WO2014001406A1 - Method for analysing a scattering sample using a time-resolved measurement and associated device - Google Patents

Method for analysing a scattering sample using a time-resolved measurement and associated device Download PDF

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WO2014001406A1
WO2014001406A1 PCT/EP2013/063426 EP2013063426W WO2014001406A1 WO 2014001406 A1 WO2014001406 A1 WO 2014001406A1 EP 2013063426 W EP2013063426 W EP 2013063426W WO 2014001406 A1 WO2014001406 A1 WO 2014001406A1
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WO
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sample
signal
light
photodetector
time
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/063426
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French (fr)
Inventor
Jean-Michel Tualle
Eric TINET
Olivier Cussenot
Original Assignee
Universite Paris 13
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Publication date
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    • A61B5/1455Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • A61B5/14551Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
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    • G01N2021/3144Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths for oxymetry
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    • G01N21/4795Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium
    • G01N2021/4797Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium time resolved, e.g. analysis of ballistic photons

Definitions

  • the present invention relates to a method for analyzing a scattering sample by time-resolved measurement of the light scattered in this sample.
  • the present invention also relates to a device adapted for implementing the method.
  • the invention is particularly applicable for monitoring the oxygenation and perfusion of an organ of a human being.
  • the measurements are made in reflectance or transmittance. Reflectance measurements are used in particular to determine the rate of oxygenation of blood hemoglobin.
  • the temporal resolution must be performed on a very short time, of the order of a few tens of picoseconds (ps). Also, obtaining such a resolution involves the use of very sophisticated and expensive technologies.
  • the source producing the light pulse is adapted to provide a very brief pulse.
  • the light source used is a titanium-sapphire laser.
  • a laser is very expensive.
  • the detection implemented is tricky. It is proposed the use of an avalanche photodiode connected to an electronic time gate to determine the number of photons transmitted during a given period of time.
  • the avalanche photodiode has a relatively long response time which deteriorates the potential contrast of the time gate.
  • a source is commonly used to produce short pulses such as pulse lasers which are expensive.
  • signal detection means there are: fast detectors with electronic signal processing from the detector whose relatively long response time considerably deteriorates the contrast of the time gate; time-amplitude converters in the photon counting regime which involve decreasing the signal to fit in the appropriate regime, which is not compatible with the short acquisition times; optical doors with non-linear effects that require powerful lasers with low rates of the order of 10 Hz, which considerably limits the sensitivity; Slot scanning cameras that have very good temporal resolution (about 2 ps) but whose dynamics are not very important; and ultra-fast intensified cameras whose temporal resolution is not very good (of the order of 80 ps) for a low repetition rate (of the order of 1 kHz).
  • FR-A-2 809 180 there is provided a device for analyzing a scattering sample by measurement resolved in time of the diffuse light in this sample.
  • the device described in this patent application uses a spectral modulation of light beams and measures time correlation functions of the scattered light for a transit time determined in particular in many applications for medical diagnosis.
  • a method for analyzing a scattering sample by time-resolved measurement of scattered light in this sample comprising the steps of illuminating the sample at an illumination point located on the sample. sample with an incident beam of temporally coherent and wavelength-modulated light according to a function having a period of the modulation period and detecting on a photodetector during a first time interval the temporal evolution of the intensity of the light diffused by the sample at an exit point located on the sample at a distance less than 1 millimeter from the point of illumination.
  • the method also comprises the steps of multiplying the signal detected by the photodetector by a reference signal generating a time gate centered on a predetermined delay to obtain a multiplied signal, extracting demodulated components of the signal detected from the multiplied signal, and applying a non-linear function to the extracted demodulated components.
  • the method comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the extraction step comprises the steps of cutting the first time slot as a function of the modulation period to obtain a succession of integration intervals, and calculating a demodulated component of the signal detected for each integration interval , the demodulated component being defined as the integral of the signal multiplied over the integration interval considered.
  • each integration interval corresponds to a time interval equal to one half-modulation period.
  • the incident beam comes from an optical fiber, the optical fiber also serving to collect the light scattered by the sample at the exit point and to bring the collected light to the photodetector .
  • the fiber is provided at one end with a diffusing probe.
  • the non-linear function is the mean of the square of the demodulated component or the average of the product of two distinct demodulated components.
  • the invention also relates to a device for analyzing a scattering sample by time-resolved measurement of diffuse light in this sample, comprising means for illuminating the sample with an incident beam of temporally coherent light and modulated in length. wave at an illumination point on the sample.
  • the device comprises a photodetector detecting the temporal evolution of the intensity of the light scattered by the sample at an exit point situated on the sample at a distance of less than 1 millimeter from the illumination point and a suitable processing unit. for carrying out the analysis of the signal detected by the photodetector to obtain a temporal correlation of this signal.
  • the device comprises one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination:
  • the device is adapted for implementing the method as described above,
  • the device comprises a circuit comprising the photodetector, a multiplier, an integrator, an analog memory and a unit for estimating a correlation time of the signal detected by the photodetector from the stored components.
  • the invention also relates to the use of the device as previously described to monitor the oxygenation and perfusion of an organ of a human being.
  • FIG. 1 a schematic view of an analysis device according to the invention
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating the structure of the information processing unit of the detector of the installation of FIG. 1;
  • FIGS. 3 and 4 curves illustrating the shape of the signals that can be obtained at different points of the information processing unit of FIG. 2;
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a variant of the structure of the information processing unit of the detector of the installation of FIG. 1;
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating the structure of a signal processing circuit;
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating an exemplary embodiment of a high-pass filter
  • FIG. 8 a block diagram illustrating a photodetector
  • FIG. 9 is a block diagram illustrating an amplification structure
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating a demodulation structure comprising a multiplier and an integrator
  • FIG. 11 a block diagram illustrating an embodiment of the resistive devices of the structure of FIG. 10;
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating the structure of means for generating the control voltages FIG. 10;
  • FIG. 13 is a block diagram illustrating the structure of a reference register
  • Fig. 14 is a block diagram illustrating the structure of a data register
  • FIG. 15 is a block diagram illustrating the differential input multiplier
  • FIG. 16 a schematic view of a measuring device according to the invention.
  • the device 8 represented in FIG. 1 allows the reflectance analysis of a scattering sample 10 by a time-resolved measurement of the scattered light. With the aid of the device 8, it is possible to reconstruct the temporal evolution of the diffuse energy with temporal resolutions of the order of 200 ps to 20 ps.
  • the device 8 comprises means 12 for illuminating the sample 10.
  • the means 12 for illuminating comprise a temporally coherent and wavelength-modulated light source 14 so as to simulate, by an appropriate processing of the detected signal, an incoherent source.
  • the source 14 comprises a laser cavity 16 connected to a control unit 18 able to provide the wavelength modulation of the beam produced by the laser cavity 16.
  • the laser cavity 16 is for example a laser diode or a laser diode mounted in extended cavity.
  • the laser cavity 16 is adapted to produce a temporally coherent monochromatic light beam.
  • the central wavelength ⁇ 0 of emission of the source 14 is chosen according to the applications. According to a particular mode of implementation of the device 8, several different central wavelengths are successively implemented, thus making it possible to perform spectroscopic measurements.
  • the wavelengths are for example equal to 780 nm and 850 nm for the analysis of the oxygenation rate of the tissues.
  • the control unit 18 is adapted for periodic modulation of the wavelength of the beam produced by the laser cavity 16. This modulation is advantageously a sinusoidal modulation.
  • the amplitude noted ⁇ of this modulation is of the order of a few hundredths of a nanometer.
  • is the emission wavelength of the source and c is the celerity of light.
  • the modulation of the light produced by the laser cavity 16 is carried out continuously, avoiding mode jumps.
  • the modulation frequency f is chosen so high that the scattering sample can be considered as immobile during the modulation period.
  • the modulation period corresponds to the inverse of the frequency of modulation.
  • the modulation frequency is advantageously between 1 kilohertz (kHz) and 100 kHz.
  • the modulation frequency is chosen equal to 1 kHz.
  • the optical beam from the source 14 is injected into an optical fiber.
  • the injection into the fiber 20 is carried out using a focusing lens 22.
  • a lens 32 may advantageously be used to adapt the divergence of the beam to this focus.
  • the fiber 20 makes it possible to conduct the beam coming from the source 14 towards the sample 10.
  • a proximal end 20P of the fiber 20 and a distal end 20D of the fiber 20 can thus be defined with respect to the sample 10.
  • distal end 20D is the end of fiber 20 which is closest to sample 10.
  • the optical fiber is multimode.
  • the fiber 20 makes it possible to illuminate the sample 10 at a point called P1.
  • the light thus introduced into the sample 10 is diffused therein for example along the path 23 shown in dashed lines in FIG.
  • the scattered light may exit the sample at a point P2 on the sample
  • the distance d is sufficiently small for the fiber 20 to harvest some of the light scattered by the sample at the point P2.
  • the fiber 20 is provided at its distal end 20D with a diffusing probe 24.
  • the probe 24 makes it possible to protect the sample 10.
  • the probe 24 makes it possible to obtain a homogeneous illumination of the sample 10.
  • the probe 24 also makes it possible to accentuate the importance of the short trajectories, of shorter duration than the temporal resolution of the device (a few tens of picoseconds) in the scattered light that is harvested by the fiber 20.
  • the scattered light collected by the fiber 20 is directed towards a separator 26 allowing the separation of the light from the laser source 14 injected into the fiber 20 of the scattered light which leaves the fiber 20.
  • the separator 26 is a polarization splitter cube.
  • the device 8 further comprises a half-wave plate 28 placed between the laser source 14 and the polarization splitter 26.
  • the half-wave plate 28 serves to control the polarization of the light from the source 14. This makes it possible to control the polarization of the light incident on the polarization splitter 26. Thus, the light injected into the fiber 20 can thus be maximized.
  • the separator 26 may be any other beam separation system, such as for example a fiber separator.
  • the system of lenses used for the injection of the laser beam into the fiber is different from the optical system for conveying the diffuse light on the photodetector 44.
  • the device 8 also comprises an optical isolator 30 placed between the source 14 and the separator 26.
  • This optical isolator 30 serves to block the diffused light to avoid any reinjection of light into the source 14. Such reinjections can, in fact, disturb the operation of the source 14.
  • the beam obtained after diffusion in the sample 10 is sent to means 42 for detection and analysis.
  • These means 42 comprise a photodetector 44.
  • the numerical aperture of the detection system in the case of FIG. 1 is not fixed by the photodetector 44 but by the lens 22. This lens has, in effect, the role of increase the numerical aperture of the detection system.
  • the photodetector 44 is connected to an information processing unit 46 whose principal means are described with reference to FIG.
  • the characteristics of the optical elements placed downstream of the sample 10 are chosen so that the coherence surface of the scattered beam at the photodetector 44 is of the same order of magnitude as the active surface of this photodetector 44.
  • the information processing unit 46 is formed of a set of analog electronic circuits adapted to perform the functions described with reference to FIG. 2.
  • the unit 46 comprises a high-pass filter 50 for filtering the signal collected by the photodetector 44.
  • the cutoff frequency of the filter 50 is of the order of one to ten times the frequency f of modulation of the light emitted by the source 14. In this case, the cutoff frequency is of the order of 100 kiloHertz.
  • the main purpose of the high-pass filter 50 is to suppress the DC component of the signal. It also ensures the elimination of low frequency noise and the possible spurious effects related to source wavelength modulation 14.
  • the useful signal obtained at the output of the filter 50 has a frequency much higher than the modulation frequency .
  • the signal obtained at the output of the filter is advantageously amplified by an optional amplifier 51.
  • a multiplication stage 52 receives the signal collected by the photodetector 44, if necessary filtered and amplified. I l ensures the multiplication of the filtered signal by a reference signal denoted Ref (t, xo).
  • the signal Ref (t, xo) comes from a signal generation unit 54.
  • the unit 54 is, for example, a programmable signal generator or an analog electronic circuit consisting of a set of oscillators whose characteristic parameters are adjustable.
  • the output of the multiplication stage 52 is connected to a stage 56 for extracting the DC component of the signal, that is to say for calculating its average value.
  • the signal Ref (t, io) is such that the DC component of the product of the reference signal Ref (t, xo) and of the signal measured by the photodetector 44 corresponds to a demodulated signal of the latter.
  • the combination of the signal delivered by the detector and the reference signal Ref (t, xo) acts as a time gate centered on the delay ⁇ 0 .
  • the signal Ref (t, io) is expressed for example in the form:
  • n an integer greater than one
  • the signal Ref (t, io) is produced by using an optical interferometer having a delay between the two arms, by filtering the DC component of the signal detected at the output of the interferometer and multiplying the result by a another function generated by an analog electronic unit, this function being canceled at the extremes of the modulation 5A (t).
  • This other function will be for example the function sin n (2TTft).
  • the extraction by the stage 56 of the DC component of the product calculated by the stage 52 is obtained for example by implementation of a low-pass filter.
  • the extracted signal is a continuous signal whose evolution is a slow evolution linked to the movements of the sample 10.
  • the extraction of the DC component is provided by an integrating device which integrates the signal obtained at the output of stage 52 for exactly one half-period T / 2.
  • the signal from the stage 56 is sampled after each integration of this type.
  • the information processing unit further comprises a stage 58 for applying a non-linear function to the DC component of the signal obtained at the end of stage 56.
  • This function is, for example, an elevation at square, or any other even power, or the application of the absolute value function.
  • FIG. 3 The result of the application of the temporal gate implemented during the multiplication performed by stages 52 to 58 is illustrated in FIG. 3.
  • the signal represented in FIG. 3 is the DC component obtained at the output of stage 58. after applying a non-linear function, as a function of the value of the predetermined delay ⁇ 0 . This signal corresponds only to the diffuse light from the sample 10
  • the next stage noted 60 of the unit 46 is adapted to average the signals obtained at the output of the stage 58 for a predetermined period.
  • the average calculated by stage 60 is determined over a period of the order of one second.
  • the stage 60 comprises for example a low-pass filter.
  • the calculation of the average is replaced by a simple summation of the sampled signals from the stage 58 or any other form of linear combination performed on these signals.
