JP2019512090A - 寿命イメージングおよび検出用途のためのセンサおよびデバイス - Google Patents
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Abstract
Description
前記方法は、輝度寿命特性を用いて画像を生成することをさらに備え得る。
前記画像は、メラノーマ、腫瘍、細菌性感染、またはウィルス性感染の存在を示し得る。
前記組織は、皮膚を含み得る。
前記方法は、前記組織を照射して発光分子を励起することをさらに備え得る。
いくつかの実施形態は、1つまたは複数の光学部品と、前記1つまたは複数の光学部品を介して発光分子からの入射光子を受光するように構成された集積光検出器と、前記集積光検出器で受光した入射光子の到着時間を検出して輝度寿命のイメージングを実行するように構成されたプロセッサとを備えるポイントオブケアデバイスに関する。
前記プロセッサは、輝度寿命特性を用いて画像を生成するように構成され得る。
前記画像は、メラノーマ、腫瘍、細菌性感染、またはウィルス性感染の存在を示し得る。
前記組織は、皮膚を含み得る。
前記ポイントオブケアデバイスは、前記組織を照射して前記発光分子を励起するように構成された励起光源をさらに備え得る。
上記概要は、例示として提供されており、限定することを意図するものではない。
図面では、様々な図に示される同一またはほぼ同一の各構成要素が同様の参照符号によって表される。理解し易いように、すべての図においてすべての構成要素に符号が付されているわけではない。図面は必ずしも縮尺通りに描かれておらず、むしろ本明細書に記載されている技術の様々な態様を例示することに重点が置かれている。
蛍光性分子から放出された光の時間的特性のタイプの1つは、蛍光性寿命である。蛍光寿命の測定は、1つまたは複数の蛍光性分子を励起し、放出された発光の時間変化を測定することに基づく。蛍光性分子が励起状態に達した後に蛍光性分子が光子を放出する確率は、経時的に指数関数的に減少する。確率が減少する割合は蛍光性分子の特性とすることができ、蛍光性分子が異なる場合、確率が減少する割合が異なり得る。蛍光性分子によって放出された光の時間的特性を検出すると、蛍光性分子の識別、蛍光性分子相互の判別、および/または蛍光性分子の濃度の定量化が可能になり得る。
いくつかの実施形態では、イメージングデバイスは、飛行時間型測定を含む、散乱光または反射光の時間プロファイルを測定するように構成してもよい。このような飛行時間型測定では、光パルスを領域またはサンプル内に放出し、上述した集積光検出器などの光検出器によって、散乱光を検出することができる。散乱光または反射光は、領域またはサンプルの特性を示し得る別個の時間プロファイルを有することができる。サンプルによる後方散乱光は、後方散乱光のサンプルでの飛行時間によって検出および分解することができる。このような時間プロファイルは、時間点広がり関数(TPSF)とすることができる。TPSFは、インパルス応答と考えることができる。時間プロファイルは、光パルスが放出された後の複数の時間ビンにわたる積分強度を測定することによって獲得することができる。光パルスの繰り返しおよび散乱光の蓄積をある特定の速度で行って、後続の光パルスを発生させる前に、確実にそれまでのTPSFをすべて完全に消滅させるようにすることができる。時間分解拡散光学イメージングの方法は、サンプルのさらに深いところでイメージングするために、光パルスを赤外光とすることが可能な分光拡散光トモグラフィを含むことができる。このような時間分解拡散光学イメージングの方法を用いて、生体、または人間の頭などの生体の一部で腫瘍を検出することができる。
いくつかの実施形態は、入射光子に反応して電荷キャリアを生成する光検出器を有する集積回路に関し、集積回路は、基準時間(例えば、トリガイベント)に対する、入射光子の到着によって電荷キャリアが生成されるタイミングを判別することができる。いくつかの実施形態では、電荷キャリア分離構造は、異なる時間に生成された電荷キャリアを分離し、異なる期間内に生成された電荷キャリアを集約する1つまたは複数の電荷キャリア貯蔵領域(「ビン」と呼ばれる)内へと電荷キャリアを方向付けする。各ビンは、選択された時間間隔内に生成された電荷キャリアを貯蔵する。各ビンに貯蔵された電荷を読み出すことにより、それぞれの時間間隔内に到着した光子の数についての情報を提供することができる。このような集積回路は、本明細書に記載されているような、様々な用途のいずれにおいても用いることができる。
