking down dimensions and costs of TD-DO, a widespread diffusion of the technique can be foreseen in the next years in both the clinical environment and at a consumer level.

La Luce può essere sfruttata come un potente strumento per lo studio non invasivo di mezzi diffondenti in applicazioni dalla neurologia all’oncologia, ma anche per la valutazione della qualità del cibo e imaging molecolare. Simulazioni hanno recentemente dimostrato che, considerando un applicazione ideale ma realistica di ottica diffusa, i sistemi tempo risolti possono raggiungere profondità di penetrazione sensibilmente maggiori e migliore contrasto rispetto a sistemi ideali in continua, soddisfatte tre condizioni: i) una distribuzione densa di sorgenti per massimizzare la potenza iniettata; ii) una distribuzione densa di rivelatori posti a contatto con il campione per massimizzare la raccolta della luce; iii) capacità di abilitazione del rivelatore in finestre di picosecondi per evitarne la saturazione. A tale scopo, durante questo lavoro di tesi, nuove tecnologie sono state realizzate e validate. Inizialmente, una sonda incorporante una sorgente laser impulsata è stato progettata; grazie alle dimensioni estremamente compatte (1 mm x 1 mm), numerosi laser possono essere parallelizzati per ottenere una densa distribuzione di sorgenti. Fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) sono stati per la prima volta impiegati in Time-Domain Diffuse Optics (TD-DO), rappresentando una prova di concetto della densa distribuzione di rilevatori con impressionante sensibilità di rivelazione a singolo fotone. Infine, una sonda basata su un Single Photon Avalanche Diode (SPAD) abilitato in tempi nell’ordine dei 100ps è stata progettata e impiegata per dimostrare la capacità abilitazione a picosecondi, essendo lo SPAD la cella base di un SiPM. Questa tesi apre la strada per il futuro sviluppo di sistemi di imaging non invasivi e indossabili. Grazie ad un miglioramento drammatico, abbattendo sia le dimensioni che i costi della tecnica, se ne prevede un’ampia diffusione nei prossimi anni sia nell'ambiente clinico che a livello del consumatore.

Towards time-domain diffuse optics ultimate performances: novel technologies and approaches

MARTINENGHI, EDOARDO

Abstract

LIGHT can be exploited as a powerful tool for the non-invasive probing of highly scattering media in applications extending from neurology to oncology, but even for quality assessment of food and molecular imaging. Simulations demonstrated that, for an ideal but still realistic case of diffuse optical imaging, time-domain systems can achieve impressively higher depth penetration and contrast if compared to ideal continuous-wave systems, provided that three conditions are fulfilled: i) a dense distribution of sources to maximize the injected power; ii) a dense distribution of probe-hosted detectors to maximize the light collection; iii) picosecond time-gating capability to avoid detectors saturation. Towards this aim, during this thesis work, novel single-photon technologies were devised and exploited. A probe embedding a pulsed Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) was designed; thanks to the extremely compact dimensions of the die (1 mm x 1 mm), many lasers can be parallelized to achieve a dense sources distribution. Silicon PhotoMultipliers (SiPMs) have been for the first time employed in Time-Domain Diffuse Optics (TD-DO), representing a proof of concept of dense detectors distribution with impressive single-photon performances. Finally, a probe embedding a gated Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) was devised and tested to demonstrate the time-gating capability on the basic SiPM element. This thesis paves the way to the future development of non-invasive and wearable imaging systems. Thanks to a dramatic enhancement, knocking down dimensions and costs of TD-DO, a widespread diffusion of the technique can be foreseen in the next years in both the clinical environment and at a consumer level.
TARONI, PAOLA
TORRICELLI, ALESSANDRO
22-feb-2017
La Luce può essere sfruttata come un potente strumento per lo studio non invasivo di mezzi diffondenti in applicazioni dalla neurologia all’oncologia, ma anche per la valutazione della qualità del cibo e imaging molecolare. Simulazioni hanno recentemente dimostrato che, considerando un applicazione ideale ma realistica di ottica diffusa, i sistemi tempo risolti possono raggiungere profondità di penetrazione sensibilmente maggiori e migliore contrasto rispetto a sistemi ideali in continua, soddisfatte tre condizioni: i) una distribuzione densa di sorgenti per massimizzare la potenza iniettata; ii) una distribuzione densa di rivelatori posti a contatto con il campione per massimizzare la raccolta della luce; iii) capacità di abilitazione del rivelatore in finestre di picosecondi per evitarne la saturazione. A tale scopo, durante questo lavoro di tesi, nuove tecnologie sono state realizzate e validate. Inizialmente, una sonda incorporante una sorgente laser impulsata è stato progettata; grazie alle dimensioni estremamente compatte (1 mm x 1 mm), numerosi laser possono essere parallelizzati per ottenere una densa distribuzione di sorgenti. Fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) sono stati per la prima volta impiegati in Time-Domain Diffuse Optics (TD-DO), rappresentando una prova di concetto della densa distribuzione di rilevatori con impressionante sensibilità di rivelazione a singolo fotone. Infine, una sonda basata su un Single Photon Avalanche Diode (SPAD) abilitato in tempi nell’ordine dei 100ps è stata progettata e impiegata per dimostrare la capacità abilitazione a picosecondi, essendo lo SPAD la cella base di un SiPM. Questa tesi apre la strada per il futuro sviluppo di sistemi di imaging non invasivi e indossabili. Grazie ad un miglioramento drammatico, abbattendo sia le dimensioni che i costi della tecnica, se ne prevede un’ampia diffusione nei prossimi anni sia nell'ambiente clinico che a livello del consumatore.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/132108