Moltissimi materiali, come ad esempio i tessuti biologici, possono essere studiati usando tecniche di ottica diffusa nel dominio del tempo (time-domain diffuse optics - TD-DO), ottenendo importanti informazioni in modo completamente non invasivo. Sfruttando i più recenti sviluppi tecnologici e ideando nuovi approcci di misura, il laboratorio GAP ambisce a spingere queste tecniche verso la loro massima espressione in termini di sensibilità e profondità di penetrazione. L’attività del laboratorio può essere concettualmente suddivisa in diversi ambiti, i quali tuttavia sono fortemente interconnessi, essendo tutti coerentemente orientati al suddetto scopo. L’attività di ricerca è arricchita dalla continua collaborazione con gruppi di ricerca di altre istituzioni, tanto a livello nazionale quanto internazionale, massimizzando in questo modo la rilevanza dei risultati e il loro impatto su scala mondiale.

RIVELATORI A LARGA AREA

Il raggiungimento delle massime prestazioni in misure di TD-DO è storicamente limitato dalla piccola area di raccolta dei tradizionali rivelatori microelettronici a singolo-fotone. Per raggiungere in futuro profondità di penetrazione fino a 6 cm (considerato il limite teorico della tecnica) nei mezzi diffondenti è quindi fondamentale poter disporre di rivelatori in grado di massimizzare la raccolta del segnale diffuso, in particolare quello dei pochi fotoni che vengono rivelati con maggiore ritardo rispetto all’iniezione, poiché in grado di raggiungere profondità maggiori [2015_DallaMora_BOEx]. Nel 2015 il laboratorio GAP ha dimostrato la possibilità di realizzare rivelatori basati su fotomoltiplicatori in silicio (silicon photomultipliers - SiPMs) ottenendo le migliori prestazioni in termini di risoluzione temporale mai riportate in letteratura per questi dispositivi [2015_DallaMora_OptExpr]. Grazie alla loro grande area di raccolta (> 1 mm2, confrontabile con quella dei classici fotomoltiplicatori a vuoto), alla possibilità di operare direttamente a contatto con il tessuto (senza necessità di utilizzare fibre ottiche, a vantaggio dell’apertura numerica di raccolta) e agli altri vantaggi tipici dei dispositivi a stato solido (e.g., robustezza, insensibilità ai campi magnetici, basso costo e bassa tensione di polarizzazione), l’uso di tali dispositivi si è rapidamente diffuso nell’ambiente [DallaMora_2020_NIMA]. A questo processo il laboratorio ha contribuito progettando sia moduli di fotorivelazione basati su SiPM raffreddati (con aree di raccolta di <2 mm²) per applicazioni dove il basso rumore e/o la stabilità sono requisito imprescindibile, sia moduli miniaturizzati basati su SiPM in grado di essere montati direttamente nella sonda a contatto con i tessuti biologici (con aree di raccolta fino a 9 mm²) allo scopo di massimizzare la quantità di segnale raccolto [2016_Martinenghi_RSI, 2016_Re_Neuroph, 2020_Di Sieno_BOEx]. I vantaggi di tali sviluppi sono stati dimostrati tramite l’applicazione di rigorosi protocolli di caratterizzazione, così come nelle applicazioni sul campo (e.g., imaging ottico dell’attività cerebrale, mammografia ottica, valutazione della qualità di diversi frutti, etc.). Inoltre, grazie al progetto SP-LADOS (nell’ambito del progetto Attract promosso dall’Unione Europea), il laboratorio GAP ha contribuito alla realizzazione dei più grandi rivelatori microelettronici mai realizzati e validati per la TD-DO, raggiungendo aree fino a 1 cm² che hanno permesso di dimostrare una profondità di penetrazione record nei tessuti biologici (>4 cm) [2020_Acerbi_Instru; 2021_Behera_JSTQE].

(Fig.1) Esempi di rivelatori basati su SiPM. (a) rivelatore con area di 1 mm² integrato in una sonda di misura; (b) e (c) rivelatori da 36 mm² e 1 cm² sviluppati nel progetto SP-LADOS; (d) modulo SiPM per rivelatori raffreddati.