図2Aは、いくつかの実施形態によるピクセル100の図を示す。ピクセル100は、(光検出領域とも呼ばれる)光子吸収/キャリア発生領域102と、キャリア移動/捕獲領域106と、本明細書では「電荷キャリア貯蔵ビン」または単に「ビン」とも呼ばれる1つまたは複数の電荷キャリア貯蔵領域を有する、キャリア貯蔵領域108と、電荷キャリア貯蔵ビンから信号を読み出すための読み出し回路部110と、を含む。
1)時間変動する電場から遠ざかるにつれて先細りとなる空乏化したn型領域、
2)n型領域へ横方向に電場を遷移させるギャップを有するn型領域を取り囲むp型インプラント、および/または
3)n型領域を埋設し、寄生電子の再結合領域として機能する、p型表面インプラント、
のうちの1つまたは複数を有し得る。
図3Aは、いくつかの実施形態による、ピクセル100Aの電荷キャリア閉じ込め領域103を示す。図3Aに図示されるように、ピクセル100Aは、(光検出領域とも呼ばれる)光子吸収/キャリア発生エリア102Aと、キャリア移動/捕獲エリア106Aと、ドレイン104と、キャリア貯蔵エリア108Aの複数の電荷キャリア貯蔵ビンbin0、bin1、bin2、およびbin3と、読み出し領域110Aと、を含むことができる。
図3Fは、図3Eにおけるようなピクセルのアレイを示す。図3Fは、拡散、ポリシリコン、コンタクト、および金属1の領域を表示している。
図4は、図3Bのピクセル100Aの回路図を示す。電荷キャリア閉じ込めエリア103が太い黒線で示されている。また、電極、電荷キャリア貯蔵エリア108、および読み出し回路部110も示されている。この実施形態では、キャリア貯蔵領域108の電荷貯蔵ビンbin0、bin1、bin2、およびbin3は、電極st1の下のキャリア閉じ込めエリア103内にある。上述したように、いくつかの実施形態では、電極に代えて、または電極に加えて接合を用いて、領域102に静電場を生成することができる。
以下で説明するように、光子吸収/キャリア発生、および光生成電荷キャリアの時間ビニングのプロセスを繰り返すと、光子が光検出器に到着する時間についての統計情報の収集が可能になり得る。
いくつかの実施形態では、測定は、複数の異なるタイプのトリガイベントを用いて実行することができる。トリガイベントは、異なる期間に異なるタイプのトリガイベントに反応して、ピクセルが光を受光するように時間多重化することができる。例えば、輝度寿命を測定する状況においては、トリガイベントは、異なる発光分子(例えば、蛍光体)を励起することが可能な異なる波長λ1およびλ2の励起光パルス(例えば、レーザパルス)とすることができる。いくつかの実施形態では、蛍光体は、励起光の異なる波長λ1およびλ2に対するそれらの反応に基づいて、互いに識別および/または判別することができる。異なる時間に波長λ1およびλ2の光励起パルスでサンプルを励起し、反応したサンプルによって放出された蛍光を分析すると、波長λ1の励起光に反応して第1の期間に、または波長λ2の励起光に反応して第2の期間に蛍光が検出されたかどうかに基づいて、蛍光性分子の検出および/または識別が可能になり得る。このような時間的多重化に加えて、またはそれに代わるものとして、蛍光性分子は、それらの蛍光寿命の測定に基づいて識別および/または判別することができる。
図2Aおよび図2Bに図示されるように、ピクセル100は、電荷キャリア貯蔵領域108の電荷貯蔵ビンに貯蔵された電荷の読み出しを可能にする読み出し回路部110を含むことができる。ピクセル100は、読み出し回路部110が読み出し増幅器を含むような能動ピクセルであってもよいし、または読み出し回路部110が読み出し増幅器を含まない受動ピクセルであってもよい。任意の適切なタイプの能動ピクセルまたは受動ピクセル読み出し回路部を用いることができる。
補正された信号bin0=測定信号bin0−リセットレベル
補正された信号bin1=(bin0+bin1)の測定信号−測定信号bin0
補正された信号bin2=(bin0+bin1+bin2)の測定信号−(bin0+bin1)の測定信号
補正された信号bin3=(bin0+bin1+bin2+bin3)の測定信号−(bin0+bin1+bin2)の測定信号