  • the signal obtained at the end of the stage 60 for a given value of the predetermined delay ⁇ 0 is a measure of the time-resolved diffuse intensity cross-correlation function, for a transit time ⁇ 0 fixed and determined by the reference function.
  • the diffuse light is collected near the illumination point P1 and corresponds essentially to short paths, and this property can be advantageously accentuated by the scattering probe 24.
  • the function of Cross-correlation of the time-resolved diffuse intensity can be identified at the time-resolved diffuse intensity, thus allowing time-resolved measurement of diffuse light.
  • the device 8 comprises several information processing units 46, each associated with a delay value ⁇ 0 thus making it possible to obtain measurements of the diffuse energy for different delays ⁇ 0 .
  • the information processing unit 46 described above, consists of an analog electronic device. However, in a variant, this information processing unit 46 comprises an analog high-pass filter 50 at the output of which an analog / digital converter is provided. The set of treatments performed by stages 52 to 60 is then performed completely digitally by implementing an algorithm adapted in a computer. In this case, the different number of values ⁇ 0 for which the calculation is performed can be very large.
  • the signal obtained at the output of the stage 58 fluctuates on the same time scale as the signal obtained at the output of the stage 56. These fluctuations are due to the movements in the scattering medium itself when this medium is a biological environment. These movements induce fluctuations on timescales of the order of a millisecond.
  • the device 8 which has just been described is suitable for the implementation of a method for analyzing the scattering sample 10 by time-resolved measurement of the light scattered in this sample 10.
  • This method comprises a step of illuminating the sample 10 at the point P1 with an incident beam of temporally coherent light and wavelength-modulated according to a function having for period the period of modulation T.
  • the method also comprises a detection step on the photodetector 44 during a first time interval of the temporal evolution of the intensity of the light scattered by the sample 10 at the point P2.
  • the method also comprises a step of multiplying the signal detected by the photodetector 44 by the reference signal Ref (t, io).
  • the method also comprises a step of extracting the demodulated components of the detected signal.
  • the method also includes applying a non-linear function to extracted demodulated components.
  • FIG. 5 illustrates a variant of the analysis method according to the invention intended to obtain a time-resolved measurement of a quantity relative to the diffuse light in the sample to be analyzed.
  • This variant differs from the process described in FIGS. 1 to 4 only by the structure of the information processing unit 46 at its stages 56 and 58.
  • the output of the multiplication stage 52 is connected to a stage 56 'of extraction of the respective continuous components of the signals obtained at the output of the stage 52 for a determined duration, substantially equal to that used for the calculation of the calculated average by the stage 60 in the method described with reference to FIG. 2.
  • the means implemented to obtain each continuous component S are similar to those explained above.
  • the output of this stage 56 ' is connected to a stage 58' for applying a non-linear function g to at least two variables taken among the continuous components S, coming from the stage 56 '.
  • a non-linear function g is considered here in a broad sense, that is to say, in the case of multivariate functions, only linear functions are excluded from their variables taken together under vector form, such as the "sum of two vectors" function.
  • This nonlinear function is, for example, a product function applied to two distinct S values.
  • g (S ,, S i + a ) S, x S i + a , where a is a nonzero positive integer and the sign "x" corresponds to the mathematical product.
  • Such a function is adapted to study the evolution of the value S i + a with respect to the value S i .
  • a biological medium is the seat of many movements and, despite the precautions of use including choosing a modulation frequency of the laser source 14 sufficiently high to consider the scattering sample 10 as stationary during the modulation period, the signal S i + i recorded following a signal S, is slightly different from this signal S ,.
  • the signal S i + 2 is more so. More generally, we note a decorrelation of the signals S i + a and S, for a> 1. The evolution of this decorrelation as a function of a and of ⁇ 0 is able to provide useful data on the nature and the intensity movements in the sample 10.
  • the stage output 58 ' is connected to the average stage 60 of the signals obtained at the output of the stage 58', which average is a function, on the one hand, of the delay ⁇ 0 as previously, and on the other hand the value of the integer a.
  • One way to study the decorrelation of the signals S, between them is to follow the evolution of this average from the stage 60, for a crescent and fixed ⁇ 0 for example.
  • the processing unit 46 is adapted to implement another analysis method comprising an estimation of the correlation of the signal detected by the photodetector 44.
  • the processing unit 46 is the circuit 102 shown in FIG. 6.
  • the various elements of this circuit 102 are more specifically described in FIGS. 7 to 15.
  • This circuit 102 is given by way of example only, knowing that this circuit 102 corresponds to the analog electronic processing circuit of a light signal described in the application FR-A-2 958 430.
  • the circuit 102 may be according to any one of the various embodiments described in this application for this circuit 102.
  • the circuit 102 comprises a photodetector 106 adapted to produce an electrical signal 108 from the light signal 104.
  • the circuit 102 comprises an amplifier 1 10 for amplifying the electrical signal 108.
  • the circuit 102 further comprises a multiplier 1 12 adapted to multiply the electrical signal 108, possibly amplified by the amplifier 1 10, by a reference signal f (t) 1 14 of constant sign to obtain a multiplied signal 1 16.
  • the multiplier 1 12 is connected to an integrator 1 18 adapted to integrate the multiplied signal 1 16 over at least one time interval to obtain at least one integrated signal.
  • two integrated signals 120 and 122 are represented at the output of the integrator 18.
  • the signal 120 is a reference voltage obtained by a particular choice of the integration time interval and the reference signal 1. 14.
  • the signal 122 is stored in a memory 124 comprising a plurality of data registers Reg_1 126, Reg_2 128, Reg_N 130 and a reference register RegRef 132 adapted to store the reference voltage 120.
  • the integrated signal 122 is stored in the Reg_2 data register 128.
  • the analog memory 124 allows random write access and two random read accesses so that the contents of two different or identical data registers can be read simultaneously.
  • a differential input multiplier 134 is adapted to multiply the contents of two different or identical registers of the memory 124, for example the contents of the registers 128 and 130.
  • the result 136 of the multiplication performed by the differential input multiplier 134 represents the temporal correlation of the measurements recorded on two different or identical integration time intervals, which makes it possible to estimate the temporal correlation of the light signal 104.
  • the photodetector 106 is a simple photodiode.
  • the photodetector 106 comprises a photodiode associated with a high-pass filter making it possible to filter the low frequency components of the detected signal, in particular the DC component, in order to transmit only the high frequency components which contain the relevant information and thus allow greater momentum.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of such a high-pass filter associated with a photodiode 140.
  • This high-pass filter comprises a voltage-controlled current source 142 which serves to compensate for the low frequencies of the photo-current generated by the photodiode 140.
  • the high-pass filter further comprises, optionally, an adjustable bandwidth voltage inverter amplifier 144, the input of which is connected to the node N common to the photodiode 140 and the voltage-controlled current source 142.
  • the high-pass filter also comprises a capacitor 146 inserted between the node N and the output to the multiplier 1 12.
  • the high-pass filtering is essentially performed by the capacitor 146, the passband of this filter being approximately equal to G / (2nR d C), G being the gain in absolute value of the amplifier 144, R d the dynamic transimpedance of the voltage-controlled current source 142 and C the capacitance of the capacitor 146.
  • the capacitor 146 also makes it possible to isolate the operating point of the amplifier 144, which is also the bias voltage of the photodiode 140, from the operating point of the multiplier 12. Thanks to this arrangement, it is also possible to reduce the cutoff frequency of the high-pass filter, by decreasing the bandwidth of the amplifier 144 which is adjustable.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of the photodetector 106 comprising the varicap 148 (constituted by the photodiode 140 and the capacitor 146) and a transistor 150 (of the NMOS type for example) constituting the voltage-controlled current source 142.
  • the transistor 150 operates in saturated mode, and behaves as a current source controlled by the potential of the node N.
  • the cutoff frequency of the high-pass filter depends only on the bias current of the photodiode 140, FIG. that is, incident light flux, and can not be adjusted by any other means. In addition, this cutoff frequency is not very high.
  • FIG. 9 illustrates an exemplary embodiment of the amplifier 1 10.
  • the amplifier 1 10 comprises a transistor M2.1 162, placed between the output and the input of an inverting amplifier 164, controlled by a voltage VCOMa.
  • Transistor 162 converts an incoming current 11 into a voltage, which will then be reconverted to a current 112 by a transistor M2.2 166 placed at the output of the amplifier.
  • a capacitor 168 is also advantageously placed in series with the transistor M2.2 166, so as to perform an additional high-pass filtering function, and to isolate the operating point of the inverting amplifier 164 from the rest of the circuit.
  • the inverting amplifier 164 consists for example of two transistors.
  • FIG. 10 illustrates the structure of the multiplier 1 12 and the integrator 1 18.
  • This demodulation stage constituted by the multiplier 1 12 and the integrator 1 18 comprises two identical resistive devices 180 and 182 whose conductances are voltage-controlled, a first voltage inverting amplifier 184, a second voltage inverting amplifier 186 whose input operating point is approximately identical to that of the amplifier 184.
  • These two inverting amplifiers 184 and 186 consist, by way of example, of two transistors each.
  • the input of the amplifier 184 is connected to the node N1 common to the output of the photodetector 106 and to one of the terminals of the resistive device 180.
  • the input of the amplifier 184 is connected to the common node at the output of the amplifier. amplifier 1 and at one of the terminals of the resistive device 180.
  • the output of the amplifier 184 is connected to the other terminal of the resistive device 180 and to the resistive device 182, the other terminal of the resistive device 182 being connected to the input of the amplifier 186.
  • the voltage (or the voltages VCOM1) of the resistive device 180 is fixed, thereby setting the value of the conductance of this resistive device 180.
  • the output voltage of the amplifier 184 is automatically adjusted by the feedback so that the current flowing through the resistive device 180 compensates the high frequency components of the photocurrent coming from the photodetector 106.
  • the operating point of the amplifier 184 i.e. the voltage at its input, should be approximately the same as that of the amplifier 186, i.e. the voltage at its amplifier. Entrance.
  • VCOM2 control voltage (s) By appropriately varying the VCOM2 control voltage (s), it is thus possible to access the product of the photocurrent by an arbitrary positive function f (t).
  • the fact that the function f (t) is positive is not a limitation; just choose:
  • f 0 (t) being a positive function to guarantee the positivity of f (t). It is advisable to choose f 0 (t) in such a way that it contains only low frequencies, and that the contribution of the product of f 0 (t) by the high frequency components of the photocurrent is negligible after the integrator 1 18 acting as a filter for high frequencies.
  • the integrator 1 18 is a conventional structure, consisting of the amplifier 186 and a capacitor 188 placed between the input and the output of the amplifier 186.
  • the current flowing through the resistor 182 is simply integrated in the capacitor 188.
  • a transistor 190 also placed between the input and the output of the amplifier 186, allows the resetting of the integrator 1 18.
  • the output of the integrator 1 18, which is also the output of the amplifier 186 is connected to the memory 124 of FIG.
  • each of the resistors 180, 182 may consist of either an NMOS transistor 192 controlled by a voltage VCOM_N.
  • FIG. 12 presents a means for generating the control signal VCOM_N of the NMOS transistor 192 of FIG. 1 1.
  • This implementation circuit consists of a transistor 196 identical to the NMOS transistor 192 constituting the resistive device 182 or possibly much more broad (a transistor n times wider corresponding to a juxtaposition of n identical transistors) and an operational amplifier 198 and a resistor 200.
  • the non-inverting terminal of the operational amplifier 198 is attached to a VON potential.
  • the drain of the NMOS transistor 196 is connected to a fixed potential VN, while its source is connected to the inverting input of the operational amplifier 198 and to one of the terminals of the resistor 200.
  • the other terminal of the resistor 200 is connected to a programmable voltage source 202.
  • the output of the operational amplifier 198 is connected to the gate of the NMOS transistor 196, and defines the potential VCOM_N.
  • the signal VCOM_N thus defined sets the resistance of the NMOS transistor 196 so that, under the fixed potential difference VN-VON, the current flowing through the latter is identical to the current flowing through the resistor 200, which is itself determined by the programmable voltage source 202.
  • the NMOS transistor 192 constituting the resistive device 182 will have the same resistance (or a resistance multiplied by a factor n if the transistor of Figure 12 is n times wider than that which constitutes the resistive device 182). Otherwise, in low inversion mode, an offset error corresponds to a simple multiplicative factor. Finally, in low inversion mode, the NMOS transistor 196 does not necessarily have to operate in linear mode, and it is possible to take VN equal to + avdd.
  • FIG. 13 illustrates an embodiment of the reference register 132 of the analog memory 124.
  • the reference register 132 essentially comprises a follower assembly consisting of transistors M3.1 and M3.2.
  • An M3.3 transistor is also provided to operate in switch mode.
  • WVREF the voltage to be stored can thus be recorded on the gate of the transistor M3.1 when M3.3 is closed, then stored when M3.3 is open.
  • the VREF output of the follower is, at an offset, a copy of the stored gate voltage. It is directly connected to the differential inputs of the differential input multiplier 134.
  • Data registers Reg_1 126, Reg_2 128 ..., Reg_N 130 have random write access, and a double read random access.
  • Their implementation, an example of which is shown in FIG. 14, is identical to that of the RegRef register 132, except that the recording operation is controlled by a signal D1 (i) 210, and that the output is isolated from the inputs Vx and Vy of the differential input multiplier 134 by two transistors M4.4 and M4.5, controlled by two signals D2 (i) 212 and D3 (i) 214. It is thus possible, using D2 (i) 212 and D3 (i) 214, to perform the multiplication of any pair of registers of the memory 124.
  • the differential input multiplier 134 is a differential input four quadrant multiplier, as described in [Gunhee Han and Edgar Sanchez-Sinencio, CMOS Transconductance Multipliers: A tutorial, IEEE Trans. we wax, and syst., vol. 45 n [deg.] 12, p1550 (1998)], implemented according to the circuit of FIG. 15.
  • the fact of using a differential input and using a RegRef register 132 makes it possible to overcome all offset problems, which may notably be related to a difference between the polarizations of the amplifiers 184 and 186 or to a transfer of charges when opening a transistor operating in switch mode or the operation of the follower assembly constituting the registers of the memory 124.
