JP2020519324A - Analog-to-analog current/voltage conversion electronics for biomedical optical imaging systems - Google Patents

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フセイン オズギュル カザンチ,
フセイン オズギュル カザンチ,
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アクデニズ ユニバーシテシ
アクデニズ ユニバーシテシ
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Abstract

本発明は、生体医用光学イメージングシステムで使用されるアナログ電流/電圧変換器の電子回路に関する。本発明は、特に生体医用光学イメージングシステムが光ファイバーケーブルからの光強度情報を読み取るため光ファイバーケーブルに接続するpn型半導体フォトダイオードに流れる電流の量の電圧値に電子光ケーブル繊維の特に生物医学的光学結像系であるのpn型半導体電子電流の量に変換することに関しての電子アナログ電流/電圧変換器との回路全体に関連する。
【選択図】図3
The present invention relates to the electronics of analog current/voltage converters used in biomedical optical imaging systems. The present invention is particularly applicable to biomedical optical coupling of electro-optical cable fibers to voltage values of the amount of current flowing through a pn-type semiconductor photodiode connected to the optical fiber cable for the biomedical optical imaging system to read light intensity information from the optical fiber cable. It relates to the whole circuit with an electronic analog current/voltage converter in terms of converting the amount of pn-type semiconductor electron current of the image system.
[Selection diagram] Fig. 3

Description

技術分野及び背景技術Technical field and background technology

生体医学のDOT装置は、あらゆるタイプの組織内での光源位置に入った後も組織内を伝播し続け、進行中にも組織内に軌道の形成の原因となるレーザー光子が特定の検出器位置から収集する、そして収集されたその光子の電気的に測定する回路と、その回路も適切に使用された後画像作成アルゴリズムや方法で画像への変換を可能にする医療用イメージング装置である。 Biomedical DOT devices continue to propagate in tissue after entering a light source position in any type of tissue, and laser photons that cause the formation of trajectories in the tissue during progression are detected at specific detector positions. A circuit for collecting from and electrically measuring the collected photons, and a medical imaging device that also allows the circuit to be converted to an image by an imaging algorithm or method after being used appropriately.

拡散光トモグラフィ(DOT)システムでは、入力のフォトダイオードに基づいて測定されるフォトダイオード電流を電圧値に変換する電子回路は使用されている。この電子回路は、一般的な用途に加えて、特別な目的のためにDOTシステムのデータ収集部品の電子部品にもあることがある。前記の電子回路は、入力のフォトダイオードに落ちる光子が半導体電子フォトダイオードを介して電流に変換された直後にその電流に変換するために使用される。それに従って、前記の電子回路は半導体フォトダイオード内のpn型の接合でp型(正孔密度)及びn型(電子密度)のゾーンの間での空乏の空間電荷ゾーン、そしてp型及びn型の本体ゾーンにある少数および多数の電流キャリアによって流れる電流を電圧値に変換する。 In diffuse optical tomography (DOT) systems, electronic circuits are used that convert the photodiode current measured based on the input photodiode into a voltage value. In addition to general use, this electronic circuit may also be found in the electronic components of the DOT system data acquisition component for special purposes. The electronic circuit is used to convert the photons falling on the input photodiode into a current immediately after being converted into a current via the semiconductor electronic photodiode. Accordingly, the electronic circuit described above has a depletion space charge zone between p-type (hole density) and n-type (electron density) zones at a pn-type junction in a semiconductor photodiode, and p-type and n-type. It converts the currents carried by the minority and majority current carriers in the body zone of the to a voltage value.

現在の技術では、この分野で使用されるアナログ電流入力及び電圧出力を備えたすべての回路が存在している。バーブラウンとテキサスインスツルメンツのDDC232「32チャンネル、電流入力、アナログ・デジタル変換回路全体」、DDC101「20ビット、アナログ・デジタル変換回路全体」、DDC112「ダブル電流入力20ビット、アナログ・デジタル変換回路全体」DDC114「クワッド電流入力20ビットアナログ・デジタル変換回路全体」、DDC118「オクト電流入力20ビットアナログ・デジタル変換回路全体」そしてDDC316「16チャンネル、電流入力、アナログ・デジタル変換回路全体」はこの全ての回路の例としてあげることができるのである。 In the state of the art, there are all circuits with analog current inputs and voltage outputs used in this field. Burr Brown and Texas Instruments DDC232 "32 channels, current input, whole analog-digital conversion circuit", DDC101 "20 bits, whole analog-digital conversion circuit", DDC112 "Double current input 20 bits, whole analog-digital conversion circuit" DDC114 "quad current input 20-bit analog-digital conversion circuit", DDC118 "oct current input 20-bit analog-digital conversion circuit" and DDC316 "16 channels, current input, analog-digital conversion circuit" are all circuits. Can be given as an example.

