Theory and prototype of a high-efficiency, high precision single photon sensing architecture for ultra-fast TCSPC

Real-time fluorescence lifetime imaging (FLIM) is gaining momentum in intraoperative and clinical scenarios, where optical feedback must be delivered within the time scale of a surgical gesture. In these settings, light provides a uniquely low-invasive probe and fluorescence-lifetime contrast offers functional, concentration-robust information that is sensitive to the cellular microenvironment. By translating these signatures into spatially resolved microenvironment maps, FLIM can support immediate clinical decision making, for instance in optical guidance for neurosurgery and head-and-neck cancer surgery. In this context, Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) is widely regarded as the gold standard thanks to its unmatched sensitivity and picosecond timing resolution. However, its throughput is fundamentally constrained by dead time: the resulting processing unavailability introduces pile-up distortion and typically limits reliable operation to ≲ 5% of the excitation rate in conventional architectures, slowing down acquisitions in photon-starved, real-time settings. A distortion-correction strategy recently developed in our laboratory mitigates pile-up by reconstructing the photon-arrival histogram using a run-time estimate of detector activity. To date, this approach has been validated under a binary availability model, where the detector is either fully active or inactive. However, ongoing efforts to reduce timing jitter and dead time are increasingly moving toward discrete, pixelated, multi-cell sensors with a limited number of cells (and hence a capacitively light readout), where availability is inherently fractional and time-varying. This motivates extending and validating the correction framework in the context of such discretized architectures. Motivated by this trend, this work investigates a non-binary TCSPC architecture tailored to high-throughput FLIM, with the long-term objective of scaling toward a pixelated-pixel detector matrix. The thesis therefore focuses on optimizing the fundamental building block of a pixelated detector, balancing circuit complexity and performance. This elementary sensing unit integrates a limited number of microcells to keep the signal pick-up node capacitively light and improve timing accuracy, while being sized to achieve nearmaximal measurement efficiency. A sub-nanosecond front-end and shared on-chip logic merge the cell timing outputs into a single stream while exporting per-pixel state information, enabling pile-up correction in the non-binary operating regime. The optimization and behavioral characterization of the architecture are carried out through an extensive set of MATLAB simulations that emulate periodic TCSPC measurements over biologically relevant lifetimes, photon budgets, and dead-time constraints, and are used to derive sizing rules that maximize measurement efficiency while limiting architectural complexity. Finally, we present a first discrete prototype of the architecture proposed in this thesis, which extracts high-precision photon timing information from the sensor and implements the logic required to track fired cells, thereby enabling reconstruction of the detector activation history. This prototype enables an initial experimental characterization and paves the way toward 3-D stacked integrated architectures and scalable multi-pixel extensions. Ultimately, this work lays the groundwork for TCSPC systems that couple picosecondclass timing with the ability of recording multiple photons per multi-cell pixel within each excitation period, paving the way toward non-binary, state-aware detectors for real-time and ultra-high-resolution biomedical FLIM

La Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) sta acquisendo crescente rilevanza in ambito intraoperatorio e clinico, dove il feedback visivo deve essere reso disponibile al chirurgo entro la scala temporale di un gesto operatorio, abilitando funzionalità di navigazione chirurgica e supporto decisionale in tempo reale. In questo contesto, la luce rappresenta una sonda a bassa invasività e il contrasto basato sul tempo di vita della fluorescenza consente di estrarre informazioni funzionali sensibili al microambiente tissutale, in larga misura indipendenti da intensità di eccitazione, concentrazione del fluoroforo e fotobleaching. La possibilità di tradurre tali indicatori biologici in mappe cellulari ad elevata risoluzione spaziale rende la FLIM una candidata promettente per applicazioni di guida ottica e supporto decisionale in tempo reale, ad esempio in neurochirurgia e nella chirurgia del distretto testa-collo. In questo quadro, la Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) è generalmente considerata il gold standard tra le tecniche di ricostruzione del segnale grazie alla sua sensibilità e alla risoluzione temporale al livello del picosecondo. Tuttavia, la sua capacità di throughput è strettamente vincolata dal tempo morto: tale stato di inattivazione del sistema introduce distorsione da pile-up e, nelle architetture convenzionali, limita tipicamente il range di funzionamento affidabile a ≲ 5% della frequenza di eccitazione, rallentando le acquisizioni in condizioni di segnali a bassa intensità e in scenari real-time. Una strategia di correzione recentemente sviluppata nel nostro laboratorio permette il superamento del limite imposto dal pile-up ricostruendo l’istogramma di arrivo dei fotoni tramite una stima run-time dell’attività del rivelatore. Ad oggi, tale approccio è stato validato su sensori caratterizzati da un modello di attivazione binario, in cui il rivelatore è interamente attivo o inattivo. Tuttavia, gli sforzi attuali per ridurre il jitter del timing e il tempo morto stanno convergendo verso sensori discreti, pixelati e multi-cella con un numero limitato di fotorivelatori (e quindi un nodo di sensing con carico capacitivo ridotto), in cui l’attivazione è intrinsecamente frazionaria e variabile nel tempo. Questo rende necessaria l’estensione e la validazione della tecnica di correzione anche nel contesto di tali architetture discretizzate. Alla luce di tale tendenza, in questo studio viene indagata un’architettura TCSPC non bi- naria orientata a FLIM ad alto throughput, con l’obiettivo a lungo termine di ampliare il sistema verso una matrice di pixel-pixelati. L’analisi si concentra quindi sull’ottimizzazione dell’unità fondamentale della matrice, bilanciando complessità circuitale e massimizzazione delle prestazioni. Tale unità elementare integra un numero limitato di microcelle per mantenere un ridotto carico capacitivo al nodo di sensing e migliorare l’accuratezza temporale, pur garantendo un’efficienza di misura prossima al valore limite. Un front-end caratterizzato da un tempo morto sotto il nanosecondo e una logica implementata onchip permettono la serializzazione delle uscite di timing delle celle in un unica linea di segnale, esportando al contempo l’informazione dello stato di ogni singolo pixel necessaria per l’applicazione dell’algoritmo di correzione. L’ottimizzazione e la caratterizzazione dell’architettura sono state condotte mediante molteplici simulazioni in ambiente MATLAB, che emulano misure TCSPC periodiche prendendo in considerazione costanti di fluorescenza rilevanti da un punto di vista clinico, capacità di emissione dei campioni biologici e vincoli di tempo morto del sensore. I risultati di tali simulazioni permettono di derivare regole di dimensionamento che massimizzano l’efficienza di misura limitando la complessità del sistema. Infine, viene presentato un primo prototipo a discreti dell’architettura proposta, che estrae dal sensore l’informazione di timing ad alta precisione e implementa la logica necessaria a tenere traccia le celle scattate, consentendo la ricostruzione della storia di attivazione del rivelatore. Tale prototipo rende possibile una prima caratterizzazione sperimentale e apre la strada ad architetture integrate in 3-D stack e a estensioni scalabili multi-pixel. In conclusione, questo studio pone le basi per sistemi TCSPC che combinano prestazioni di timing con precisione al livello del picosecondo con la capacità di registrare più fotoni per pixel per ciclo di eccitazione, aprendo la strada alla realizzazione di rivelatori non binari e state-aware destinati ad applicazioni FLIM in ambito biomedicale, in tempo reale e ad altissima risoluzione.