  • the operating point of the differential input multiplier 134 is set by a suitable choice of that of the integrator 1 18, that is to say by a suitable choice of the operating point at the input of the amplifier 186 which can - even depend on the choice of supply voltages of this amplifier. It should be noted that in the exemplary implementation of FIG. 15, the reference voltage is directly used at the input of the differential input multiplier 134, which is not the case in the document [Gunhee Han and Edgar Sanchez-Sinencio].
  • the output of the differential input multiplier 134 consists of two currents I P and IM, the difference IP-IM of which is the result of the multiplication. It should be noted that the potentials UP and UM at the output of the multiplier 134 must, when the multiplier 134 is in operation, be identical and set to a precise value V0.
  • Such an analog processing circuit 102 can process a very weak light signal, while having a satisfactory signal-to-noise ratio thanks to the integration of this circuit over a very small space of dimension less than or equal to 42 ⁇ 44 ⁇ . It is thus possible to have a large number of pixels so as to maximize the signal-to-noise ratio.
  • the originality of the circuit 102 lies essentially in the fact of using an analog memory.
  • the use of such an analog memory presents a difficulty concerning the elimination of offsets on the memorized quantity. This difficulty is solved in the circuit according to the invention, thanks to the use of the reference register 132 and the differential input multiplier 134.
  • the circuit 102 which has just been described is therefore suitable for implementing an analysis method comprising an estimation of the temporal correlation.
  • a measuring device 300 adapted to the implementation of the method as described above can be advantageously implemented for the reflectance measurement of the oxygenation rate of hemoglobin. of a human being.
  • this oxygenation rate at least two central wavelengths ⁇ - ⁇ and ⁇ 2 are used.
  • the measurement device 300 of the oxygenation rate illustrated in FIG. 16 comprises a first laser diode 16 and a second laser diode 302 whose central emission wavelengths are respectively ⁇ - ⁇ and ⁇ 2 .
  • the two diodes 16 and 302 are each controlled by a control unit 18 and 304 for modulating the wavelength of the light emitted, as described in the embodiment of FIG.
  • An automatic shutter 306 is arranged at the output of the laser diodes and in order to selectively illuminate the optical fiber 20 with one or the other of the light beams emitted by these diodes 6 and 302.
  • the scattered light is measured for different delays ⁇ 0 , as described with reference to the embodiment of FIG. 1.
  • the measuring device 300 comprises, connected to the detection and analysis means
  • a unit 308 for calculating the rate of oxygenation of hemoglobin 42, a unit 308 for calculating the rate of oxygenation of hemoglobin.
  • the oxygenation rate of the hemoglobin is deduced from the medium absorption coefficients calculated at the two wavelengths k -1 and ⁇ 2 specific to the diodes.
  • the calculation of the absorption coefficient is made, as a function of a relationship known per se, from the exponential decay of light scattering as a function of time, this decay being defined from the different measurements made at delays. ⁇ 0 different.
  • the data relating to the decorrelation of the signals S provide information on the blood circulation in tissues such as the capillaries of the muscle, in addition to the measurement of the blood flow rate. oxygenation as explained with reference to FIG. 16.
  • the time-resolved acquisition of these data makes it possible, for example, to isolate the contribution of the blood circulation in such capillaries compared with that in blood vessels of larger sizes.
  • the monitoring of the oxygenation rate makes it possible to apply the analysis method to monitoring the perfusion of an organ.
  • the organ is a kidney, prostate, bone marrow or brain.
  • the devices illustrated in FIGS. 1 and 16 only make it possible to perform a time-resolved measurement at a point considered in the sample.
  • the devices described here and the method implemented makes it possible to analyze a diffusing sample by time-resolved measurement of diffuse light in this sample at a very low cost.
  • the light source used may be formed of a simple laser diode.
  • the detection and analysis means can be made at a lower cost.
  • the electromagnetic fields are much less intense than pulsed, as is the case in the state of the art.

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Abstract

The invention relates to a method for analysing a scattering sample (10) using a time-resolved measurement of the light scattered by the sample (10), said method comprising steps of: illuminating the sample (10) at an illumination point (P1) located on the sample (10), using a temporally coherent incident light beam, the wavelength of which is modulated according to a function in which the period is the modulation period (T); and detecting, with a photodetector (44), during a first time interval, the time variation in the intensity of the light scattered by the sample at an exit point (P2) located on the sample (10) at a distance (d) less than 1 millimetre from the illumination point (P1).

Description

PROCEDE D'ANALYSE D'UN ECHANTILLON DIFFUSANT PAR MESURE RESOLUE METHOD FOR ANALYZING A DIFFUSING SAMPLE BY RESOLVED MEASUREMENT
EN TEMPS ET DISPOSITIF ASSOCIE La présente invention concerne un procédé d'analyse d'un échantillon diffusant par mesure résolue en temps de la lumière diffusée dans cet échantillon. La présente invention se rapporte également à un dispositif adapté pour la mise en œuvre du procédé. L'invention s'applique en particulier pour surveiller l'oxygénation et la perfusion d'un organe d'un être humain. The present invention relates to a method for analyzing a scattering sample by time-resolved measurement of the light scattered in this sample. The present invention also relates to a device adapted for implementing the method. The invention is particularly applicable for monitoring the oxygenation and perfusion of an organ of a human being.
Dans le domaine médical, il est connu d'utiliser la lumière, notamment avec des longueurs d'ondes situées dans le domaine infrarouge (au voisinage de 800 nanomètres), afin d'étudier assez profondément la nature des tissus biologiques.  In the medical field, it is known to use light, especially with wavelengths located in the infrared range (in the vicinity of 800 nanometers), in order to study the nature of biological tissues quite profoundly.
Cependant, les tissus biologiques sont très diffusants aux longueurs d'ondes optiques, ce qui a tendance à brouiller toutes informations concernant leur structure interne. Or, cette structure influe les données et il est souhaitable d'estimer cette influence.  However, biological tissues are highly diffusing at optical wavelengths, which tends to obscure any information about their internal structure. However, this structure influences the data and it is desirable to estimate this influence.
Pour cela, il est intéressant d'étudier la dynamique de propagation de la lumière dans les tissus biologiques. A cet effet, il est connu d'envoyer une impulsion lumineuse très courte sur le milieu à étudier et d'effectuer des mesures résolues en temps de la lumière diffuse. La résolution temporelle fournit des indications précieuses sur la structure du milieu.  For this, it is interesting to study the dynamics of light propagation in biological tissues. For this purpose, it is known to send a very short pulse of light on the medium to be studied and to carry out determined measurements in time of the diffuse light. Temporal resolution provides valuable insights into the structure of the environment.
Selon les cas, les mesures sont effectuées en réflectance ou en transmittance. Les mesures en réflectance sont utilisées notamment afin de déterminer le taux d'oxygénation de l'hémoglobine du sang.  Depending on the case, the measurements are made in reflectance or transmittance. Reflectance measurements are used in particular to determine the rate of oxygenation of blood hemoglobin.
Toutefois, la résolution temporelle doit être effectuée sur un temps très bref, de l'ordre de quelques dizaines de picosecondes (ps). Aussi, l'obtention d'une telle résolution implique l'emploi des technologies très sophistiquées et coûteuses.  However, the temporal resolution must be performed on a very short time, of the order of a few tens of picoseconds (ps). Also, obtaining such a resolution involves the use of very sophisticated and expensive technologies.
Dans les dispositifs d'observation connus, la source produisant l'impulsion lumineuse est adaptée pour fournir une impulsion très brève.  In known observation devices, the source producing the light pulse is adapted to provide a very brief pulse.
Par exemple, dans le dispositif décrit dans le document US-A-5 692 51 1 , la source lumineuse utilisée est un laser titane-saphir. Un tel laser est très coûteux. De plus, la détection mise en œuvre est délicate. Il est proposé l'emploi d'une photodiode à avalanche reliée à une porte temporelle électronique pour déterminer le nombre de photons transmis pendant une période de temps donnée. La photodiode à avalanche a un temps de réponse relativement long qui détériore le contraste potentiel de la porte temporelle. Plus généralement, dans les dispositifs d'analyse par mesure résolue en temps de la lumière diffuse, il est couramment mis en oeuvre une source permettant de produire des impulsions brèves telles que des lasers impulsionnels qui sont coûteux. For example, in the device described in US-A-5 692 51 1, the light source used is a titanium-sapphire laser. Such a laser is very expensive. In addition, the detection implemented is tricky. It is proposed the use of an avalanche photodiode connected to an electronic time gate to determine the number of photons transmitted during a given period of time. The avalanche photodiode has a relatively long response time which deteriorates the potential contrast of the time gate. More generally, in time-resolved, diffuse light measurement analysis devices, a source is commonly used to produce short pulses such as pulse lasers which are expensive.
De plus, les moyens mis en oeuvre pour la détection de la lumière posent des problèmes propres à chacun d'eux qui ne permettent pas une utilisation satisfaisante du dispositif.  In addition, the means used for the detection of light pose problems specific to each of them that do not allow satisfactory use of the device.
Parmi ces moyens de détection du signal, il existe : les détecteurs rapides avec traitement électronique du signal provenant du détecteur dont le temps de réponse, relativement long, détériore considérablement le contraste de la porte temporelle ; les convertisseurs temps-amplitude en régime de comptage de photons qui impliquent de diminuer le signal pour se placer dans régime adapté, ce qui n'est pas compatible avec les temps d'acquisition courts ; les portes optiques à effets non-linéaires qui requièrent des lasers puissants à cadences faibles de l'ordre de 10 Hz, ce qui limite considérablement la sensibilité ; les caméras à balayage de fente qui possèdent une très bonne résolution temporelle (environ 2 ps) mais dont la dynamique n'est pas très importante ; et les caméras intensifiées ultra-rapides dont la résolution temporelle n'est pas très bonne (de l'ordre de 80 ps) pour un faible taux de répétition (de l'ordre de 1 kHz).  Among these signal detection means, there are: fast detectors with electronic signal processing from the detector whose relatively long response time considerably deteriorates the contrast of the time gate; time-amplitude converters in the photon counting regime which involve decreasing the signal to fit in the appropriate regime, which is not compatible with the short acquisition times; optical doors with non-linear effects that require powerful lasers with low rates of the order of 10 Hz, which considerably limits the sensitivity; Slot scanning cameras that have very good temporal resolution (about 2 ps) but whose dynamics are not very important; and ultra-fast intensified cameras whose temporal resolution is not very good (of the order of 80 ps) for a low repetition rate (of the order of 1 kHz).
C'est pourquoi dans FR-A-2 809 180, il est proposé un dispositif d'analyse d'un échantillon diffusant par mesure résolue en temps de la lumière diffuse dans cet échantillon. Le dispositif décrit dans cette demande de brevet utilise une modulation spectrale de faisceaux lumineux et permet de mesurer des fonctions de corrélation temporelle de la lumière diffusée pour un temps de transit déterminé notamment dans de nombreuses applications pour le diagnostic médical.  This is why in FR-A-2 809 180 there is provided a device for analyzing a scattering sample by measurement resolved in time of the diffuse light in this sample. The device described in this patent application uses a spectral modulation of light beams and measures time correlation functions of the scattered light for a transit time determined in particular in many applications for medical diagnosis.
Cependant, le dispositif divulgué dans la demande de brevet précitée reste de mise en œuvre complexe, notamment parce qu'il implique l'emploi d'un interféromètre.  However, the device disclosed in the aforementioned patent application remains complex implementation, especially because it involves the use of an interferometer.
Il existe donc un besoin pour un dispositif d'analyse d'un échantillon diffusant par mesure résolue en temps de la lumière diffuse sont la mise en œuvre soit plus aisée.  There is therefore a need for a device for analyzing a scattering sample by resolute measurement in time of diffuse light are the implementation is easier.
A cet effet, il est proposé un procédé d'analyse d'un échantillon diffusant par mesure résolue en temps de la lumière diffusée dans cet échantillon, le procédé comportant les étapes d'illuminer l'échantillon en un point d'illumination situé sur l'échantillon avec un faisceau incident de lumière cohérente temporellement et modulée en longueur d'onde selon une fonction ayant pour période la période de modulation et de détecter sur un photodétecteur pendant un premier intervalle de temps l'évolution temporelle de l'intensité de la lumière diffusée par l'échantillon en un point de sortie situé sur l'échantillon à une distance inférieure à 1 millimètre du point d'illumination. Le procédé comporte également les étapes de multiplier le signal détecté par le photodétecteur par un signal de référence générant une porte temporelle centrée sur un retard prédéterminé pour obtenir un signal multiplié, d'extraire des composantes démodulées du signal détecté à partir du signal multiplié, et d'appliquer une fonction non-linéaire aux composantes démodulées extraites. For this purpose, there is provided a method for analyzing a scattering sample by time-resolved measurement of scattered light in this sample, the method comprising the steps of illuminating the sample at an illumination point located on the sample. sample with an incident beam of temporally coherent and wavelength-modulated light according to a function having a period of the modulation period and detecting on a photodetector during a first time interval the temporal evolution of the intensity of the light diffused by the sample at an exit point located on the sample at a distance less than 1 millimeter from the point of illumination. The method also comprises the steps of multiplying the signal detected by the photodetector by a reference signal generating a time gate centered on a predetermined delay to obtain a multiplied signal, extracting demodulated components of the signal detected from the multiplied signal, and applying a non-linear function to the extracted demodulated components.
Suivant des modes de réalisation particuliers, le procédé comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :  According to particular embodiments, the method comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
- l'étape d'extraction comprend les étapes de découper le premier intervalle de temps en fonction de la période de modulation pour obtenir une succession d'intervalle d'intégration, et de calculer une composante démodulée du signal détecté pour chaque intervalle d'intégration, la composante démodulée étant définie comme l'intégrale du signal multiplié sur l'intervalle d'intégration considéré.  the extraction step comprises the steps of cutting the first time slot as a function of the modulation period to obtain a succession of integration intervals, and calculating a demodulated component of the signal detected for each integration interval , the demodulated component being defined as the integral of the signal multiplied over the integration interval considered.
- à l'étape de découpage, chaque intervalle d'intégration correspond à un intervalle de temps égal à une demi-période de modulation.  at the step of division, each integration interval corresponds to a time interval equal to one half-modulation period.