以下の特許も、当技術分野の先行技術に関する。
US5841310番の「アナログ・デジタル変換器への電流−電圧積分器及びそれに関する方法」と題する特許公報
US5515260番の「電流−電圧変換回路、電流圧縮伸張回路、自動露出制御システム及び内蔵センサーの自動露出制御システム」と題する特許公報
WO1998045798番の「アナログ−デジタル変換器のための電流−電圧積分器」と題する特許公報
US5841310番の「アナログ−デジタル変換器のための電流−電圧積分器及びその方法」と題する特許公報
EP0974119番の「アナログ−デジタル変換器のための電流−電圧積分器」と題する特許公報
US5103230番の「精密デジタル化電流積分及び測定回路」と題する特許公報
US5703589番の「デルタシグマ変調器のためのスイッチトキャパシタキャパシタ入力サンプリング回路及び方法」と題する特許公報
The following patents also relate to prior art in the art.
US Pat. No. 5,841,310 entitled "Current-voltage integrator to analog-to-digital converter and method relating thereto". US Pat. Patent publication entitled "Control system" WO19980457798 "Current-voltage integrator for analog-digital converter" Patent publication US5841310 "Current-voltage integrator for analog-digital converter and method thereof" Patent publication EP 0974119 entitled "Current-voltage integrator for analog-to-digital converter" Patent publication US 5103230 "Precision digitized current integration and measurement circuit" Patent publication US 5703589 "Delta sigma modulation" CAPACITOR INPUT SAMPLING CIRCUIT AND METHOD FOR EQUIPMENT"

前述のDDCシリーズでは、内蔵レシーバとアナログデジタル変換器(ADC)の両方の製品でも、入力電流のスイッチングモードは考慮されていない。入力電流は制御回路から来ると述べられているが、入力の電流がどのように切り替わるかについての詳細な情報はない。この技術では、電流/電圧サイクルタイミングが少なくとも330マイクロ秒であると述べられる。一方、積分のタイミングを短縮するための研究は行われていない。これに関して時間パルス図のみがある。通常の状態では、パルスはパルス発生回路から供給される。パルスの生成、そして特定の同期に従ってアナログ回路ブロックに送信することは、デジタル制御タイミング回路を使用して実行できる。一種のバーチャルマイクロコントローラーがデジタルブロック組み込むこと、同時にタイミングを制御すること、矩形パルス信号を生成する必要がある。タイミングの生成に関する主題は、従来技術では言及されていない。 In the DDC series described above, the switching mode of the input current is not taken into consideration in both products of the built-in receiver and the analog-digital converter (ADC). Although the input current is said to come from the control circuit, there is no detailed information on how the input current switches. The technique states that the current/voltage cycle timing is at least 330 microseconds. On the other hand, no research has been conducted to shorten the integration timing. There is only a temporal pulse diagram in this regard. In the normal state, the pulse is supplied from the pulse generating circuit. The generation of pulses and the transmission to the analog circuit block according to a certain synchronization can be performed using digitally controlled timing circuits. It is necessary to incorporate a kind of virtual microcontroller into the digital block, control the timing at the same time, and generate a rectangular pulse signal. The subject of timing generation is not mentioned in the prior art.

現在の技術では、この作業のために特定で、非常に複雑なデジタル/時間(「digital to time converter」−DTC)回路で積分動作するスイッチングトランジスタの位相タイミングの遅延を実現することができる。しかし、この場合には、回路が更にもっと複雑になるし、それと共に、コンデンサスイッチング(「switching capacitance」)からのノイズが増加する。それらを防ぐためにアクティブ電子フィルター回路を配置する必要がある。 State-of-the-art is able to realize phase timing delays of the switching transistors, which are specific to this task and integrate in a very complex digital/time (“digital to time converter”-DTC) circuit. However, in this case, the circuit becomes even more complex, and with it the noise from the capacitor switching (“switching capacitance”) increases. Active electronic filter circuits need to be placed to prevent them.

DTC回路の最低のタイミングDTC回路の「A High−Linearity Digital−to−Time Converter Technique:Constant−Slope Charging」IEEE Journal of Solid−State Circuits誌(50巻、6号、2015年6月)資料に記載されている。この研究での方法を使用して、100フェムト秒のタイミング範囲で積分できるスイッチング回路の設計及び実現は可能かもしれない。しかし、例え、タイミング回路を作るだけにも低ノイズバッファ」(「Low Noise Buffer 」− LNB)、ランプ発生器(「ramp generator」)、デジタル/アナログ変換器(「Digital to Analog Converter」−DAC)、位相同期回路(「Phased Lock Loop」−PLL)などの複雑な回路の設計、模式図や直列の描画する必要になる。この基準は、起源として使用され、DTC回路の設計、標準積分レシーバの積分容量のスイッチング動作を実行するスイッチCMOSトランジスタを、DTCタイミング回路の適切使用でDTCタイミング回路から来るイミングマークを介して行われ得る。しかし、この場合、回路の複雑さと電気ノイズの両方も増加する。もう一つの観点は、現在のタイミングが組織タイプを区別できる値まで下がることができないということである。 Minimum Timing of DTC Circuit "A High-Linearity Digital-to-Time Converter Technique: Constant-Slope Charging", IEEE Journal of Solid-State 6th Volume, No. 6, Vol. 20, No. 6, Vol. 20, pp. 50. Has been done. Using the method in this study, it may be possible to design and implement a switching circuit that can integrate over a 100 femtosecond timing range. However, for example, a low noise buffer (“Low Noise Buffer”-LNB), a ramp generator (“ramp generator”), and a digital/analog converter (“Digital to Analog Converter”-DAC) may be used just to make a timing circuit. , A phase-locked loop (“Phased Lock Loop”-PLL) and other complicated circuits need to be designed, a schematic diagram and drawn in series. This criterion is used as the origin, design of the DTC circuit, switch CMOS transistor to perform the switching operation of the integrating capacitance of the standard integrating receiver, through proper use of the DTC timing circuit through imming marks coming from the DTC timing circuit. obtain. However, this also increases both circuit complexity and electrical noise. Another point of view is that the current timing cannot be lowered to a value that can distinguish the tissue type.