いくつかの実施形態では、ピクセルからの読み出しのオーバーサンプリングを行うことができる。オーバーサンプリングは、ピクセルから同じ信号を複数回読み取ることを伴う。ピクセルから信号を読み取る度に、ノイズに起因して、読み取られた信号にわずかな変動があり得る。信号の読み出しのオーバーサンプリング、およびサンプルの平均化により、測定におけるノイズ(例えば、ホワイトノイズ)を低減することが可能である。いくつかの実施形態では、複数のサンプル(例えば、4〜8個のサンプル)を採取して、ピクセルから単一の公称信号値(例えば、単一のリセットレベルまたは信号レベル)を読み取ることができる。いくつかの実施形態では、読み出し信号の変化を通じて信号のサンプルをそれぞれ読み出し、デジタル値(例えば、デジタルワード)に変換することができる。次に、サンプルの平均を計算し、その平均をピクセルからの測定信号として用いることができる。例えば、8倍のオーバーサンプリングを用いる場合は、リセット値および信号値ごとに、8つのサンプルを採取することができ、4つの時間ビンおよび4つのリセットレベルを測定する場合は、合計64個のサンプル、または1つのリセットレベル、および4つの集約された信号レベルを測定する場合は、合計40個のサンプルを採取することができる。
[並列読み出し、順次読み出し、および並列読み出しと、順次読み出しとを組み合わせた読み出し]
上述したように、ピクセルアレイは、行および列に配置された複数のピクセルを含むことができる。いくつかの実施形態では、行ごとに読み出しを実行することができる。いくつかの実施形態では、ピクセルアレイの行を選択することができ、また、読み出しプロセスは、ピクセルの選択された行に対して実行することができる。ピクセルの列に対する読み出し回路部は、列内のピクセルに共通とすることができ、これにより、異なる行が選択されたときに、読み出し回路部によって列内のそれぞれのピクセルについて読み出しが実行できるようになっている。選択された行の読み出しは、並列(「列並列(column parallel)」と呼ばれる)、順次、または並列と順次との組み合わせ(「半列並列(semi-column parallel)」と呼ばれる)で実行することができる。
いくつかの実施形態では、列の読み出し回路は、1つまたは複数のサンプル・ホールド回路を含むことができる。図10Dは、列読み出し回路部905Cを図示する回路図を示す。列読み出し回路部はサンプル・ホールド回路部907と、増幅器回路部901と、アナログ−デジタル(A/D)コンバータ902と、を含む。サンプル・ホールド回路907は、ピクセルからの(例えば、ノードcbにおける)出力電圧を容量素子(例えば、キャパシタ)にサンプリングし、次に、出力電圧が増幅器によって読み出しされている間、キャパシタに電圧を保持することができる。上述したように、ピクセルからの出力電圧は、1つまたは複数の時間間隔の間に捕獲された電荷キャリアの数を表すことができる。
いくつかの実施形態では、読み出し回路部の1つまたは複数の構成要素が、ピクセルアレイの2つ以上の列によって共有することができる。例えば、図10Eに示されるように、増幅器回路部901のすべてまたは一部、A/Dコンバータ902、もしくは両方が、ピクセルアレイの2つ以上の列によって共有することができる。図10Eは、読み出し回路部905Dの実施形態を図示し、そこでは、増幅器回路部901およびA/Dコンバータ902がいずれも、ピクセルアレイの2つの列によって共有されている。図10Eの実施形態では、列線が、それぞれのピクセルノードcb1およびcb2にそれぞれ接続されている。各列線は、それぞれのサンプル・ホールド回路907A、907Bに接続されている。増幅器回路部901およびA/Dコンバータ902は、両方の列によって共有することができる。増幅器回路部901への入力は、サンプル・ホールド回路907Aおよび907B間で多重化されていることで、異なる時間に(例えば、順次)、それらの出力が増幅器回路部901に接続されるようになっている。増幅器回路部901および/またはA/Dコンバータ902のような、共有されている読み出し回路部の構成要素を用いることにより、読み出し回路部の構成要素の数を減らすことができ、これにより、読み出し回路部のコストおよび/または電力消費を低減することができる。
いくつかの実施形態では、時間ビンごとに捕獲された電荷キャリアの数が比較的少なく、例えば、数百程度の電荷キャリアである場合があるので、各ピクセルから検出される信号が比較的小さい場合がある。このため、いくつかの実施形態では、ピクセルからアナログデジタルコンバータへと(コンバータを含んで)続く信号チェーンは、低ノイズ読み出し回路部を含むことができる。読み出しチェーンにおけるノイズを制限するための方法および回路について以下で説明する。