- à l'étape d'illumination de l'échantillon, le faisceau incident provient d'une fibre optique, la fibre optique servant également à collecter la lumière diffusée par l'échantillon au point de sortie et à amener la lumière collectée vers le photodétecteur.  at the step of illuminating the sample, the incident beam comes from an optical fiber, the optical fiber also serving to collect the light scattered by the sample at the exit point and to bring the collected light to the photodetector .
- la fibre est munie à une extrémité d'une sonde diffusante.  the fiber is provided at one end with a diffusing probe.
- la fonction non-linéaire est la moyenne du carré de la composante démodulée ou la moyenne du produit de deux composantes démodulées distinctes.  - the non-linear function is the mean of the square of the demodulated component or the average of the product of two distinct demodulated components.
L'invention concerne aussi un dispositif d'analyse d'un échantillon diffusant par mesure résolue en temps de la lumière diffuse dans cet échantillon, comportant des moyens pour illuminer l'échantillon avec un faisceau incident de lumière cohérente temporellement et modulée en longueur d'onde en un point d'illumination situé sur l'échantillon. Le dispositif comporte un photodétecteur détectant l'évolution temporelle de l'intensité de la lumière diffusée par l'échantillon en un point de sortie situé sur l'échantillon à une distance inférieure à 1 millimètre du point d'illumination et une unité de traitement adaptée pour la mise en œuvre de l'analyse du signal détecté par le photodétecteur pour obtenir une corrélation temporelle de ce signal.  The invention also relates to a device for analyzing a scattering sample by time-resolved measurement of diffuse light in this sample, comprising means for illuminating the sample with an incident beam of temporally coherent light and modulated in length. wave at an illumination point on the sample. The device comprises a photodetector detecting the temporal evolution of the intensity of the light scattered by the sample at an exit point situated on the sample at a distance of less than 1 millimeter from the illumination point and a suitable processing unit. for carrying out the analysis of the signal detected by the photodetector to obtain a temporal correlation of this signal.
Suivant des modes de réalisation particuliers, le dispositif comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :  According to particular embodiments, the device comprises one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination:
- le dispositif est adapté pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit précédemment,  the device is adapted for implementing the method as described above,
- le dispositif comporte un circuit comprenant le photodétecteur, un multiplieur, un intégrateur, une mémoire analogique et une unité d'estimation d'une corrélation temporelle du signal détecté par le photodétecteur à partir des composantes mémorisées. the device comprises a circuit comprising the photodetector, a multiplier, an integrator, an analog memory and a unit for estimating a correlation time of the signal detected by the photodetector from the stored components.
L'invention a également pour objet l'utilisation du dispositif tel que précédemment décrit pour surveiller l'oxygénation et la perfusion d'un organe d'un être humain.  The invention also relates to the use of the device as previously described to monitor the oxygenation and perfusion of an organ of a human being.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont :  Other features and advantages of the invention will appear on reading the following detailed description of embodiments of the invention, given by way of example only and with reference to the drawings which are:
figure 1 , une vue schématique d'un dispositif d'analyse selon l'invention ;  FIG. 1, a schematic view of an analysis device according to the invention;
figure 2, un organigramme illustrant la structure de l'unité de traitement d'informations du détecteur de l'installation de la figure 1 ;  FIG. 2 is a flowchart illustrating the structure of the information processing unit of the detector of the installation of FIG. 1;
figures 3 et 4, des courbes illustrant la forme des signaux pouvant être obtenus en différents points de l'unité de traitement d'informations de la figure 2 ;  FIGS. 3 and 4, curves illustrating the shape of the signals that can be obtained at different points of the information processing unit of FIG. 2;
figure 5, un organigramme illustrant une variante de la structure de l'unité de traitement d'informations du détecteur de l'installation de la figure 1 ; figure 6, un schéma synoptique illustrant la structure d'un circuit de traitement d'un signal lumineux ;  FIG. 5 is a flowchart illustrating a variant of the structure of the information processing unit of the detector of the installation of FIG. 1; FIG. 6 is a block diagram illustrating the structure of a signal processing circuit;
figure 7, un schéma synoptique illustrant un exemple de réalisation d'un filtre passe-haut ;  FIG. 7 is a block diagram illustrating an exemplary embodiment of a high-pass filter;
figure 8, un schéma synoptique illustrant un photodétecteur ;  FIG. 8, a block diagram illustrating a photodetector;
figure 9, un schéma synoptique illustrant une structure d'amplification ; figure 10, un schéma synoptique illustrant une structure de démodulation comprenant un multiplieur et un intégrateur ;  FIG. 9 is a block diagram illustrating an amplification structure; FIG. 10 is a block diagram illustrating a demodulation structure comprising a multiplier and an integrator;
figure 1 1 , un schéma synoptique illustrant un mode de réalisation des dispositifs résistifs de la structure de la figure 10 ;  FIG. 11, a block diagram illustrating an embodiment of the resistive devices of the structure of FIG. 10;
figure 12, un schéma synoptique illustrant la structure de moyens pour générer les tensions de commande la figure 10 ;  FIG. 12 is a block diagram illustrating the structure of means for generating the control voltages FIG. 10;
figure 13, un schéma synoptique illustrant la structure d'un registre de référence ;  FIG. 13 is a block diagram illustrating the structure of a reference register;
figure 14, un schéma synoptique illustrant la structure d'un registre de données;  Fig. 14 is a block diagram illustrating the structure of a data register;
figure 15, un schéma synoptique illustrant le multiplieur à entrée différentielle, et  FIG. 15 is a block diagram illustrating the differential input multiplier, and
figure 16, une vue schématique d'un dispositif de mesure selon l'invention, Le dispositif 8 représentée sur la figure 1 permet l'analyse en réflectance d'un échantillon diffusant 10 par mesure résolue en temps de la lumière diffusée. A l'aide du dispositif 8, il est possible de reconstruire l'évolution temporelle de l'énergie diffuse avec des résolutions temporelles de l'ordre de 200 ps à 20 ps. FIG. 16, a schematic view of a measuring device according to the invention. The device 8 represented in FIG. 1 allows the reflectance analysis of a scattering sample 10 by a time-resolved measurement of the scattered light. With the aid of the device 8, it is possible to reconstruct the temporal evolution of the diffuse energy with temporal resolutions of the order of 200 ps to 20 ps.
Le dispositif 8 comprend des moyens 12 pour illuminer l'échantillon 10.  The device 8 comprises means 12 for illuminating the sample 10.
Plus précisément, selon l'exemple de la figure 1 , les moyens 12 pour illuminer comprennent une source lumineuse 14 cohérente temporellement et modulée en longueur d'onde de façon à simuler, par un traitement approprié du signal détecté, une source incohérente.  More specifically, according to the example of FIG. 1, the means 12 for illuminating comprise a temporally coherent and wavelength-modulated light source 14 so as to simulate, by an appropriate processing of the detected signal, an incoherent source.
La source 14 comporte une cavité laser 16 reliée à une unité de commande 18 propre à assurer la modulation en longueur d'onde du faisceau produit par la cavité laser 16. La cavité laser 16 est par exemple une diode laser ou une diode laser montée en cavité étendue. La cavité laser 16 est adaptée pour produire un faisceau de lumière monochromatique cohérent temporellement.  The source 14 comprises a laser cavity 16 connected to a control unit 18 able to provide the wavelength modulation of the beam produced by the laser cavity 16. The laser cavity 16 is for example a laser diode or a laser diode mounted in extended cavity. The laser cavity 16 is adapted to produce a temporally coherent monochromatic light beam.
La longueur d'onde centrale λ0 d'émission de la source 14 est choisie en fonction des applications. Suivant un mode particulier de mise en œuvre du dispositif 8, plusieurs longueurs d'onde centrales différentes sont successivement mises en œuvre, permettant ainsi d'effectuer des mesures spectroscopiques. Les longueurs d'onde sont par exemple égales à 780 nm et 850 nm pour l'analyse du taux d'oxygénation des tissus. The central wavelength λ 0 of emission of the source 14 is chosen according to the applications. According to a particular mode of implementation of the device 8, several different central wavelengths are successively implemented, thus making it possible to perform spectroscopic measurements. The wavelengths are for example equal to 780 nm and 850 nm for the analysis of the oxygenation rate of the tissues.
L'unité de commande 18 est adaptée pour une modulation périodique de la longueur d'onde du faisceau produit par la cavité laser 16. Cette modulation est avantageusement une modulation sinusoïdale. L'amplitude notée δλ de cette modulation est de l'ordre de quelques centièmes de nanomètre.  The control unit 18 is adapted for periodic modulation of the wavelength of the beam produced by the laser cavity 16. This modulation is advantageously a sinusoidal modulation. The amplitude noted δλ of this modulation is of the order of a few hundredths of a nanometer.
La résolution temporelle At du dispositif obtenue pour une amplitude δλ de modulation de quelques centièmes de nanomètre est approximativement donnée par la formule suivante : At =  The temporal resolution At of the device obtained for a modulation amplitude δλ of a few hundredths of a nanometer is approximately given by the following formula: At =
 mô
où λ est la longueur d'onde d'émission de la source et c est la célérité de la lumière.  where λ is the emission wavelength of the source and c is the celerity of light.
Une résolution temporelle At de l'ordre de quelques dizaines de picosecondes est ainsi obtenue.  A temporal resolution At of the order of a few tens of picoseconds is thus obtained.
Avantageusement, la modulation de la lumière produite par la cavité laser 16 est effectuée de façon continue, en évitant les sauts de mode.  Advantageously, the modulation of the light produced by the laser cavity 16 is carried out continuously, avoiding mode jumps.
La fréquence f de modulation est choisie suffisamment élevée pour que l'échantillon diffusant puisse être considéré comme immobile pendant la période de modulation. La période de modulation correspond à l'inverse de la fréquence de modulation. La fréquence de modulation est avantageusement comprise entre 1 kiloHertz (kHz) et 100 kHz. Par exemple, la fréquence de modulation est choisie égale à 1 kHz. The modulation frequency f is chosen so high that the scattering sample can be considered as immobile during the modulation period. The modulation period corresponds to the inverse of the frequency of modulation. The modulation frequency is advantageously between 1 kilohertz (kHz) and 100 kHz. For example, the modulation frequency is chosen equal to 1 kHz.
Le faisceau optique issu de la source 14 est injectée dans une fibre 20 optique. The optical beam from the source 14 is injected into an optical fiber.
L'injection dans la fibre 20 est réalisée à l'aide d'une lentille 22 de focalisation. Une lentille 32 pourra avantageusement être utilisée pour adapter la divergence du faisceau à cette focalisation. The injection into the fiber 20 is carried out using a focusing lens 22. A lens 32 may advantageously be used to adapt the divergence of the beam to this focus.
La fibre 20 permet de conduire le faisceau issu de la source 14 vers l'échantillon 10. Une extrémité proximale 20P de la fibre 20 et une extrémité distale 20D de la fibre 20 peuvent ainsi être définie par rapport à l'échantillon 10. L'extrémité distale 20D est l'extrémité de la fibre 20 qui est la plus proche de l'échantillon 10.  The fiber 20 makes it possible to conduct the beam coming from the source 14 towards the sample 10. A proximal end 20P of the fiber 20 and a distal end 20D of the fiber 20 can thus be defined with respect to the sample 10. distal end 20D is the end of fiber 20 which is closest to sample 10.
Dans l'exemple de la figure 1 , la fibre 20 optique est multimode.  In the example of Figure 1, the optical fiber is multimode.
La fibre 20 permet d'illuminer l'échantillon 10 en un point appelé P1 .  The fiber 20 makes it possible to illuminate the sample 10 at a point called P1.
La lumière ainsi introduite dans l'échantillon 10 est diffusée dans celui-ci par exemple selon la trajectoire 23 représentée en pointillés sur la figure 1 .  The light thus introduced into the sample 10 is diffused therein for example along the path 23 shown in dashed lines in FIG.
La lumière diffusée peut sortir de l'échantillon en un point P2 situé sur l'échantillon The scattered light may exit the sample at a point P2 on the sample
10 à une distance d inférieure à 1 millimètre du point d'illumination P1. La distance d est visible sur la figure 1. 10 at a distance d less than 1 millimeter from the illumination point P1. The distance d is visible in FIG.
Selon cet exemple, la distance d est suffisamment faible pour que la fibre 20 puisse récolter une partie de la lumière diffusée par l'échantillon au point P2.  According to this example, the distance d is sufficiently small for the fiber 20 to harvest some of the light scattered by the sample at the point P2.
En outre, dans l'exemple illustré, la fibre 20 est munie à son extrémité distale 20D d'une sonde 24 diffusante. La sonde 24 permet de protéger l'échantillon 10. La sonde 24 permet d'obtenir un éclairage homogène de l'échantillon 10. La sonde 24 permet aussi d'accentuer l'importance des trajectoires courtes, de durée inférieure à la résolution temporelle du dispositif (quelques dizaines de picosecondes) dans la lumière diffusée qui est récoltée par la fibre 20.  In addition, in the illustrated example, the fiber 20 is provided at its distal end 20D with a diffusing probe 24. The probe 24 makes it possible to protect the sample 10. The probe 24 makes it possible to obtain a homogeneous illumination of the sample 10. The probe 24 also makes it possible to accentuate the importance of the short trajectories, of shorter duration than the temporal resolution of the device (a few tens of picoseconds) in the scattered light that is harvested by the fiber 20.
La lumière diffusée récoltée par la fibre 20 est dirigée vers un séparateur 26 permettant la séparation de la lumière en provenance de la source laser 14 injectée dans la fibre 20 de la lumière diffusée qui sort de la fibre 20. A titre d'exemple, le séparateur 26 est un cube séparateur de polarisation.  The scattered light collected by the fiber 20 is directed towards a separator 26 allowing the separation of the light from the laser source 14 injected into the fiber 20 of the scattered light which leaves the fiber 20. By way of example, the separator 26 is a polarization splitter cube.