上述したように、従来技術の解決策では、積分容量をスイッチングすることとして、即ち、所定の電圧値の充電及びフォトダイオード流を介して電流の放電を可能にするスイッチングトランジスタのデジタル制御信号値をマイクロコントローラから持ってきてデジタル制御の電子回路のタイミングを供給するデジタル/時間(「digital−to−time converter−DTC」のビルディングブロックのデジタルフロアの設計及び大規模な集積回路(「Very Large Scale Integration Circuits」−VLSI)の中に埋め込むことで可能になる。 As mentioned above, in the prior art solution, the digital control signal value of the switching transistor, which enables the charging of a predetermined voltage value and the discharging of the current through the photodiode current, is performed by switching the integrating capacitance. Design of the digital floor of a digital/time (“digital-to-time converter-DTC” building block that is brought from a microcontroller to provide the timing of digitally controlled electronics and a large integrated circuit (“Very Large Scale Integration”). It becomes possible by embedding it in "Circuits"-VLSI).

要約すると、新しいデジタルタイミング回路ブロックを設計及び分析する場合、既存の積分レシーバ回路内に実装して、回路ブロック間の電気的整合性を確保する必要がある。上述したように、これらの回路ブロックの設計、回路全体での配置は更に大きな負担になる。これらは、構造的に回路の複雑さを増加させ、回路の電気ノイズを増加させ、この電気ノイズの増加を防ぐために回路に電気的のアクティブフィルターを設計及び配置する必要がある。電気的ノイズの最大の原因は積分の容量をトランジスタを介してスイッチング(「capacitive switching」)と関連のノイズである。 In summary, when designing and analyzing new digital timing circuit blocks, they must be implemented within existing integrating receiver circuits to ensure electrical integrity between the circuit blocks. As described above, designing these circuit blocks and arranging them in the entire circuit imposes an even greater burden. These structurally increase the circuit complexity, increase the electrical noise of the circuit, and it is necessary to design and arrange electrical active filters in the circuit to prevent the increase of this electrical noise. The largest contributor to electrical noise is the noise associated with switching the capacitance of the integration through the transistor (“capacitive switching”).

結局、本技術のタイミング回路は非常に高価であり、100フェムト秒より下回らない。従って、DTC回路が設計及び製造され、電流/電圧変換の積分が実行されても、この期間を連続する測定で使用しても、異なる吸収係数と散乱係数を持つ組織タイプを既存の技術で区別することは不可である。 After all, the timing circuit of the present technology is very expensive, no less than 100 femtoseconds. Therefore, whether a DTC circuit has been designed and manufactured, current/voltage conversion integration performed, or used for successive measurements during this period, tissue types with different absorption and scattering coefficients can be distinguished by existing techniques. It is impossible to do.

従って、既存の技術における新しい方法の必要性は徐々に高まり始めている。 Therefore, the need for new methods in existing technology is gradually increasing.

上記に基づいて、本発明の目的は、生体医用光学イメージングシステム法の一つである拡散光トモグラフィ(DOT)システムにおける組織タイプの区別を実現することである。 Based on the above, it is an object of the present invention to achieve tissue type discrimination in a diffuse optical tomography (DOT) system, which is one of the biomedical optical imaging system methods.

本発明の別の目的は、アナログ電流−電圧変換器のすべての回路における電流/電圧積分サイクルのタイミングを既存の値よりはるかに低減することである。 Another object of the invention is to reduce the timing of the current/voltage integration cycle in all circuits of analog current-voltage converters far below the existing values.

本発明の別の目的は、アナログ電流電圧変換器回路におけるDTCなどのデジタル制御回路を排除することである。 Another object of the invention is to eliminate digital control circuits such as DTCs in analog current-voltage converter circuits.