ACQUISIZIONE IN MODALITÁ “FAST-GATED”

Un’altra condizione per il raggiungimento delle massime prestazioni in misure di TD-DO è l’uso di rivelatori abilitabili in brevi finestre temporali, spegnendoli e accendendoli in poche centinaia di picosecondi (fast-gated detectors) [2015_DallaMora_BOEx]. L’acquisizione selettiva di piccole porzioni di forme d’onda ottiche permette infatti di aumentare la visibilità dei fotoni che hanno raggiunto una profondità maggiore nel mezzo, ottenendo misure con una dinamica elevatissima [2010_Dalla Mora_JSTQE]. Grazie all’assidua collaborazione con il dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria (DEIB) del Politecnico di Milano, il laboratorio GAP ha contribuito allo sviluppo di una nuova tecnica di misura che consiste nella minimizzazione della distanza tra il punto di iniezione e quello di raccolta della luce sul tessuto. L’implementazione di tale tecnica è stata resa possibile unicamente grazie al concomitante sviluppo di fotodiodi a valanga (single-photon avalanche diodes – SPADs) operati in modalità fast-gated, dimostrandone i benefici in diverse applicazioni (e.g., massima risoluzione spaziale e aumento della profondità di penetrazione nell’analisi di tessuti eterogenei, possibilità di misure senza contatto con il tessuto, etc.) [2016_DiSieno_JBO, 2013_Mazurenka_BOEx, 2019_DiSieno_ApplSci]. Nonostante in questo ambito i risultati fossero inizialmente limitati dalle piccolissime aree di raccolta degli SPAD (<0.01 mm²), oltre che da contributi di rumore precedentemente non rilevabili con tecniche tradizionali [2015_DallaMora_JAP], grazie alla stessa collaborazione con DEIB, negli ultimi anni si è riusciti a sviluppare e validare rivelatori fast-gated basati su SiPM anziché SPAD, consentendo di combinare i benefici di un’acquisizione fast-gated con quelli della grande area di raccolta (fino a 8.6 mm²) [2021_DiSieno_OptLett, 2020_Conca_JSSC].

(Fig.2) Rappresentazione schematica della tecnica di misura fast-gated. Una forma d’onda ricostruita con elevata estensione dinamica può essere ottenuta dall’acquisizione di piccole porzioni della stessa curva, aggiustando ogni volta la potenza ottica iniettata nel campione per ottimizzare in ogni porzione il rapporto segnale-rumore.

ELEVATO TASSO DI CONTEGGIO DI FOTONI

(Fig.3) Rappresentazione schematica del guadagno riconducibile all’aumento del tasso di conteggio di fotoni: grazie al maggiore segnale disponibile a tempi lunghi è possibile raggiungere parti del corpo umano altrimenti inaccessibili.

Un ulteriore prerequisito per ottenere le massime prestazioni da sistemi TD-DO è la possibilità di processare molti eventi di conteggio di singolo fotone senza perdite o distorsioni. Oggigiorno usando rivelatori a larga area di raccolta si ha a disposizione un livello di segnale molto elevato. Paradossalmente, a volte, si rende così necessario attenuarlo per rimanere nella cosiddetta “statistica di singolo-fotone” (in cui il tasso di acquisizione di fotoni è molto inferiore al tasso di iniezione di impulsi laser), minimizzando la possibilità del contemporaneo arrivo di più fotoni al rivelatore per evitare appunto ogni distorsione. In caso di arrivo di più di un fotone per impulso laser, infatti, la curva acquisita risulterebbe distorta in particolare a tempi lunghi, dove l’informazione è più importante. Sfruttando i più recenti sviluppi tecnologici nell’ambito dei dispositivi di acquisizione del tempo di volo dei fotoni, il laboratorio GAP ha esplorato la possibilità di operare molto oltre il limite di “singolo-fotone”, applicando opportune tecniche di correzione delle forme ottiche ricostruite. In tal modo è stato dimostrato un forte miglioramento delle prestazioni in termini di profondità di penetrazione, rapporto segnale-rumore e tempo di misura, aprendo così la strada tanto a misure più rapide, quanto a una maggiore qualità delle stesse.

MINIATURIZZAZIONE

Anche la miniaturizzazione dei componenti e dei sistemi è un requisito imprescindibile, oltre che per la diffusione della TD-DO, anche per il miglioramento delle prestazioni. Solo miniaturizzando è infatti possibile aumentare il numero di canali di misura, massimizzando la copertura del tessuto da misurare con diversi punti di iniezione e di raccolta della luce. Grazie alla miniaturizzazione potrebbe essere possibile in futuro avere dispositivi indossabili basati su questa tecnologia, dedicati ad esempio al mercato consumer (e.g., per il monitoraggio dell’ossigenazione muscolare nell’ambito della pratica sportiva). Nel 2016 il laboratorio GAP ha dimostrato sia la possibilità di utilizzare sorgenti laser miniaturizzate per TD-DO [2017_DiSieno_JBO], sia quella di ospitare fotorivelatori miniaturizzati direttamente sulla sonda a contatto con i tessuti umani [2016_Re_Neuroph, 2020_Di Sieno_BOEx]. Recentemente, inoltre, grazie all’attività svolta nell’ambito del progetto europeo SOLUS (finanziato dall’Unione Europea), il laboratorio GAP è stato coinvolto nella realizzazione e validazione del primo sistema miniaturizzato multispettrale per TD-DO dalle dimensioni di pochi centimetri cubi (riducendo le stesse di ordini di grandezza rispetto a sistemi allo stato dell’arte). Il dispositivo in questione integra le più avanzate tecniche, quali una grande area di raccolta (> 8.6 mm2) e la possibilità di effettuare acquisizioni “fast-gated”. Grazie a un tale livello di miniaturizzazione è ora possibile pensare di progettare sistemi tomografici basati su questa tecnologia.