Le dispositif 8 comporte en outre une lame demi-onde 28 placée entre la source laser 14 et le séparateur 26 de polarisation. La lame demi-onde 28 sert à contrôler la polarisation de la lumière issue de la source 14. Cela permet de contrôler la polarisation de la lumière incidente sur le séparateur 26 de polarisation. Ainsi, la lumière injectée dans la fibre 20 peut ainsi être maximisée.  The device 8 further comprises a half-wave plate 28 placed between the laser source 14 and the polarization splitter 26. The half-wave plate 28 serves to control the polarization of the light from the source 14. This makes it possible to control the polarization of the light incident on the polarization splitter 26. Thus, the light injected into the fiber 20 can thus be maximized.
De manière alternative, le séparateur 26 peut être tout autre système de séparation de faisceau, tel que par exemple un séparateur fibré. Dans ce cas, le système de lentilles utilisé pour l'injection du faisceau laser dans la fibre est différent du système optique permettant d'acheminer la lumière diffuse sur le photodétecteur 44. Alternatively, the separator 26 may be any other beam separation system, such as for example a fiber separator. In this case, the system of lenses used for the injection of the laser beam into the fiber is different from the optical system for conveying the diffuse light on the photodetector 44.
Le dispositif 8 comprend également un isolateur optique 30 placé entre la source 14 et le séparateur 26. Cet isolateur optique 30 sert à bloquer la lumière diffuse pour éviter toute réinjection de lumière dans la source 14. De telles réinjections peuvent, en effet, perturber le fonctionnement de la source 14.  The device 8 also comprises an optical isolator 30 placed between the source 14 and the separator 26. This optical isolator 30 serves to block the diffused light to avoid any reinjection of light into the source 14. Such reinjections can, in fact, disturb the operation of the source 14.
Le faisceau obtenu après diffusion dans l'échantillon 10 est envoyé à des moyens 42 de détection et d'analyse. The beam obtained after diffusion in the sample 10 is sent to means 42 for detection and analysis.
Ces moyens 42 comportent un photodétecteur 44. L'ouverture numérique du système de détection dans le cas de la figure 1 n'est pas fixée par le photodétecteur 44 mais par la lentille 22. Celle-ci a, en effet, pour rôle d'augmenter l'ouverture numérique du système de détection.  These means 42 comprise a photodetector 44. The numerical aperture of the detection system in the case of FIG. 1 is not fixed by the photodetector 44 but by the lens 22. This lens has, in effect, the role of increase the numerical aperture of the detection system.
Le photodétecteur 44 est relié à une unité de traitement d'informations 46 dont les moyens principaux sont décrits en regard de la figure 2.  The photodetector 44 is connected to an information processing unit 46 whose principal means are described with reference to FIG.
Avantageusement, les caractéristiques des éléments optiques placés en aval de l'échantillon 10, sont choisies de façon à ce que la surface de cohérence du faisceau diffusé au niveau du photodétecteur 44 soit du même ordre de grandeur que la surface active de ce photodétecteur 44.  Advantageously, the characteristics of the optical elements placed downstream of the sample 10, are chosen so that the coherence surface of the scattered beam at the photodetector 44 is of the same order of magnitude as the active surface of this photodetector 44.
Dans le mode de réalisation décrit, l'unité de traitement d'informations 46 est formée d'un ensemble de circuits électroniques analogiques propres à assurer les fonctions décrites en regard de la figure 2.  In the embodiment described, the information processing unit 46 is formed of a set of analog electronic circuits adapted to perform the functions described with reference to FIG. 2.
En entrée, l'unité 46 comporte un filtre passe-haut 50 pour filtrer le signal recueilli par le photodétecteur 44. La fréquence de coupure du filtre 50 est de l'ordre de une à dix fois la fréquence f de modulation de la lumière émise par la source 14. Dans le cas présent, la fréquence de coupure est de l'ordre de 100 kiloHertz.  As input, the unit 46 comprises a high-pass filter 50 for filtering the signal collected by the photodetector 44. The cutoff frequency of the filter 50 is of the order of one to ten times the frequency f of modulation of the light emitted by the source 14. In this case, the cutoff frequency is of the order of 100 kiloHertz.
Le filtre passe-haut 50 a pour objectif principal de supprimer la composante continue du signal. Il assure également l'élimination des parasites de basse fréquence ainsi que les éventuels effets parasites liés à la modulation en longueur d'onde de source 14. Le signal utile obtenu en sortie du filtre 50 a une fréquence beaucoup plus élevée que la fréquence de modulation.  The main purpose of the high-pass filter 50 is to suppress the DC component of the signal. It also ensures the elimination of low frequency noise and the possible spurious effects related to source wavelength modulation 14. The useful signal obtained at the output of the filter 50 has a frequency much higher than the modulation frequency .
Le signal obtenu en sortie du filtre est avantageusement amplifié par un amplificateur 51 facultatif.  The signal obtained at the output of the filter is advantageously amplified by an optional amplifier 51.
Bien que le filtre 50 soit avantageusement mis en œuvre, le filtre 50 peut être omis. Un étage de multiplication 52 reçoit le signal recueilli par le photodétecteur 44, le cas échéant filtré et amplifié. I l assure la multiplication du signal filtré par un signal de référence noté Ref(t,xo). Le signal Ref(t,xo) est issu d'une unité 54 de production de signal. L'unité 54 est, par exemple, un générateur programmable de signaux ou un circuit électronique analogique constitué d'un ensemble d'oscillateurs dont les paramètres caractéristiques sont ajustables. Although the filter 50 is advantageously implemented, the filter 50 may be omitted. A multiplication stage 52 receives the signal collected by the photodetector 44, if necessary filtered and amplified. I l ensures the multiplication of the filtered signal by a reference signal denoted Ref (t, xo). The signal Ref (t, xo) comes from a signal generation unit 54. The unit 54 is, for example, a programmable signal generator or an analog electronic circuit consisting of a set of oscillators whose characteristic parameters are adjustable.
La sortie de l'étage de multiplication 52 est reliée à un étage 56 d'extraction de la composante continue du signal, c'est-à-dire de calcul de sa valeur moyenne.  The output of the multiplication stage 52 is connected to a stage 56 for extracting the DC component of the signal, that is to say for calculating its average value.
Le signal Ref(t,io) est tel que la composante continue du produit du signal de référence Ref(t,xo) et du signal mesuré par le photodétecteur 44 correspond à un signal démodulé de celui-ci. La combinaison du signal délivré par le détecteur et du signal de référence Ref(t,xo) agit comme une porte temporelle centrée sur le retard τ0. The signal Ref (t, io) is such that the DC component of the product of the reference signal Ref (t, xo) and of the signal measured by the photodetector 44 corresponds to a demodulated signal of the latter. The combination of the signal delivered by the detector and the reference signal Ref (t, xo) acts as a time gate centered on the delay τ 0 .
Le signal Ref(t,io) s'exprime par exemple sous la forme : The signal Ref (t, io) is expressed for example in the form:
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000010_0001
Ref(t, r0 ) = δλ0τ0∞$(2 )+ φ Λ dans laquelle on a : Ref (t, r 0 ) = δλ 0 τ 0 ∞ $ (2) + φ Λ in which we have:
- une modulation spectrale de la lumière émise par la source s'exprimant sous la forme δλ{ί) = δλ0 cos(2;z t) ; a spectral modulation of the light emitted by the source expressing the form δλ {ί) = δλ 0 cos (2; zt);
- l'amplitude A du signal Ref(t,io)  the amplitude A of the signal Ref (t, io)
- n, un entier supérieur à un ;  n, an integer greater than one;
- φ, un déphasage du signal Ref(t,xo).  - φ, a phase shift of the signal Ref (t, xo).
Plusieurs valeurs de A, n et φ sont possibles. Par exemple, les valeurs suivantes conviennent : A = 1 , n = 4 et (p = 0.  Several values of A, n and φ are possible. For example, the following values are suitable: A = 1, n = 4 and (p = 0.
Suivant une variante de réalisation, le signal Ref(t,io) est produit en utilisant un interféromètre optique ayant un retard entre les deux bras, en filtrant la composante continue du signal détecté en sortie de l'interféromètre et en multipliant le résultat par une autre fonction générée par une unité électronique analogique, cette fonction s'annulant aux extrema de la modulation 5A(t). Cette autre fonction sera par exemple la fonction sinn(2TTft). According to an alternative embodiment, the signal Ref (t, io) is produced by using an optical interferometer having a delay between the two arms, by filtering the DC component of the signal detected at the output of the interferometer and multiplying the result by a another function generated by an analog electronic unit, this function being canceled at the extremes of the modulation 5A (t). This other function will be for example the function sin n (2TTft).
L'extraction par l'étage 56 de la composante continue du produit calculé par l'étage 52 est obtenue par exemple par mise en œuvre d'un filtre passe-bas. Dans ce cas, le signal extrait est un signal continu dont l'évolution est une évolution lente liée aux mouvements de l'échantillon 10.  The extraction by the stage 56 of the DC component of the product calculated by the stage 52 is obtained for example by implementation of a low-pass filter. In this case, the extracted signal is a continuous signal whose evolution is a slow evolution linked to the movements of the sample 10.
En variante, l'extraction de la composante continue est assurée par un dispositif intégrateur qui intègre le signal obtenu en sortie de l'étage 52 pendant exactement une demi-période T/2. Dans ce cas, le signal issu de l'étage 56 est échantillonné après chaque intégration de ce type. As a variant, the extraction of the DC component is provided by an integrating device which integrates the signal obtained at the output of stage 52 for exactly one half-period T / 2. In this case, the signal from the stage 56 is sampled after each integration of this type.
L'unité de traitement d'informations comporte en outre un étage 58 d'application d'une fonction non linéaire sur la composante continue du signal obtenu à l'issue de l'étage 56. Cette fonction est, par exemple, une élévation au carré, ou à toute autre puissance paire, ou encore l'application de la fonction valeur absolue.  The information processing unit further comprises a stage 58 for applying a non-linear function to the DC component of the signal obtained at the end of stage 56. This function is, for example, an elevation at square, or any other even power, or the application of the absolute value function.
L'application d'une telle fonction conduit à considérer la seule amplitude des signaux, indépendamment de leur signe et de permettre que leur moyenne ne soit pas nulle.  The application of such a function leads to considering the only amplitude of the signals, independently of their sign and to allow that their average is not null.
Le résultat de l'application de la porte temporelle mise en oeuvre lors de la multiplication effectuée par les étages 52 à 58 est illustré sur la figure 3. Le signal représenté sur la figure 3 est la composante continue obtenue en sortie de l'étage 58 après application d'une fonction non-linéaire, en fonction de la valeur du retard τ0 prédéterminé. Ce signal correspond uniquement à la lumière diffuse provenant de l'échantillon 10 The result of the application of the temporal gate implemented during the multiplication performed by stages 52 to 58 is illustrated in FIG. 3. The signal represented in FIG. 3 is the DC component obtained at the output of stage 58. after applying a non-linear function, as a function of the value of the predetermined delay τ 0 . This signal corresponds only to the diffuse light from the sample 10
L'étage suivant noté 60 de l'unité 46 est adapté pour établir la moyenne des signaux obtenus en sortie de l'étage 58 pendant une durée déterminée. La moyenne calculée par t'étage 60 est déterminée sur une durée de l'ordre de la seconde. A cet effet, l'étage 60 comporte par exemple un filtre passe-bas.  The next stage noted 60 of the unit 46 is adapted to average the signals obtained at the output of the stage 58 for a predetermined period. The average calculated by stage 60 is determined over a period of the order of one second. For this purpose, the stage 60 comprises for example a low-pass filter.
En variante, le calcul de la moyenne est remplacé par une simple sommation des signaux échantillonnés provenant de l'étage 58 ou tout autre forme de combinaison linéaire effectuée sur ces signaux.  Alternatively, the calculation of the average is replaced by a simple summation of the sampled signals from the stage 58 or any other form of linear combination performed on these signals.
Le signal obtenu à l'issue de l'étage 60 pour une valeur donnée du retard prédéterminé τ0 est une mesure de la fonction d'intercorrélation de l'intensité diffuse résolue en temps, pour un temps de transit τ0 fixé et déterminé par la fonction de référence. Dans le cadre de l'invention, la lumière diffuse est collectée à proximité du point d'illumination P1 et correspond essentiellement à des trajectoires courtes, et cette propriété peut être avantageusement accentuée par la sonde diffusante 24. Dans ce cas, la fonction d'intercorrélation de l'intensité diffuse résolue en temps peut être identifiée à l'intensité diffuse résolue en temps, permettant ainsi la mesure résolue en temps de la lumière diffuse. The signal obtained at the end of the stage 60 for a given value of the predetermined delay τ 0 is a measure of the time-resolved diffuse intensity cross-correlation function, for a transit time τ 0 fixed and determined by the reference function. In the context of the invention, the diffuse light is collected near the illumination point P1 and corresponds essentially to short paths, and this property can be advantageously accentuated by the scattering probe 24. In this case, the function of Cross-correlation of the time-resolved diffuse intensity can be identified at the time-resolved diffuse intensity, thus allowing time-resolved measurement of diffuse light.
Suivant un mode particulier de réalisation, le dispositif 8 comporte plusieurs unités de traitement d'informations 46, chacune associée à une valeur de retard τ0 permettant ainsi d'obtenir des mesures de l'énergie diffuse pour des retards τ0 différents. L'unité de traitement d'informations 46, décrite précédemment, est constituée d'un dispositif électronique analogique. Toutefois, en variante, cette unité de traitement d'informations 46 comporte un filtre passe-haut 50 analogique en sortie duquel est prévu un convertisseur analogique/numérique. L'ensemble des traitements effectués par les étages 52 à 60 est ensuite réalisé de manière complètement numérique par mise en œuvre d'un algorithme adapté dans un calculateur. Dans ce cas, le nombre différent de valeurs τ0 pour lesquelles le calcul est effectué peut être très grand. According to a particular embodiment, the device 8 comprises several information processing units 46, each associated with a delay value τ 0 thus making it possible to obtain measurements of the diffuse energy for different delays τ 0 . The information processing unit 46, described above, consists of an analog electronic device. However, in a variant, this information processing unit 46 comprises an analog high-pass filter 50 at the output of which an analog / digital converter is provided. The set of treatments performed by stages 52 to 60 is then performed completely digitally by implementing an algorithm adapted in a computer. In this case, the different number of values τ 0 for which the calculation is performed can be very large.