当業者には理解できるように、「暗電流」は、光検出器によって光が検出されていないときに光検出器で生成される電流である。暗電流の影響を補正するように光検出器を設計すると、光検出の品質を向上させることが可能である。
任意の適切な数の時間ビンを用いることができる。図3Aおよび図3Bには、4つの時間ビンを有するピクセルの例が図示されている。図8Cは、8つのビンが用いられているプロットを示す。しかしながら、所望の時間分解能および他の因子に基づいて、任意の適切な数の時間ビンを有するピクセルを生成することができる。ビンの数を増やすと、各ピクセルが占めるエリアを増大させることができ、また、ビンの数を増やすことは、ピクセルの全体の数を減らすことによって、または小型化された特徴サイズを有する作製プロセスを用いることによって、実現することができる。用いるビンの数が少ないと、チップに取り付けられるピクセルの数を増やすことが可能となり得る。いくつかの実施形態では、単一のビンを用いて、特定の期間内に到着する光子の数を判定することができる。ビンの数は、少なくとも部分的に、キャリア移動/捕獲領域106から延在するチップ上に作製された電荷キャリア閉じ込め領域の延在部の数を増減させることによって、増減させることができる。ピクセルに含まれることが望まれるビンの数に基づいて、電極b0〜bm−1、移送電極などの数を相応して増減することができる。
[波長の判別]
いくつかの実施形態では、ピクセルアレイのピクセルは、異なるタイプの測定の実行がそれぞれ可能な、複数のサブピクセルを含むことができる。ピクセルには、任意の数のサブピクセルを含むことができる。
いくつかの実施形態では、異なるサブピクセル100Aは、異なる時間間隔ごとに時間ビンをサンプリングするように制御することができる。例えば、第1のサブピクセル100Aは、時間ビンの第1のセットをサンプリングするように構成することができ、第2のサブピクセルは、時間ビンの第2のセットをサンプリングするように構成することができる。異なるサブピクセルでは異なるように、電荷キャリア分離構造のタイミングを制御することによって、異なるサブピクセル100Aにおける同様の構造が、異なる時間間隔ごとに時間ビンをサンプリングすることができる。
図13は、いくつかの実施形態によるチップアーキテクチャの図を示す。図13に示されるように、集積回路またはチップ1300は、複数のピクセル100を含むピクセルアレイ1302と、タイミング回路1306を含む制御回路1304と、電圧/電流バイアス発生回路1305と、インタフェース1308と、を含むことができる。
1)オンチップのデジタル制御されたピクセルバイアス発生器(DAC)
2)シングルエンドのピクセル出力電圧信号を差動信号に変換し、利得を信号に適用する、オンチップデジタルプログラマブル利得増幅器
3)出力レートで電力損失のスケーリングを可能にする、デジタル制御された増幅器バイアス発生器。
いくつかの実施形態では、チップ1300は、標準的なCMOS(相補型金属酸化膜半導体)プロセスを用いて、シリコン基板に形成することができる。しかしながら、任意の適切な基板または製造プロセスを用いることができるので、本明細書に記載の技術は、これに関して限定されない。
図15Aは、半導体基板に形成され得る電荷閉じ込め領域103の斜視図を示す。図15Bは、図15Aに対応する平面図を示す。いくつかの実施形態では、電荷閉じ込め領域103は、バルク半導体基板1500に形成することができる。しかしながら、任意の適切なタイプの半導体基板を用いることができるので、本明細書に記載の技術は、バルク半導体基板の使用に限定されない。いくつかの実施形態では、基板1500および電荷閉じ込め領域103は、単結晶シリコンで形成することができる。しかしながら、任意の適切なタイプの半導体材料を用いることができるので、本明細書に記載の技術は、これに関して限定されない。いくつかの実施形態では、シリコン基板を用いると、費用対効果の高い業界標準のCMOSプロセスを用いることが可能になり得る。しかしながら、任意の適切な製造プロセスを用いることができる。いくつかの実施形態では、p型ドーピング型を有するバルク・シリコン基板を用いることができる。しかしながら、n型ドーピングまたはp型ドーピングを含む任意の適切なドーピング型を用いることができる。
本明細書に記載の技術は、いかなる特定の製造プロセスにも限定されないので、上記のプロセスは例示として説明している。さらに、本明細書に記載の技術は、示されている特定のレイアウトについて限定されない。