本発明の新規性は以下のように説明できる。タイミング遅延、つまり、積分プロセスを実行する容量以上生成される基準電圧が入力のフォトダイオードを介して、流れるプロセスの時間は積分プロセスの切り替えを担当する2つのCMOS(「Complementary Metal−Oxide Silicon」相補型金属酸化膜シリコン)MOSFET(「金属酸化膜シリコン電界効果トランジスタトランス」Metal−Oxide Silicon Field Effect Transistor)とトランジスタのゲート(「gate」)が起こされるのは、金属またはポリシリコン接続長さが異なることによって実現される。 The novelty of the present invention can be explained as follows. Timing delay, that is, the time of the process that flows through the photodiode whose input is a reference voltage generated above the capacity for performing the integration process, is the time when the integration process is switched. Type metal oxide silicon) MOSFET (“Metal-Oxide Silicon Field Effect Transistor”) and the gate (“gate”) of the transistor are caused by different metal or polysilicon connection lengths. It is realized by

例えば、20マイクロメートルの金属またはポリシリコン線の長さの違いは、約100フェムト秒のタイミングの違いにつながる。1マイクロメートルの長さの違いの場合、約5フェムト秒のタイミング遅延が生じる。回路の集積プロセスに担当する二つのCMOSトランジスタのマイクロコントローラ制御回路空同時に導入する電圧スイッチング信号を、ゲート(「gate」)ポートに制御回路の長さの違いにより導入することにより、所望の時間遅延が得られるのである。 For example, a difference in length of a 20 micrometer metal or polysilicon line leads to a timing difference of about 100 femtoseconds. A 1 micrometer length difference results in a timing delay of approximately 5 femtoseconds. Microcontroller control circuit of two CMOS transistors in charge of circuit integration process The voltage delay signal introduced at the same time is introduced to the gate (“gate”) port due to the difference in the length of the control circuit to obtain a desired time delay. Is obtained.

組織表面から組織の中に光源位置から送られた光子を検出器位置の収集する確率関数を示している。Fig. 7 shows a probability function of collecting photons sent from a light source position into a tissue from a tissue surface at a detector position. 時間ゾーンで動作する拡散光トモグラフィ(TRDOT)システムに関して代表的な図を示している。1 illustrates a representative diagram for a diffuse optical tomography (TRDOT) system operating in the time zone. 伝送線遅延回路とスイッチを示している。A transmission line delay circuit and a switch are shown. スイッチの図を示している。The figure of a switch is shown. 積分レシーバ回路図である。It is an integrating receiver circuit diagram. 演算増幅器のトランジスタレベルの内部構造を示している。The transistor-level internal structure of an operational amplifier is shown. 演算増幅器のローパスフィルタを備えるの実施形態に関してのの回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram for an embodiment that includes a low pass filter of an operational amplifier.

この詳細な説明において、本発明は、主題のより良い理解に対するいかなる限定効果も構成しない実施形態によって例示される。 In this detailed description, the invention is illustrated by the embodiments which do not constitute any limiting effect on a better understanding of the subject matter.

従って、本発明は、特に生体医用光学イメージング法の一つである拡散光トモグラフィ(DOT)システムにおける組織タイプの区別を可能とする。本発明で説明され、DOTシステムの電子データ取得部分で使用される予定の回路全体は、フェムト秒及びより低いタイミングで積分できる。 Thus, the present invention allows for tissue type discrimination, especially in diffuse optical tomography (DOT) systems, which is one of the biomedical optical imaging methods. The entire circuit described in the present invention and intended for use in the electronic data acquisition portion of the DOT system can be integrated in femtoseconds and lower timing.

従って、例えば伝送線遅延回路によって1マイクロメートルの長さのライン差を作成しても、この伝送線の差により、約5フェムト秒のタイミングを実現できる。1マイクロメートルの金属伝送線路は、現在の技術ではチャネル長は10ナノメートルと考えられたら、10ナノメートルの値の100倍である。つまり、1マイクロメートルの伝送線でさえも設計でき、レイアウトが描くチップに簡単に挿入して、さらに長くすることができる。即ち、さらに小さい伝送線を描くことが可能であり、従って、積分タイミングとしてフェムト秒値を下回ることができる。 Therefore, for example, even if a line difference having a length of 1 μm is created by a transmission line delay circuit, a timing of about 5 femtoseconds can be realized by the difference in the transmission line. A 1 micrometer metal transmission line has a channel length of 100 times the value of 10 nanometers, assuming that the current technology has a channel length of 10 nanometers. That is, even a 1-micron transmission line can be designed and easily inserted into the layout drawing chip to make it even longer. That is, it is possible to draw a smaller transmission line, and therefore, the integration timing can fall below the femtosecond value.

図1では、組織(10)の表面の中へ光源表面(20)から送信された光子を検出器位置(30)に収集する確率の関数を示している。組織の光学特性に応じて、異なる積分タイミングで検出器の位置で収集される光子の数、つまりフォトダイオードで測定した場合、光強度値は異なる。ある組織タイプでは、t1積分時間で測定された光強度値は11であったら、別の組織タイプでは、I2になる。異なる組織タイプのため非常に短い積分時間の延期で次々に測定されるフォトダイオード電流の値が定式化されると、組織タイプの特性が推定できるのである。 In FIG. 1, a function of the probability of collecting photons transmitted from the light source surface (20) into the surface of the tissue (10) at the detector location (30) is shown. Depending on the optical properties of the tissue, the number of photons collected at the detector location at different integration timings, ie the light intensity values when measured with a photodiode, will be different. For one tissue type, the light intensity value measured at the t1 integration time was 11, and for another tissue type it was I2. When the values of the photodiode current measured one after another with very short integration time delays for different tissue types are formulated, the tissue type characteristics can be estimated.