Pendant la mesure, le signal obtenu en sortie de l'étage 58 fluctue sur la même échelle de temps que le signal obtenu en sortie de l'étage 56. Ces fluctuations sont dues aux mouvements dans le milieu diffusant lui-même lorsque ce milieu est un milieu biologique. Ces mouvements induisent des fluctuations sur des échelles de temps de l'ordre de la milliseconde.  During the measurement, the signal obtained at the output of the stage 58 fluctuates on the same time scale as the signal obtained at the output of the stage 56. These fluctuations are due to the movements in the scattering medium itself when this medium is a biological environment. These movements induce fluctuations on timescales of the order of a millisecond.
Or, ces fluctuations sont souhaitables pour permettre que la valeur moyenne obtenue en sortie de l'étage 60 soit aussi précise que possible. En effet, ces fluctuations permettent la mesure de valeurs différentes pour en faire la moyenne. Cette moyenne sera d'autant plus proche de sa valeur théorique, qui est l'intensité diffuse résolue en temps, que les fluctuations permettent d'obtenir un grand nombre de valeurs différentes.  However, these fluctuations are desirable to allow the average value obtained at the output of the stage 60 to be as accurate as possible. Indeed, these fluctuations allow the measurement of different values to make the average. This average will be all the closer to its theoretical value, which is the diffuse intensity resolved in time, as the fluctuations make it possible to obtain a large number of different values.
Le dispositif 8 qui vient d'être décrit est adapté à la mise en œuvre d'un procédé d'analyse de l'échantillon 10 diffusant par mesure résolue en temps de la lumière diffusée dans cet échantillon 10. The device 8 which has just been described is suitable for the implementation of a method for analyzing the scattering sample 10 by time-resolved measurement of the light scattered in this sample 10.
Ce procédé comporte une étape d'illumination de l'échantillon 10 au point P1 avec un faisceau incident de lumière cohérente temporellement et modulée en longueur d'onde selon une fonction ayant pour période la période de modulation T.  This method comprises a step of illuminating the sample 10 at the point P1 with an incident beam of temporally coherent light and wavelength-modulated according to a function having for period the period of modulation T.
Le procédé comprend également une étape de détection sur le photodétecteur 44 pendant un premier intervalle de temps de l'évolution temporelle de l'intensité de la lumière diffusée par l'échantillon 10 au point P2.  The method also comprises a detection step on the photodetector 44 during a first time interval of the temporal evolution of the intensity of the light scattered by the sample 10 at the point P2.
Le procédé comporte aussi une étape de multiplication du signal détecté par le photodétecteur 44 par le signal de référence Ref(t,io).  The method also comprises a step of multiplying the signal detected by the photodetector 44 by the reference signal Ref (t, io).
Le procédé comprend aussi une étape d'extraction des composantes démodulées du signal détecté.  The method also comprises a step of extracting the demodulated components of the detected signal.
Le procédé comporte également l'application d'une fonction non-linéaire aux composantes démodulées extraites.  The method also includes applying a non-linear function to extracted demodulated components.
Sur la figure 5 est illustrée une variante du procédé d'analyse selon l'invention destinée à obtenir une mesure résolue en temps d'une quantité relative à la lumière diffuse dans l'échantillon à analyser. Cette variante se distingue du procédé décrit en regard des figures 1 à 4 uniquement par la structure de l'unité de traitement d'informations 46 au niveau de ses étages 56 et 58. FIG. 5 illustrates a variant of the analysis method according to the invention intended to obtain a time-resolved measurement of a quantity relative to the diffuse light in the sample to be analyzed. This variant differs from the process described in FIGS. 1 to 4 only by the structure of the information processing unit 46 at its stages 56 and 58.
La sortie de l'étage de multiplication 52 est reliée à un étage 56' d'extraction des composantes continues respectives des signaux obtenus en sortie de l'étage 52 pendant une durée déterminée, sensiblement égale à celle retenue pour la détermination de la moyenne calculée par l'étage 60 dans le procédé décrit en regard de la figure 2. Les composantes continues ainsi obtenues à l'étage 56' sont notées S,, où i désigne le ieme signal en sortie de l'étage 52 pendant la durée précitée. Les moyens mis en œuvre pour obtenir chaque composante continue S, sont analogues à ceux explicités précédemment. The output of the multiplication stage 52 is connected to a stage 56 'of extraction of the respective continuous components of the signals obtained at the output of the stage 52 for a determined duration, substantially equal to that used for the calculation of the calculated average by the stage 60 in the method described with reference to FIG. 2. The continuous components thus obtained at the stage 56 'are denoted S ,, where i designates the i th signal at the output of the stage 52 during the above-mentioned duration . The means implemented to obtain each continuous component S, are similar to those explained above.
La sortie de cet étage 56' est reliée à un étage 58' d'application d'une fonction g non linéaire à au moins deux variables prises parmi les composantes continues S, issues de l'étage 56'. Il est à noter que le terme « non linéaire » est considéré ici dans un sens large, c'est-à-dire, dans le cas de fonctions à plusieurs variables, seules sont exclues les fonctions linéaires par rapport à leurs variables prises ensembles sous forme vectorielle, comme la fonction « somme de deux vecteurs » par exemple.  The output of this stage 56 'is connected to a stage 58' for applying a non-linear function g to at least two variables taken among the continuous components S, coming from the stage 56 '. It should be noted that the term "nonlinear" is considered here in a broad sense, that is to say, in the case of multivariate functions, only linear functions are excluded from their variables taken together under vector form, such as the "sum of two vectors" function.
Cette fonction non linéaire est, par exemple, une fonction produit appliquée à deux valeurs S, distinctes. Ainsi, on peut considérer la fonction g (S,, Si+a) = S, x Si+a, où a est un entier positif non nul et le signe « x » correspond au produit mathématique. Une telle fonction est adaptée pour étudier l'évolution de la valeur Si+a par rapport à la valeur S,. En effet, comme il a été expliqué précédemment, un milieu biologique est le siège de nombreux mouvements et, malgré les précautions d'usage consistant notamment à choisir une fréquence de modulation de la source laser 14 suffisamment élevée pour considérer l'échantillon diffusant 10 comme immobile pendant la période de modulation, le signal Si+i enregistré à la suite d'un signal S, est légèrement différent de ce signal S,. Le signai Si+2 l'est davantage. Plus généralement, on note une décorrélation des signaux Si+a et S, pour a > 1. L'évolution de cette décorrélation en fonction de a et de τ0 est à même de fournir des données utiles sur la nature et l'intensité des mouvements dans l'échantillon 10. This nonlinear function is, for example, a product function applied to two distinct S values. Thus, we can consider the function g (S ,, S i + a ) = S, x S i + a , where a is a nonzero positive integer and the sign "x" corresponds to the mathematical product. Such a function is adapted to study the evolution of the value S i + a with respect to the value S i . Indeed, as explained above, a biological medium is the seat of many movements and, despite the precautions of use including choosing a modulation frequency of the laser source 14 sufficiently high to consider the scattering sample 10 as stationary during the modulation period, the signal S i + i recorded following a signal S, is slightly different from this signal S ,. The signal S i + 2 is more so. More generally, we note a decorrelation of the signals S i + a and S, for a> 1. The evolution of this decorrelation as a function of a and of τ 0 is able to provide useful data on the nature and the intensity movements in the sample 10.
A cet effet, la sortie de t'étage 58' est reliée à l'étage 60 de moyenne des signaux obtenus en sortie de l'étage 58', laquelle moyenne est fonction, d'une part, du retard τ0 comme précédemment, et d'autre part de la valeur de l'entier a. Un moyen d'étudier la décorrélation des signaux S, entre eux consiste à suivre l'évolution de cette moyenne issue de l'étage 60, pour a croissant et τ0 fixé par exemple. For this purpose, the stage output 58 'is connected to the average stage 60 of the signals obtained at the output of the stage 58', which average is a function, on the one hand, of the delay τ 0 as previously, and on the other hand the value of the integer a. One way to study the decorrelation of the signals S, between them is to follow the evolution of this average from the stage 60, for a crescent and fixed τ 0 for example.
Selon une variante, l'unité de traitement 46 est adapté à mettre en œuvre un autre procédé d'analyse comportant une estimation de la corrélation du signal détecté par la photodétecteur 44. Dans ce cas, l'unité de traitement 46 est le circuit 102 représenté à la figure 6. Les différents éléments de ce circuit 102 sont plus spécifiquement décrits dans les figures 7 à 15. Ce circuit 102 est donné à titre d'exemple uniquement, sachant que ce circuit 102 correspond au circuit électronique analogique de traitement d'un signal lumineux décrit dans la demande FR-A-2 958 430. Ainsi, le circuit 102 peut être selon l'un quelconque des différents modes de réalisation décrits dans cette demande pour ce circuit 102. According to one variant, the processing unit 46 is adapted to implement another analysis method comprising an estimation of the correlation of the signal detected by the photodetector 44. In this case, the processing unit 46 is the circuit 102 shown in FIG. 6. The various elements of this circuit 102 are more specifically described in FIGS. 7 to 15. This circuit 102 is given by way of example only, knowing that this circuit 102 corresponds to the analog electronic processing circuit of a light signal described in the application FR-A-2 958 430. Thus, the circuit 102 may be according to any one of the various embodiments described in this application for this circuit 102.
Le circuit 102 comprend un photodétecteur 106 adapté pour produire un signal électrique 108 à partir du signal lumineux 104.  The circuit 102 comprises a photodetector 106 adapted to produce an electrical signal 108 from the light signal 104.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le circuit 102 comporte un amplificateur 1 10 pour amplifier le signal électrique 108. Le circuit 102 comprend en outre un multiplieur 1 12 adapté pour multiplier le signal électrique 108, éventuellement amplifié par l'amplificateur 1 10, par un signal de référence f(t) 1 14 de signe constant pour obtenir un signal multiplié 1 16.  According to a particular embodiment of the invention, the circuit 102 comprises an amplifier 1 10 for amplifying the electrical signal 108. The circuit 102 further comprises a multiplier 1 12 adapted to multiply the electrical signal 108, possibly amplified by the amplifier 1 10, by a reference signal f (t) 1 14 of constant sign to obtain a multiplied signal 1 16.
Le multiplieur 1 12 est raccordé à un intégrateur 1 18 adapté pour intégrer le signal multiplié 1 16 sur au moins un intervalle de temps pour obtenir au moins un signal intégré.  The multiplier 1 12 is connected to an integrator 1 18 adapted to integrate the multiplied signal 1 16 over at least one time interval to obtain at least one integrated signal.
Sur la figure 6, deux signaux intégrés 120 et 122 sont représentés en sortie de l'intégrateur 1 18. Le signal 120 est une tension de référence obtenue par un choix particulier de l'intervalle de temps d'intégration et du signal de référence 1 14.  In FIG. 6, two integrated signals 120 and 122 are represented at the output of the integrator 18. The signal 120 is a reference voltage obtained by a particular choice of the integration time interval and the reference signal 1. 14.
Le signal 122 est stocké dans une mémoire 124 comprenant une pluralité de registres de données Reg_1 126, Reg_2 128, Reg_N 130 et un registre de référence RegRef 132 adapté pour mémoriser la tension de référence 120. A titre d'exemple, le signal intégré 122 est stocké dans le registre de données Reg_2 128.  The signal 122 is stored in a memory 124 comprising a plurality of data registers Reg_1 126, Reg_2 128, Reg_N 130 and a reference register RegRef 132 adapted to store the reference voltage 120. By way of example, the integrated signal 122 is stored in the Reg_2 data register 128.
La mémoire analogique 124 permet un accès aléatoire en écriture et deux accès aléatoires en lecture de façon à pouvoir lire simultanément les contenus de deux registres de données différents ou identiques.  The analog memory 124 allows random write access and two random read accesses so that the contents of two different or identical data registers can be read simultaneously.
Un multiplieur à entrée différentielle 134 est adapté pour multiplier les contenus de deux registres différents ou identiques de la mémoire 124, par exemple les contenus des registres 128 et 130.  A differential input multiplier 134 is adapted to multiply the contents of two different or identical registers of the memory 124, for example the contents of the registers 128 and 130.
Le résultat 136 de la multiplication effectuée par le multiplieur à entrée différentielle 134 représente la corrélation temporelle des mesures enregistrées sur deux intervalles de temps d'intégration différents ou identiques ce qui permet d'estimer la corrélation temporelle du signal lumineux 104. Le contenu du registre de référence RegRef 132 détermine la valeur de référence de l'entrée différentielle du multiplieur à entrée différentielle 134, le résultat de la multiplication étant dans ce cas : Résultat = Co + K (Reg_i - RegRef) x (ReJ - RegRef), Co et K étant deux constantes dépendant de la structure du multiplieur à entrée différentielle 134 et Co pouvant être nulle. The result 136 of the multiplication performed by the differential input multiplier 134 represents the temporal correlation of the measurements recorded on two different or identical integration time intervals, which makes it possible to estimate the temporal correlation of the light signal 104. The contents of the register reference reference RegRef 132 determines the reference value of the differential input of the differential input multiplier 134, the result of the multiplication being in this case: Result = Co + K (Reg_i - RegRef) x (ReJ - RegRef), Co and K being two constants depending on the structure of the differential input multiplier 134 and Co being zero.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le photodétecteur 106 est une simple photodiode.  According to one embodiment of the invention, the photodetector 106 is a simple photodiode.
Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le photodétecteur 106 comprend une photodiode associée à un filtre passe-haut permettant de filtrer les composantes basses fréquences du signal détecté, notamment la composante continue, pour ne transmettre que les composantes hautes fréquences qui contiennent l'information pertinente et permettre ainsi une plus grande dynamique.  According to another preferred embodiment of the invention, the photodetector 106 comprises a photodiode associated with a high-pass filter making it possible to filter the low frequency components of the detected signal, in particular the DC component, in order to transmit only the high frequency components which contain the relevant information and thus allow greater momentum.
La figure 7 présente un exemple de réalisation d'un tel filtre passe-haut associé à une photodiode 140. Ce filtre passe-haut comprend une source de courant commandée en tension 142 qui sert à compenser les basses fréquences du photo-courant généré par la photodiode 140.  FIG. 7 shows an exemplary embodiment of such a high-pass filter associated with a photodiode 140. This high-pass filter comprises a voltage-controlled current source 142 which serves to compensate for the low frequencies of the photo-current generated by the photodiode 140.