基板上に位置する電荷キャリア分離構造の電極は、大量の寄生キャパシタンスを有し得る。電極の電圧を変化させるには、寄生キャパシタンスを充電または放電する必要がある。寄生キャパシタンスを充電または放電するために電流を供給することが可能な速度は、電極の電圧を変化させることが可能な速度を制限する。上述したように、いくつかの実施形態では、電荷キャリアを捕獲し、ナノ秒またはピコ秒の分解能で時間ビン内に移送することができる。本発明者らは、電極b0〜bm−1の電圧が、より迅速に変化することにより、正確な時点に電位障壁を上昇させることができれば、電荷キャリアを捕獲し得るタイミングの精度が、より高くなることを認識し、理解している。しかしながら、電圧源と電極b0〜bm−1との間の接続の寄生インダクタンスおよび等価直列抵抗(ESR)により、電極b0〜bm−1の電圧の変化率が制限されている。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載の技術は、1つまたは複数のコンピューティングデバイスを使用して行うことができる。実施形態は、任意の特定のタイプのコンピューティングデバイスを用いた動作に限定されない。
Claims (20)
- 輝度寿命イメージングの方法であって、
発光分子からの入射光子をポイントオブケアデバイスの1つまたは複数の光学部品を介して集積光検出器で受光すること、
前記集積光検出器を用いて前記入射光子の到着時間を検出すること、
を備える方法。 - 前記到着時間に基づいて前記発光分子の輝度寿命特性を判別することをさらに備える請求項1に記載の方法。
- 輝度寿命特性を用いて画像を生成することをさらに備える請求項1または2に記載の方法。
- 前記画像が前記輝度寿命特性に基づいた病変組織の存在を示す、請求項3に記載の方法。
- 前記画像がメラノーマ、腫瘍、細菌性感染、またはウィルス性感染の存在を示す、請求項4に記載の方法。
- 前記入射光子が組織から受光される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記組織が皮膚を含む、請求項6に記載の方法。
- 前記組織を照射して前記発光分子を励起することをさらに備える請求項6または7に記載の方法。
- 組織からの入射光子の到着時間を検出する集積回路を少なくとも部分的に用いて、前記組織の輝度寿命特性を検出すること、
前記輝度寿命特性に基づいて血糖を分析すること、
を備える方法。 - 前記分析することが、血糖濃度を判定することを含む、請求項9に記載の方法。
- ポイントオブケアデバイスであって、
1つまたは複数の光学部品と、
前記1つまたは複数の光学部品を介して発光分子からの入射光子を受光するように構成された集積光検出器と、
前記集積光検出器において前記受光した入射光子の到着時間を検出して輝度寿命イメージングを実行するように構成されたプロセッサと、
を備えるポイントオブケアデバイス。 - 前記プロセッサが前記到着時間に基づいて前記発光分子の輝度寿命特性を判別するようにさらに構成されている、請求項11に記載のポイントオブケアデバイス。
- 前記プロセッサが輝度寿命特性を用いて画像を生成するように構成されている、請求項11または12に記載のポイントオブケアデバイス。
- 前記画像が前記輝度寿命特性に基づいた病変組織の存在を示す、請求項13に記載のポイントオブケアデバイス。
- 前記画像がメラノーマ、腫瘍、細菌性感染、またはウィルス性感染の存在を示す、請求項14に記載のポイントオブケアデバイス。
- 前記入射光子が組織から受光される、請求項11〜15のいずれか一項に記載のポイントオブケアデバイス。
- 前記組織が皮膚を含む、請求項16に記載のポイントオブケアデバイス。
- 前記組織を照射して前記発光分子を励起するように構成された励起光源をさらに備える請求項16または17に記載のポイントオブケアデバイス。
- ポイントオブケアデバイスであって、
1つまたは複数の光学部品と、
前記1つまたは複数の光学部品を介して発光分子からの入射光子を受光するように構成された集積光検出器と、
組織からの入射光子の到着時間を少なくとも部分的に検出することによって、前記組織の輝度寿命特性を検出するように構成されたプロセッサと、
を備え、前記プロセッサが前記輝度寿命特性に基づいて血糖を分析するようにさらに構成されている、ポイントオブケアデバイス。 - 前記プロセッサが血糖濃度を判定するようにさらに構成されている、請求項19に記載のポイントオブケアデバイス。
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