頭に浮かぶ疑問の一つは、なぜ非常に小さな積分タイミングに移行したいのかということである。連続的に行われる多数の非常に小さな積分タイミング測定は特性的に組織タイプについてアイデアを与えるが、もっと大きなタイミング期間にする測定では詳細な情報は提供されないからである。 One of the questions that comes to mind is why we want to move to a very small integration timing. A large number of very small integral timing measurements made in series characteristically give an idea about tissue type, but measurements with larger timing periods do not provide detailed information.

ある期間で光源位置から(20)ピコ秒の間レーザー光子が矩形パルス信号として図2に示すように送信される場合、検出器(30)で収集された光子によって生成される電圧信号の物理的画像もまた図2に示すように突然の高信号であり、そして直後指数的に減少する画像の形になる。高レベルを最初に表面光子が形成し、次に深くなる光子、次にもっと深くなる光子が収集されるため、指数的に減少する画像が提供される。 When a laser photon is transmitted as a rectangular pulse signal for (20) picoseconds from the light source position over a period of time, as shown in FIG. 2, the physical of the voltage signal generated by the photon collected by the detector (30). The image is also a sudden high signal, as shown in FIG. 2, and immediately in the form of an exponentially decreasing image. High levels are formed first by surface photons, then by deeper photons, and then by deeper photons, thus providing an exponentially decreasing image.

このシステムに文献で時間領域拡散光トモグラフィ(「Time Resolved Diffuse Optic Tomography」−TRDOT)と名付けられる。時間領域で動作するTRDOT装置は、構築とテストに費用がかかる。ただ一個の光子にさえ敏感な光子マルチプレクサーチューブ、光学ミラー、偏光子、レンズ、光学テーブルに、暗室などの実験室条件などが必要である。実行するのに非常に高価であることに加えて、実際に実現して使用することも困難である。 This system is named in the literature as time domain diffuse optical tomography ("Time Resolved Diffuse Optical Tomography"-TRDOT). TRDOT devices operating in the time domain are expensive to build and test. Laboratory conditions such as a dark room are required for photon multiplexer tubes, optical mirrors, polarizers, lenses, and optical tables that are sensitive to even a single photon. In addition to being very expensive to implement, it is also difficult to implement and use.

本発明に実験室の条件下でおける暗室や単一の光子にも敏感なフォトマルチプライヤチューブが必要である高価なTRDOTシステムの動作と同じことが単一のチップの中で実現させる電子回路を紹介する。従って、入力のフォトダイオード電流の回路へのスイッチングは非常に小さな期間で行うことができTRDOTの仕事が達成される。それに、光源位置から組織内に送信された矩形パルス光電圧光子が組織を伝播し続けた後、検出器位置で収集された時に指数関数的に減少する光電圧グラフを描き、そしてこのグラフを生成する程に十分速い本発明に関するマイクロ電子スイッチングシステムによって測定を行うことができる。そうしないと、入力電流のスイッチングシステムが十分に速くない場合、検出器位置で指数関数的に減少する信号を測定できない。この理由により、本発明は、アナログ積分レシーバ回路全体の入力電流のスイッチングに焦点を合わせ、速度を可能な最大速度まで増加させようと試みる。 The present invention provides an electronic circuit that enables the same operation of an expensive TRDOT system in a single chip that requires a photomultiplier tube that is sensitive to a dark room and a single photon under laboratory conditions. introduce. Therefore, the switching of the input photodiode current to the circuit can be done in a very short period of time and the work of TRDOT is accomplished. It also plots an exponentially decreasing photovoltage graph when it is collected at the detector position after rectangular pulsed photovoltage photons transmitted from the source position into the tissue continue to propagate through the tissue, and generate this graph. The measurements can be made by the microelectronic switching system according to the invention which is fast enough to Otherwise, if the input current switching system is not fast enough, the exponentially decreasing signal at the detector position cannot be measured. For this reason, the present invention focuses on switching the input current across the analog integrating receiver circuit and attempts to increase the speed to the maximum speed possible.

回路の動作を考慮したら、スイッチング速度を上げることも、使用する技術とは無関係であり、時間遅延回路は異なる長さの金属線またはポリシリコン線を利用すると考えられ、それに応じて実現されたのである。 Given the behavior of the circuit, increasing the switching speed is also independent of the technology used, and the time delay circuit was thought to utilize different lengths of metal or polysilicon lines, and was implemented accordingly. is there.

