Photon counting electronics for speckle contrast blood flow measurement

The ability to measure fast and very faint light signals that characterizes the Single Photon Avalanche Diode (SPAD) can be exploited in many industrial and research fields. In this Master Thesis the SPAD has been used for its miniaturized size, ruggedness, good performance and compatibility with CMOS production processes, to measure in a non invasive way the blood flow applying the Speckle Contrast Optical Spectroscopy single-shot Multi-Exposure Speckle Imaging (SCOS sMESI) technique. First an overview of this technique will be provided, together with a previously developed device that allowed to validate this technique. Starting from the encouraging results provided by this device, this work had two main goals. The first goal was to develop a test system based on a new custom SPAD array, in order to characterize its performances and optical geometry, as well as perform preliminary contact measurements on volunteers. Realization of this device involved multiple aspects of system design, starting from the hardware and firmware design phases, up to the development of a software user interface running on a host PC. The developed device allows to record data up to 25 kHz sample rate and with an uninterrupted recording length of several minutes; it is currently being used to perform measurements at the Institute of Photonic Sciences (ICFO) of Barcelona. The second goal was to start conceiving from scratch a completely standalone system with similar performance to the one just described, mainly focused on the Cerebral Blood Flow measurement. A sensor board with two SPAD arrays has been developed reaching a final size of 25 x 44 mm; furthermore, some considerations concerning the whole system are presented.

L’abilità di misurare segnali luminosi veloci ed estremamente deboli che caratterizza i Single Photon Avalanche Diode (SPAD) può essere sfruttata in svariati ambiti, sia industriali che di ricerca. In questo elaborato gli SPAD vengono utilizzati per misurare in maniera non invasiva il flusso sanguigno applicando una tecnica nota come Speckle Contrast Optical Spectroscopy single-shot Multi-Exposure Speckle Imaging (SCOS sMESI); vengono utilizzati per le dimensioni compatte, la robustezza, le buone prestazioni e la compatibilità con il processo di produzione CMOS. Inizialmente verrà fornita una breve spiegazione di questa tecnica e verrà descritto un dispositivo sviluppato precedentemente che ha consentito di validare tale tecnica. Partendo dagli incoraggianti risultati forniti da tale dispositivo, questo lavoro di tesi si pone due obiettivi. Il primo obiettivo consiste nello sviluppare un sistema di test basato su un sensore customizzato a SPAD, con lo scopo di caratterizzare le prestazioni del sensore e la geometria ottica del sistema. Tale sistema deve anche consentire di svolgere misure a contatto su pazienti volontari. La realizzazione di questo dispositivo ha riguardato molteplici aspetti della progettazione di sistemi, partendo dallo sviluppo di hardware e firmware, fino ad arrivare alla realizzazione di un software PC per l’interfacciamento con l’utente. Il sistema sviluppato, attualmente in uso presso l’Istituto di Scienze Fotoniche (ICFO) di Barcellona per svolgere delle misure preliminari, consente di acquisire dati ininterrottamente per diversi minuti con una frequenza di campionamento fino a 25 kHz. Il secondo obiettivo di questo lavoro è quello di iniziare a progettare un sistema con prestazioni analoghe a quello appena descritto ma indipendente e prevalentemente focalizzato sulla misura del flusso sanguigno cerebrale. La “testa” di tale sistema che è stata sviluppata, monta due sensori a SPAD e integra tutta l’elettronica necessaria in 25 x 44 mm. Sono state fatte, inoltre, delle considerazioni riguardanti il sistema nel suo complesso.