Le filtre passe-haut comprend en outre, de manière optionnelle, un amplificateur inverseur de tension 144 de bande passante ajustable, dont l'entrée est raccordée au noeud N commun à la photodiode 140 et à la source de courant commandée en tension 142.  The high-pass filter further comprises, optionally, an adjustable bandwidth voltage inverter amplifier 144, the input of which is connected to the node N common to the photodiode 140 and the voltage-controlled current source 142.
Le filtre passe-haut comprend également un condensateur 146 inséré entre le noeud N et la sortie vers le multiplieur 1 12.  The high-pass filter also comprises a capacitor 146 inserted between the node N and the output to the multiplier 1 12.
Le filtrage passe-haut est essentiellement réalisé par le condensateur 146, la bande passante de ce filtre étant approximativement égale à G/(2nRdC), G étant le gain en valeur absolue de l'amplificateur 144, Rd la transimpédance dynamique de la source de courant commandée en tension 142 et C la capacité du condensateur 146. The high-pass filtering is essentially performed by the capacitor 146, the passband of this filter being approximately equal to G / (2nR d C), G being the gain in absolute value of the amplifier 144, R d the dynamic transimpedance of the voltage-controlled current source 142 and C the capacitance of the capacitor 146.
Le condensateur 146 permet également d'isoler le point de fonctionnement de l'amplificateur 144, qui est aussi la tension de polarisation de la photodiode 140, du point de fonctionnement du multiplieur 1 12. Grâce à ce montage, il est par ailleurs possible de diminuer la fréquence de coupure du filtre passe-haut, en diminuant la bande passante de l'amplificateur 144 qui est ajustable.  The capacitor 146 also makes it possible to isolate the operating point of the amplifier 144, which is also the bias voltage of the photodiode 140, from the operating point of the multiplier 12. Thanks to this arrangement, it is also possible to reduce the cutoff frequency of the high-pass filter, by decreasing the bandwidth of the amplifier 144 which is adjustable.
II pourra être avantageux de choisir la capacité C du condensateur 46 plus grande que la capacité d'entrée du multiplieur 1 12, afin de ne pas diminuer le signal utile de manière excessive.  It may be advantageous to choose the capacitance C of the capacitor 46 greater than the input capacitance of the multiplier 1 12, in order not to reduce the useful signal excessively.
La figure 8 présente un exemple de réalisation du photodétecteur 106 comprenant la varicap 148 (constituée par la photodiode 140 et le condensateur 146) et un transistor 150 (de type NMOS par exemple) constituant la source de courant commandée en tension 142. Le transistor 150 fonctionne en mode saturé, et se comporte comme une source de courant commandée par le potentiel du noeud N. Dans ce montage, la fréquence de coupure du filtre passe-haut ne dépend que du courant de polarisation de la photodiode 140, c'est à dire du flux lumineux incident, et ne peut pas être ajustée par un autre moyen. De plus, cette fréquence de coupure n'est pas très élevée. FIG. 8 shows an exemplary embodiment of the photodetector 106 comprising the varicap 148 (constituted by the photodiode 140 and the capacitor 146) and a transistor 150 (of the NMOS type for example) constituting the voltage-controlled current source 142. The transistor 150 operates in saturated mode, and behaves as a current source controlled by the potential of the node N. In this arrangement, the cutoff frequency of the high-pass filter depends only on the bias current of the photodiode 140, FIG. that is, incident light flux, and can not be adjusted by any other means. In addition, this cutoff frequency is not very high.
La figure 9 illustre un exemple de réalisation de l'amplificateur 1 10.  FIG. 9 illustrates an exemplary embodiment of the amplifier 1 10.
L'amplificateur 1 10 comprend un transistor M2.1 162, placé entre la sortie et l'entrée d'un amplificateur inverseur 164, contrôlé par une tension VCOMa. Le transistor 162 permet de convertir un courant entrant 11 en une tension, qui sera ensuite reconvertie en un courant 1 12 par un transistor M2.2 166 placé à la sortie de l'amplificateur. Une capacité 168 est également avantageusement placée en série avec le transistor M2.2 166, de façon à réaliser une fonction de filtrage passe-haut supplémentaire, et d'isoler le point de fonctionnement de l'amplificateur inverseur 164 du reste du circuit. L'amplificateur inverseur 164 est par exemple constitué de deux transistors.  The amplifier 1 10 comprises a transistor M2.1 162, placed between the output and the input of an inverting amplifier 164, controlled by a voltage VCOMa. Transistor 162 converts an incoming current 11 into a voltage, which will then be reconverted to a current 112 by a transistor M2.2 166 placed at the output of the amplifier. A capacitor 168 is also advantageously placed in series with the transistor M2.2 166, so as to perform an additional high-pass filtering function, and to isolate the operating point of the inverting amplifier 164 from the rest of the circuit. The inverting amplifier 164 consists for example of two transistors.
La figure 10 illustre la structure du multiplieur 1 12 et de l'intégrateur 1 18. Cet étage de démodulation constitué du multiplieur 1 12 et de l'intégrateur 1 18 comprend deux dispositifs résistifs identiques 180 et 182 dont les conductances sont commandées en tension, un premier amplificateur inverseur de tension 184, un deuxième amplificateur inverseur de tension 186 dont le point de fonctionnement en entrée est approximativement identique à celui de l'amplificateur 184. Ces deux amplificateurs inverseurs 184 et 186 sont constitués, à titre d'exemple, de deux transistors chacun.  FIG. 10 illustrates the structure of the multiplier 1 12 and the integrator 1 18. This demodulation stage constituted by the multiplier 1 12 and the integrator 1 18 comprises two identical resistive devices 180 and 182 whose conductances are voltage-controlled, a first voltage inverting amplifier 184, a second voltage inverting amplifier 186 whose input operating point is approximately identical to that of the amplifier 184. These two inverting amplifiers 184 and 186 consist, by way of example, of two transistors each.
Pour assurer que les points de fonctionnement en entrée des deux amplificateurs 184 et 186 sont identiques, il est possible d'utiliser deux structures identiques polarisées de la même façon.  To ensure that the operating points at the input of the two amplifiers 184 and 186 are identical, it is possible to use two identical structures polarized in the same way.
L'entrée de l'amplificateur 184 est connectée au nœud N1 commun à la sortie du photodétecteur 106 et à l'une des bornes du dispositif résistif 180. L'entrée de l'amplificateur 184 est connectée au nœud commun à la sortie de l'amplificateur 1 10 et à l'une des bornes du dispositif résistif 180.  The input of the amplifier 184 is connected to the node N1 common to the output of the photodetector 106 and to one of the terminals of the resistive device 180. The input of the amplifier 184 is connected to the common node at the output of the amplifier. amplifier 1 and at one of the terminals of the resistive device 180.
La sortie de l'amplificateur 184 est connectée à l'autre borne du dispositif résistif 180 et au dispositif résistif 182, l'autre borne du dispositif résistif 182 étant connectée à l'entrée de l'amplificateur 186. La tension (ou les tensions) de commande VCOM1 du dispositif résistif 180 est fixée, fixant ainsi la valeur de la conductance de ce dispositif résistif 180. La tension de sortie de l'amplificateur 184 s'ajuste automatiquement par la rétroaction de façon à ce que le courant qui traverse le dispositif résistif 180 compense les composantes haute fréquence du photocourant en provenance du photodétecteur 106. Par construction, le point de fonctionnement de l'amplificateur 184, c'est-à-dire la tension à son entrée, devra être approximativement identique à celui de l'amplificateur 186, c'est-à-dire à la tension à son entrée. Dans ce cas, si en ajustant la (ou les) tension(s) de commande VCOM2 du dispositif résistif 182 de façon à ce que sa conductance soit le produit de celle du dispositif résistif 180 par un nombre f, alors le courant traversant le dispositif résistif 182 sera approximativement égal au produit du courant traversant le dispositif résistif 180 par f. La seule contrainte est que le nombre f est positif. The output of the amplifier 184 is connected to the other terminal of the resistive device 180 and to the resistive device 182, the other terminal of the resistive device 182 being connected to the input of the amplifier 186. The voltage (or the voltages VCOM1) of the resistive device 180 is fixed, thereby setting the value of the conductance of this resistive device 180. The output voltage of the amplifier 184 is automatically adjusted by the feedback so that the current flowing through the resistive device 180 compensates the high frequency components of the photocurrent coming from the photodetector 106. By construction, the operating point of the amplifier 184, i.e. the voltage at its input, should be approximately the same as that of the amplifier 186, i.e. the voltage at its amplifier. Entrance. In this case, if by adjusting the control voltage (s) VCOM2 of the resistive device 182 so that its conductance is the product of that of the resistive device 180 by a number f, then the current flowing through the device resistive 182 will be approximately equal to the product of the current flowing through the resistive device 180 through f. The only constraint is that the number f is positive.
En faisant varier de façon adéquate la (ou les) tension(s) de commande VCOM2, il est ainsi possible d'accéder au produit du photocourant par une fonction arbitraire positive f(t). Le fait que la fonction f(t) soit positive n'est pas une limitation ; il suffit de choisir :  By appropriately varying the VCOM2 control voltage (s), it is thus possible to access the product of the photocurrent by an arbitrary positive function f (t). The fact that the function f (t) is positive is not a limitation; just choose:
f (t) = Ref (t) + f0(t) f (t) = Ref (t) + f 0 (t)
f0(t) étant une fonction positive permettant de garantir la positivité de f(t). Il convient de choisir f0(t) de telle sorte qu'elle ne contienne que des basses fréquences, et que la contribution du produit de f0(t) par les composantes haute fréquence du photocourant soit négligeable après l'intégrateur 1 18 agissant comme un filtre pour les hautes fréquences. f 0 (t) being a positive function to guarantee the positivity of f (t). It is advisable to choose f 0 (t) in such a way that it contains only low frequencies, and that the contribution of the product of f 0 (t) by the high frequency components of the photocurrent is negligible after the integrator 1 18 acting as a filter for high frequencies.
L'intégrateur 1 18 est une structure classique, constituée de l'amplificateur 186 et d'une capacité 188 placée entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur 186. Le courant traversant la résistance 182 est simplement intégré dans la capacité 188. Un transistor 190, également placé entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur 186, permet la remise à zéro de l'intégrateur 1 18. La sortie de l'intégrateur 1 18, qui est aussi la sortie de l'amplificateur 186, est reliée à la mémoire 124 de la figure 6.  The integrator 1 18 is a conventional structure, consisting of the amplifier 186 and a capacitor 188 placed between the input and the output of the amplifier 186. The current flowing through the resistor 182 is simply integrated in the capacitor 188. A transistor 190, also placed between the input and the output of the amplifier 186, allows the resetting of the integrator 1 18. The output of the integrator 1 18, which is also the output of the amplifier 186 , is connected to the memory 124 of FIG.
Ainsi qu'illustré par la figure 1 1 , chacune des résistances 180, 182 peut consister soit en un transistor NMOS 192 commandé par une tension VCOM_N.  As illustrated by FIG. 11, each of the resistors 180, 182 may consist of either an NMOS transistor 192 controlled by a voltage VCOM_N.
La figure 12 présente un moyen pour générer le signal VCOM_N de commande du transistor NMOS 192 de la figure 1 1. Ce circuit de mise en œuvre est constitué d'un transistor 196 identique au transistor NMOS 192 constituant le dispositif résistif 182 ou éventuellement beaucoup plus large (un transistor n fois plus large correspondant à une juxtaposition de n transistors identiques) et d'un amplificateur opérationnel 198 ainsi qu'une résistance 200.  FIG. 12 presents a means for generating the control signal VCOM_N of the NMOS transistor 192 of FIG. 1 1. This implementation circuit consists of a transistor 196 identical to the NMOS transistor 192 constituting the resistive device 182 or possibly much more broad (a transistor n times wider corresponding to a juxtaposition of n identical transistors) and an operational amplifier 198 and a resistor 200.
La borne non-inverseuse de l'amplificateur opérationnel 198 est fixée à un potentiel VON. Le drain du transistor NMOS 196 est relié à un potentiel fixe VN, tandis que sa source est reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 198 et à l'une des bornes de la résistance 200. L'autre borne de la résistance 200 est reliée à une source de tension programmable 202. La sortie de l'amplificateur opérationnel 198 est reliée à la grille du transistor NMOS 196, et définit le potentiel VCOM_N. Le signal VCOM_N ainsi défini fixe la résistance du transistor NMOS 196 de façon à ce que, sous la différence de potentiel fixe VN-VON, le courant traversant cette dernière soit identique au courant traversant la résistance 200, qui est lui-même déterminé par la source de tension programmable 202. Si la tension VON est identique au point de fonctionnement en entrée de l'amplificateur 186, alors le transistor NMOS 192 constituant le dispositif résistif 182 aura la même résistance (ou une résistance multipliée par un facteur n si le transistor de la figure 12 est n fois plus large que celui qui constitue le dispositif résistif 182). Sinon, en régime de faible inversion, une erreur d'offset correspond à un simple facteur multiplicatif. Enfin, en régime de faible inversion, le transistor NMOS 196 ne doit pas nécessairement fonctionner en régime linéaire, et il est possible de prendre VN égale à +avdd. The non-inverting terminal of the operational amplifier 198 is attached to a VON potential. The drain of the NMOS transistor 196 is connected to a fixed potential VN, while its source is connected to the inverting input of the operational amplifier 198 and to one of the terminals of the resistor 200. The other terminal of the resistor 200 is connected to a programmable voltage source 202. The output of the operational amplifier 198 is connected to the gate of the NMOS transistor 196, and defines the potential VCOM_N. The signal VCOM_N thus defined sets the resistance of the NMOS transistor 196 so that, under the fixed potential difference VN-VON, the current flowing through the latter is identical to the current flowing through the resistor 200, which is itself determined by the programmable voltage source 202. If the voltage VON is identical to the operating point at the input of the amplifier 186, then the NMOS transistor 192 constituting the resistive device 182 will have the same resistance (or a resistance multiplied by a factor n if the transistor of Figure 12 is n times wider than that which constitutes the resistive device 182). Otherwise, in low inversion mode, an offset error corresponds to a simple multiplicative factor. Finally, in low inversion mode, the NMOS transistor 196 does not necessarily have to operate in linear mode, and it is possible to take VN equal to + avdd.