図3及び図4には、設計された回路の動作原理を説明している。一般的な意味で、設計された回路では、回路出力に設けられた積分レシーバ回路(80)との積分は、伝送線遅延回路(40)がスイッチングトランジスタを活性化及び非活性化することによって達成されている。伝送線遅延回路(40)は、スイッチング回路(50)、金属線L1及びL2を含む。スイッチング回路(50)は、スイッチを開閉するために使用されるトリガーへのパルス電圧を生成している間、伝送線L1、L2は、伝送線L1及びL2の長さの差による時間差である。L1、L2金属線の長さの違いのため、図2にあるL1線の端にあるノーマルオープン(NA)スイッチ(60)に電圧のパルス到達して回路を閉じるとすぐに、まだL2の端にパルス信号はなく、従ってノーマルクローズ(NK)であるスイッチ(70)が閉じたままである。伝送線の遅延によって引き起こされるL2の端に達するパルス入力がNKスイッチ(70)を開くまで、積分プロセスは実行されル。次に、パルス入力NKスイッチ(70)が回路を開き、積分プロセスが終了する。 3 and 4 explain the operating principle of the designed circuit. In a general sense, in the designed circuit, the integration with the integrating receiver circuit (80) provided at the circuit output is achieved by the transmission line delay circuit (40) activating and deactivating the switching transistors. Has been done. The transmission line delay circuit (40) includes a switching circuit (50) and metal lines L1 and L2. While the switching circuit (50) is generating the pulse voltage to the trigger used to open and close the switch, the transmission lines L1, L2 are the time difference due to the difference in length of the transmission lines L1 and L2. Due to the difference in the lengths of the L1 and L2 metal wires, as soon as a voltage pulse reaches the normally open (NA) switch (60) at the end of the L1 wire in FIG. There is no pulse signal at and therefore the switch (70), which is normally closed (NK), remains closed. The integration process is performed until the pulse input reaching the end of L2 caused by the delay in the transmission line opens the NK switch (70). The pulse input NK switch (70) then opens the circuit and the integration process ends.

図5の実施形態において、本発明に関する電子回路全体は、nチャネル及びpチャネルのMOSFETトランジスタ、積分容量(Cint)及びOPAMPである演算増幅器の回路全体(90)を含む。図6参照、演算増幅の回路全体(90)に6つのMOSFET(2pチャネルMOSFETと4nチャネルMOSFETトランジスタ)、そして1つの受動抵抗素子が配置され、演算増幅回路全体(90)はすべてのシステムの系核となり、そして、その中央に差動増幅回路(100)がある。差動増幅回路(100)は、4つのトランジスタ(M7、M8、M9、M10)から成り、回路全体の内側部分に配置されている。M7、M8、M9、M10のMOSFETトランジスタは、増幅器(100)の入力での小さな電圧差を増幅し、それらを出力に転送するの一部である。差動増幅器の電流源(110)は、カレントミラー(「current mirror」)方式で接続されたM11、M12nチャネルMOSFETトランジスタで構成されている。回路全体でのすべてのnチャネルMOSFETトランジスタのボディ(「substrate」)はのの電圧レベルは最も低いグラウンド(「ground」)に、すべてのpチャネルMOSFETトランジスタのボディ(「substrate」)は最高電圧レベルのVDD(1ボルトDCの直流電圧)へ接続されている。 In the embodiment of FIG. 5, the overall electronic circuit for the present invention includes the entire circuit (90) of the n-channel and p-channel MOSFET transistors, the integrating capacitance (Cint) and the OPAMP operational amplifier. Referring to FIG. 6, six MOSFETs (2p channel MOSFET and 4n channel MOSFET transistor) and one passive resistance element are arranged in the entire operational amplification circuit (90), and the entire operational amplification circuit (90) is a system of all systems. At the core, and in the center, there is a differential amplifier circuit (100). The differential amplifier circuit (100) is composed of four transistors (M7, M8, M9, M10), and is arranged inside the circuit. The MOSFET transistors of M7, M8, M9, M10 are part of amplifying the small voltage difference at the input of the amplifier (100) and transferring them to the output. The current source (110) of the differential amplifier is composed of M11 and M12 n-channel MOSFET transistors connected by a current mirror (“current mirror”) method. The body of all n-channel MOSFET transistors (“substrate”) has the lowest voltage level of “ground” in the whole circuit, and the body of all p-channel MOSFET transistors (“substrate”) has the highest voltage level of Of VDD (DC voltage of 1 volt DC).