(Fig.4) Esempi di miniaturizzazione di componenti/sistemi per TD-DO. (a) sonda contente un SiPM da 9 mm² per misure a contatto; (b) driver per laser impulsati realizzato in tecnologia CMOS; (c) parallelizzazione di 4 sistemi multispettrali miniaturizzati in pochi cm³ frutto del progetto europeo SOLUS.

ATTIVITÁ ATTUALI E PROSPETTIVE

In relazione alle attività presentate sopra, il laboratorio GAP sta al momento lavorando per raggiungere diversi obiettivi. Nei prossimi mesi gli ultimi rivelatori a grande area (e.g., 1 cm2) verranno operati ad elevati tassi di conteggio per combinare i vantaggi derivanti dai due ambiti. La validazione sperimentale interesserà sia fantocci ottici opportunamente realizzati per simulare i tessuti umani, quanto misure su volontari. Nello studio della possibilità di operare senza limiti derivanti alla statistica di singolo fotone verranno valutati nuovi e più avanzati algoritmi per la correzione delle distorsioni. In particolare, si studierà la possibilità di aumentare la dinamica di acquisizione a piccole distanze sorgente-rivelatore grazie all’elevato tasso di conteggio, più semplice da ottenere rispetto alla realizzazione di fotorivelatori fast-gated. Grazie alla miniaturizzazione raggiunta e alla possibilità di operare oltre la statistica di singolo fotone, nei prossimi mesi verrà progettato, realizzato e validato un array lineare miniaturizzato di rivelatori per TD-DO in grado di effettuare misure multispettrali parallele per applicazioni spettroscopiche. Nuovi rivelatori fast-gated a larga area, sorgenti compatte, elettroniche miniaturizzate di acquisizione del tempo di volo dei fotoni e interi sistemi miniaturizzati completi attualmente in fase di sviluppo verranno caratterizzati e validati in diversi ambiti applicativi (e.g., problematiche di imaging ottico dell’attività cerebrale, tomografia ottica, etc.) La strada verso nuove applicazioni e prestazioni precedentemente impensabili nel campo della TD-DO è appena iniziata ed il laboratorio GAP vuole continuare ad esserne protagonista.

STRUMENTAZIONE

• sistema di fotorivelazione ad elevatissimo tasso di acquisizione basato su due sorgenti a diversa lunghezza d’onda (670 and 830 nm) ed elevata potenza ottica
• rivelatori integrabili in sonde ottiche con aree di raccolta fino a 9 mm² SiPMs
• moduli di fotorivelazione basati su SiPM a larga area (36 e 100 mm²)
• moduli di fotorivelazione basati su SPAD in modalità fast-gated (con diametro area attiva di 100 µm)
• sistemi di fotorivelazione basati su SiPM in modalità fast-gated (con area attiva fino a 8.6 mm²)
• sistema miniaturizzato multispettrale per TD-DO (8 laser, fast-gated SiPM ed elettronica di timing integrata)

COLLABORATIONS

• Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA-LETI), Grenoble (France):
• Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Berlin (Germany)
• University of Oulu, Oulu (Finland)
• Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), Castelldefels (Spain)
• University College London, London (UK)
• Politecnico di Torino, Torino (Italy)
• Università di Firenze, Florence (Italy)
• Politecnico di Milano, DEIB, Milan (Italy)
• Centre Hospitalier Universitaire-Grenoble, Grenoble (France)
• Medical Photonics Research Center, Hamamatsu (Japan)
• Fondazione Bruno Kessler, Trento (Italy)
• PIONIRS s.r.l., Milano (Italy)

INFORMAZIONI PER TESI

Il laboratorio GAP è disponibile ad accogliere studenti per lo svolgimento di attività sperimentale nell’ambito delle tesi di laurea magistrale. Alcuni esempi di tesi disponibili sono consultabili a questo Link. Gli studenti interessati sono invitati a contattare i responsabili di laboratorio (prof. A. Dalla Mora e Dr. L. Di Sieno) per ottenere informazioni aggiornate sulle attività in corso e sulla disponibilità di posizioni per tesi di laurea magistrale.