図5の回路の右端のトランジスタM1は、回路に必要な1ボルトのDC電圧を供給する。M1pチャネルMOSFETトランジスタM1はここで1VDC、Vref基準電圧値をオペレーティングシステムに一致するように、同期回路スイッチングする。M1トランジスタスイッチのゲート(「gate」)端トリガをФrefパルス信号が提供する。PチャネルM1トランジスタソース端子(「source」)は、Vrefポートに接続され、Фrefのパルス信号入力はゲート端子に接続されている。通常、ロジック1の高電圧レベルのФrefの電圧はロジック0に下がるほどトリガされると、ノーマルオープン(NA)のM1トランジスタの回路を閉じる。このための図5の右端のM1トランジスタソース端に接続された1 VDCのVref基準電圧はCintiの積分容量(コンデンサ)+端子に設けられている。M5及びM6 pチャネルMOSFETトランジスタのゲート端もФwait1及びФwait2パルス信号で表示される。M2pチャネルMOSFETトランジスタもその回路を閉じると、Cint容量はM1、M5、M2のトランジスタを通じてたどる電流経路を介してCint積分容量を満たし、そしてと1 VDC電圧値にする。 The rightmost transistor M1 of the circuit of FIG. 5 supplies the 1 volt DC voltage required for the circuit. The M1 p-channel MOSFET transistor M1 is now synchronous circuit switched so that the 1VDC, Vref reference voltage values match the operating system. The φref pulse signal provides the gate (“gate”) end trigger of the M1 transistor switch. The P-channel M1 transistor source terminal (“source”) is connected to the Vref port, and the pulse signal input of Φref is connected to the gate terminal. Normally, when the high voltage level Φref voltage of logic 1 is triggered down to logic 0, it closes the circuit of the normally open (NA) M1 transistor. For this purpose, the Vref reference voltage of 1 VDC connected to the source terminal of the M1 transistor at the right end of FIG. 5 is provided at the + terminal of the integral capacitance (capacitor) of Cinti. The gate ends of the M5 and M6 p-channel MOSFET transistors are also represented by the Φwait1 and Φwait2 pulse signals. When the M2 p-channel MOSFET transistor also closes its circuit, the Cint capacitance fills the Cint integral capacitance via the current path taken through the M1, M5, and M2 transistors, and reaches a 1 VDC voltage value.

Cint積分容量が満たされるのは、次のように要約できる。ノーマリオープン(NA)のM1トランジスターはオフにされ、NAのM6トランジスターはNAのままで残され、Cint容量の+端は正の1 VDCのVref電圧値に到達される。同時に、NAを備えたM5 pチャネルMOSFETトランジスタもオフになり、NAのの−M2トランジスタがオフになり、Cint容量の−端もグランド(「ground」)レベルに達する。直後に既にNAであったM6トランジスタNAのままで続け、前のステップでの閉じたM5トランジスタがオンにされ、それでこの新しい状態にCintコンデンサの+と−の両方の端子がフラッシュされる(「floating point」浮動小数点)その時点でCintコンデンサは1 VDCの基準電圧に設定される。 The satisfaction of the Cint integral capacity can be summarized as follows. The normally open (NA) M1 transistor is turned off, the NA M6 transistor remains NA, and the positive end of the Cint capacitor reaches the positive Vref voltage value of 1 VDC. At the same time, the M5 p-channel MOSFET transistor with NA is also turned off, the -M2 transistor of NA is turned off, and the negative end of the Cint capacitance also reaches ground ("ground") level. Immediately afterwards, continue with the M6 transistor NA, which was already NA, and turn on the closed M5 transistor in the previous step, thus flushing both the + and-terminals of the Cint capacitor to this new state (" floating point) At that point the Cint capacitor is set to a reference voltage of 1 VDC.

積分、即ち、電流/電圧変換プロセスする次のステップでははMSトランジスタを閉じる、NAであるnチャネルのM4トランジスタのФINT2ゲート(「gate」)入力ロジック1の高レベルにすることによってトリガされ、オフにする(ONに設定されている)。ФINT1がゲート(「gate」)端でロジック0の電圧値にあって、ソースゲート(「source−gate」)の電圧値が最初に0ボルトである間、つまりノーマルクローズ(NK)弱反転モードでは、回路に逆接続されたM3トランジスターは、ФINT1のゲート端でM4トランジスターがすぐオフになった後短時間だけに−1の電圧パルスが行われる。従って弱反転モードでは、回路に逆接続されたpチャネルM3トランジスターを流れる電流が切られ、突然回路が開く。 The next step in the integration, or current/voltage conversion process, is to close the MS transistor and trigger it by turning the ΦINT2 gate (“gate”) input logic 1 high on the n-channel M4 transistor that is NA, turning it off. Set to ON (set to ON). While ΦINT1 is at the voltage value of logic 0 at the gate (“gate”) end and the voltage value of the source gate (“source-gate”) is 0 volt at the beginning, that is, in the normally closed (NK) weak inversion mode. In the M3 transistor reversely connected to the circuit, the voltage pulse of -1 is given only for a short time after the M4 transistor is immediately turned off at the gate end of ΦINT1. Thus, in weak inversion mode, the current through the p-channel M3 transistor, which is reverse connected to the circuit, is cut off and the circuit suddenly opens.

それでは、この期間、つまりM4トランジスタが回路を閉じてからM3トランジスタが開くまでの期間は、左端のフォトダイオードから電流が流れ始めてすぐに中断する時の期間の差にCint積分容量は、入力から引き出されたフォトダイオード電流を電圧値に積分する。積分電流/電圧変換プロセスを要約すると、M1、M2、及びM6トランジスタはオープン状態を維持する。最初に、M5とM4のトランジスタは回路を開くまでの非常に短い期間の間にCint容量はフォトダイオードが回路から引き出した電流を電圧値に積分し積分電圧値ほどの電圧は変換されるのである。 Then, during this period, that is, the period from when the M4 transistor closes the circuit until when the M3 transistor opens, the Cint integral capacitance is derived from the input due to the difference in the period when the current starts to flow from the photodiode at the left end and is immediately interrupted. The integrated photodiode current is integrated into a voltage value. Summarizing the integral current/voltage conversion process, the M1, M2, and M6 transistors remain open. First, in the transistor of M5 and M4, the Cint capacitance integrates the current drawn by the photodiode from the circuit into a voltage value during a very short period before opening the circuit, and the voltage equivalent to the integrated voltage value is converted. ..

図7では、そのスイッチングトランジスタ、積分容量とスイッチングノイズを除去するためにスイッチの入力に配置された6GhzローパスRCフィルターを見ることができる。 In FIG. 7 one can see the switching transistor, a 6 Ghz low pass RC filter placed at the input of the switch to eliminate the integrating capacitance and switching noise.

10…組織、20…光源位置、30…検出器の位置、40…伝送線路遅延回路、50…スイッチング回路、60…ノーマルオープン(NA)スイッチ、70…ノーマルクローズ(NK)スイッチ、80…積分レシーバブロック、90…演算増幅回路全体、100…差動増幅回路、110…電流源。 10... Organization, 20... Light source position, 30... Detector position, 40... Transmission line delay circuit, 50... Switching circuit, 60... Normally open (NA) switch, 70... Normally closed (NK) switch, 80... Integral receiver Blocks, 90... Overall operational amplifier circuit, 100... Differential amplifier circuit, 110... Current source.

Claims (4)

組織表面(10)に光源位置(20)から送信され、検出器位置(30)で収集される光子に関しての電流を生成する電流源(110)を含む生体医用光学イメージングシステムのため上述した電流源(110)に電気的に接触するよう、積分レシーバ回路(80)を含むアナログ電流/電圧変換器の電子回路であって、
閉じたときに前記の電流源(110)から積分レシーバ回路(80)に電流を供給するためのノーマルオープン(NA)スイッチ(60)と、開いたときに電流源(110)からレシーバ回路(80)への電流の流れを中断するノーマルクローズ(NK)スイッチ(70)、前記のノーマルオープン(NA)スイッチ(60)及び前記のノーマルクローズ(NK)スイッチ(70)のトリガー信号を送信するように構成されたスイッチング回路(50)を、ノーマルオープン(NA)スイッチ(60)とスイッチング回路(50)の間の信号伝送を確保するとL1線、及びノーマルクローズ(NC)スイッチ(60)と、スイッチング回路(50)の間に信号伝送を確保するために、L2のラインを含み、スイッチング回路(50)から来る信号のノーマルオープン(NA)スイッチ(60)にノーマルクローズ(NK)スイッチ(70)よりも早く到達することを保証するために前記の線前記のL1線が前記のL2より長くすることであることを特徴とする、アナログ電流/電圧変換器の電子回路。
A current source as described above for a biomedical optical imaging system including a current source (110) that produces a current for a photon transmitted from a light source location (20) to a tissue surface (10) and collected at a detector location (30). An electronic circuit of an analog current to voltage converter including an integrating receiver circuit (80) for making electrical contact with (110),
A normally open (NA) switch (60) for supplying a current from the current source (110) to the integrating receiver circuit (80) when closed, and a receiver circuit (80) from the current source (110) when opened. ) To transmit a trigger signal of the normally closed (NK) switch (70), the normally open (NA) switch (60) and the normally closed (NK) switch (70) for interrupting the current flow to If the configured switching circuit (50) secures signal transmission between the normally open (NA) switch (60) and the switching circuit (50), the L1 line and the normally closed (NC) switch (60) and the switching circuit In order to ensure signal transmission during (50), the normally open (NA) switch (60) of the signal coming from the switching circuit (50) is included in the L2 line rather than the normally closed (NK) switch (70). Electronic circuit of an analog current-to-voltage converter, characterized in that said line L1 is longer than said L2 in order to ensure early arrival.
L1線及びL2線は、金属またはポリシリコン材料が含まれることを特徴とする、請求項1に記載のアナログ電流/電圧変換器の電子回路。 The analog current/voltage converter electronic circuit according to claim 1, wherein the L1 line and the L2 line include a metal or a polysilicon material. ノーマルクローズ(NK)スイッチ(70)及びノーマルオープン(NA)スイッチ(60)はCMOS・MOSFETであることを特徴とする、請求項1に記載のアナログ電流/電圧変換器の電子回路。 The analog current/voltage converter electronic circuit according to claim 1, wherein the normally closed (NK) switch (70) and the normally open (NA) switch (60) are CMOS MOSFETs. 請求項1に記載のアナログ電流/電圧変換器を含む生体医用光学イメージングシステム。 A biomedical optical imaging system comprising the analog current/voltage converter of claim 1.
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