La figure 13 illustre un mode de réalisation du registre de référence 132 de la mémoire analogique 124. Ce registre de référence 132 est rafraîchi régulièrement en enregistrant, à titre d'exemple, un résultat de mesure prise avec un signal de référence 1 14 f(t)=f0(t) du niveau du multiplieur 1 12. FIG. 13 illustrates an embodiment of the reference register 132 of the analog memory 124. This reference register 132 is refreshed regularly by recording, by way of example, a measurement result taken with a reference signal 1 14 f ( t) = f 0 (t) of the level of the multiplier 1 12.
Selon le mode de réalisation de la figure 13, le registre de référence 132 comprend essentiellement un montage suiveur, constitué de transistors M3.1 et M3.2. Un transistor M3.3 est également prévu pour fonctionner en mode interrupteur. Selon le signal de commande WVREF, la tension à mémoriser peut ainsi être enregistrée sur la grille du transistor M3.1 lorsque M3.3 est fermé, puis mémorisée lorsque M3.3 est ouvert. La sortie VREF du suiveur est, à un offset près, une copie de la tension de grille mémorisée. Elle est directement connectée aux entrées différentielles du multiplieur à entrée différentielle 134.  According to the embodiment of FIG. 13, the reference register 132 essentially comprises a follower assembly consisting of transistors M3.1 and M3.2. An M3.3 transistor is also provided to operate in switch mode. According to the control signal WVREF, the voltage to be stored can thus be recorded on the gate of the transistor M3.1 when M3.3 is closed, then stored when M3.3 is open. The VREF output of the follower is, at an offset, a copy of the stored gate voltage. It is directly connected to the differential inputs of the differential input multiplier 134.
Les registres de données Reg_1 126, Reg_2 128..., Reg_N 130 ont un accès aléatoire en écriture, et un double accès aléatoire en lecture. Leur mise en œuvre, dont un exemple est montré sur la figure 14, est identique à celle du registre RegRef 132, à ceci près que l'opération d'enregistrement est contrôlée par un signal D1 (i) 210, et que la sortie est isolée des entrées Vx et Vy du multiplieur à entrée différentielle 134 par deux transistors M4.4 et M4.5, contrôlés par deux signaux D2(i) 212 et D3(i) 214. Il est ainsi possible, en utilisant D2(i) 212 et D3(i) 214, d'effectuer la multiplication de n'importe quelle paire de registres de la mémoire 124.  Data registers Reg_1 126, Reg_2 128 ..., Reg_N 130 have random write access, and a double read random access. Their implementation, an example of which is shown in FIG. 14, is identical to that of the RegRef register 132, except that the recording operation is controlled by a signal D1 (i) 210, and that the output is isolated from the inputs Vx and Vy of the differential input multiplier 134 by two transistors M4.4 and M4.5, controlled by two signals D2 (i) 212 and D3 (i) 214. It is thus possible, using D2 (i) 212 and D3 (i) 214, to perform the multiplication of any pair of registers of the memory 124.
Le multiplieur à entrée différentielle 134 est un multiplieur à quatre quadrants à entrée différentielle, comme décrit dans la référence [Gunhee Han and Edgar Sânchez- Sinencio, CMOS Transconductance Multipliers: A Tutorial, IEEE Trans. on cire, and syst., vol. 45 n [deg.] 12, p1550 (1998) ], mis en œuvre selon le circuit de la figure 15. Le fait d'utiliser une entrée différentielle et d'utiliser un registre RegRef 132 permet de s'affranchir de tous les problèmes d'offset, qui peuvent notamment être liés à un écart entre les polarisations des amplificateurs 184 et 186 ou à un transfert de charges lors de l'ouverture d'un transistor fonctionnant en mode interrupteur ou au fonctionnement du montage suiveur constituant les registres de la mémoire 124. The differential input multiplier 134 is a differential input four quadrant multiplier, as described in [Gunhee Han and Edgar Sanchez-Sinencio, CMOS Transconductance Multipliers: A Tutorial, IEEE Trans. we wax, and syst., vol. 45 n [deg.] 12, p1550 (1998)], implemented according to the circuit of FIG. 15. The fact of using a differential input and using a RegRef register 132 makes it possible to overcome all offset problems, which may notably be related to a difference between the polarizations of the amplifiers 184 and 186 or to a transfer of charges when opening a transistor operating in switch mode or the operation of the follower assembly constituting the registers of the memory 124.
Le point de fonctionnement du multiplieur à entrée différentielle 134 est fixé par un choix adéquat de celui de l'intégrateur 1 18, c'est-à-dire par un choix adéquat du point de fonctionnement en entrée de l'amplificateur 186 qui peut lui-même dépendre du choix des tensions d'alimentation de cet amplificateur. Il est à noter que dans l'exemple de mise en œuvre de la figure 15, la tension de référence est directement utilisée en entrée du multiplieur à entrée différentielle 134, ce qui n'est pas le cas dans le document [Gunhee Han and Edgar Sànchez-Sinencio].  The operating point of the differential input multiplier 134 is set by a suitable choice of that of the integrator 1 18, that is to say by a suitable choice of the operating point at the input of the amplifier 186 which can - even depend on the choice of supply voltages of this amplifier. It should be noted that in the exemplary implementation of FIG. 15, the reference voltage is directly used at the input of the differential input multiplier 134, which is not the case in the document [Gunhee Han and Edgar Sanchez-Sinencio].
La sortie du multiplieur à entrée différentielle 134 est constituée de deux courants I P et IM, dont la différence IP-IM constitue le résultat de la multiplication. Il est à noter que les potentiels UP et UM en sortie du multiplieur 134 doivent, lorsque le multiplieur 134 est en cours de fonctionnement, être identiques et fixées à une valeur V0 précise.  The output of the differential input multiplier 134 consists of two currents I P and IM, the difference IP-IM of which is the result of the multiplication. It should be noted that the potentials UP and UM at the output of the multiplier 134 must, when the multiplier 134 is in operation, be identical and set to a precise value V0.
Un tel circuit 102 analogique de traitement peut traiter un signal lumineux très faible, tout en présentant un rapport signal à bruit satisfaisant grâce à l'intégration de ce circuit sur un très faible espace de dimension inférieure ou égale à 42 x 44 μηη. Il est ainsi possible d'avoir un grand nombre de pixels de sorte à maximiser le rapport signal sur bruit.  Such an analog processing circuit 102 can process a very weak light signal, while having a satisfactory signal-to-noise ratio thanks to the integration of this circuit over a very small space of dimension less than or equal to 42 × 44 μηη. It is thus possible to have a large number of pixels so as to maximize the signal-to-noise ratio.
Il est ainsi possible, par ce traitement massivement parallèle, de traiter un grand nombre d'images par seconde (1000 à 100.000) sans utiliser d'électronique spécialement rapide.  It is thus possible, by this massively parallel processing, to process a large number of images per second (1000 to 100,000) without using specially fast electronics.
L'originalité du circuit 102 réside essentiellement dans le fait d'utiliser une mémoire analogique. Or, l'utilisation d'une telle mémoire analogique présente une difficulté concernant l'élimination d'offsets sur la quantité mémorisée. Cette difficulté est résolue dans le circuit selon l'invention, grâce à l'utilisation du registre de référence 132 et du multiplieur à entrée différentielle 134.  The originality of the circuit 102 lies essentially in the fact of using an analog memory. However, the use of such an analog memory presents a difficulty concerning the elimination of offsets on the memorized quantity. This difficulty is solved in the circuit according to the invention, thanks to the use of the reference register 132 and the differential input multiplier 134.
Le circuit 102 qui vient d'être décrit est donc adapté à mettre en œuvre un procédé d'analyse comprenant une estimation de la corrélation temporelle.  The circuit 102 which has just been described is therefore suitable for implementing an analysis method comprising an estimation of the temporal correlation.
Sur la base du dispositif 8 qui vient d'être décrit, un dispositif de mesure 300 adapté à la mise en œuvre du procédé tel que précédemment décrit peut être avantageusement mis en œuvre pour la mesure par réflectance du taux d'oxygénation de l'hémoglobine d'un être humain. Pour la mesure de ce taux d'oxygénation, au moins deux longueurs d'onde centrales λ-ι et λ2 sont utilisées. On the basis of the device 8 which has just been described, a measuring device 300 adapted to the implementation of the method as described above can be advantageously implemented for the reflectance measurement of the oxygenation rate of hemoglobin. of a human being. For the measurement of this oxygenation rate, at least two central wavelengths λ-ι and λ 2 are used.
Ainsi, le dispositif de mesure 300 du taux d'oxygénation illustré sur la figure 16 comporte une première diode laser 16 et une seconde diode laser 302 dont les longueurs d'onde centrales d'émission sont respectivement λ-ι et λ2. Les deux diodes 16 et 302 sont commandées chacune par une unité de commande 18 et 304 permettant de moduler la longueur d'onde de la lumière émise, comme décrit dans le mode de réalisation de la figure 1. Thus, the measurement device 300 of the oxygenation rate illustrated in FIG. 16 comprises a first laser diode 16 and a second laser diode 302 whose central emission wavelengths are respectively λ-ι and λ 2 . The two diodes 16 and 302 are each controlled by a control unit 18 and 304 for modulating the wavelength of the light emitted, as described in the embodiment of FIG.
Un obturateur automatique 306 est disposé en sortie des diodes laser et afin d'illuminer sélectivement la fibre optique 20 avec l'un ou l'autre des faisceaux lumineux émis par ces diodesl 6 et 302.  An automatic shutter 306 is arranged at the output of the laser diodes and in order to selectively illuminate the optical fiber 20 with one or the other of the light beams emitted by these diodes 6 and 302.
De préférence, pour chaque longueur d'onde et λ2, la lumière diffusée est mesurée pour différents retards τ0, comme cela est décrit en regard du mode de réalisation de la figure 1. Preferably, for each wavelength and λ 2 , the scattered light is measured for different delays τ 0 , as described with reference to the embodiment of FIG. 1.
Le dispositif de mesure 300 comporte, reliée aux moyens de détection et d'analyse The measuring device 300 comprises, connected to the detection and analysis means
42, une unité 308 de calcul du taux d'oxygénation de l'hémoglobine. 42, a unit 308 for calculating the rate of oxygenation of hemoglobin.
Le taux d'oxygénation de l'hémoglobine est déduit des coefficients d'absorption du milieu calculés aux deux longueurs d'onde k-\ et λ2 propres aux diodes. Le calcul du coefficient d'absorption est fait, en fonction d'une relation connue en soi, à partir de la décroissance exponentielle de la diffusion de la lumière en fonction du temps, cette décroissance étant définie à partir des différentes mesures effectuées à des retards τ0 différents. The oxygenation rate of the hemoglobin is deduced from the medium absorption coefficients calculated at the two wavelengths k -1 and λ 2 specific to the diodes. The calculation of the absorption coefficient is made, as a function of a relationship known per se, from the exponential decay of light scattering as a function of time, this decay being defined from the different measurements made at delays. τ 0 different.
En variante, si le dispositif 300 met en œuvre le procédé de la figure 5, les données relatives à la décorrélation des signaux S, renseignent sur la circulation sanguine dans des tissus tels que les capillaires du muscle, en complément de la mesure du taux d'oxygénation comme expliqué en regard de la figure 16. L'acquisition résolue en temps de ces données permet par exemple d'isoler la contribution de la circulation sanguine dans de tels capillaires par rapport à celle dans des vaisseaux sanguins de tailles plus importantes  Alternatively, if the device 300 implements the method of FIG. 5, the data relating to the decorrelation of the signals S, provide information on the blood circulation in tissues such as the capillaries of the muscle, in addition to the measurement of the blood flow rate. oxygenation as explained with reference to FIG. 16. The time-resolved acquisition of these data makes it possible, for example, to isolate the contribution of the blood circulation in such capillaries compared with that in blood vessels of larger sizes.
La surveillance du taux d'oxygénation permet d'appliquer le procédé d'analyse au suivi de la perfusion d'un organe. A titre d'exemple, l'organe est un rein, la prostate, la moelle osseuse ou le cerveau.  The monitoring of the oxygenation rate makes it possible to apply the analysis method to monitoring the perfusion of an organ. For example, the organ is a kidney, prostate, bone marrow or brain.
Ainsi, les dispositifs illustrés sur les figures 1 et 16 permettent seulement d'effectuer une mesure résolue en temps en un point considéré de l'échantillon. Les dispositifs décrits ici et le procédé mis en œuvre permet d'analyser un échantillon diffusant par mesure résolue en temps de la lumière diffuse dans cet échantillon pour un coût très réduit. Thus, the devices illustrated in FIGS. 1 and 16 only make it possible to perform a time-resolved measurement at a point considered in the sample. The devices described here and the method implemented makes it possible to analyze a diffusing sample by time-resolved measurement of diffuse light in this sample at a very low cost.
En effet, la source lumineuse utilisée peut être formée d'une simple diode laser. De même, les moyens de détection et d'analyse peuvent être réalisés à moindre coût.  Indeed, the light source used may be formed of a simple laser diode. Similarly, the detection and analysis means can be made at a lower cost.
De plus, avec la lumière modulée en longueur d'onde utilisée, les champs électromagnétiques sont beaucoup moins intenses qu'en régime impulsionnel, comme c'est le cas dans l'état de la technique.  In addition, with the wavelength modulated light used, the electromagnetic fields are much less intense than pulsed, as is the case in the state of the art.
Enfin, une très grande sensibilité est obtenue pour l'analyse.  Finally, a very high sensitivity is obtained for the analysis.
Même avec une simple photodiode comme détecteur, une très grande sensibilité et une très grande dynamique peuvent être obtenues.  Even with a simple photodiode as a detector, a very high sensitivity and a very great dynamic can be obtained.

Claims

REVENDICATIONS
'\ - Procédé d'analyse d'un échantillon (10) diffusant par mesure résolue en temps de la lumière diffusée dans cet échantillon (10), le procédé comportant les étapes de : - A method for analyzing a sample (10) diffusing by time resolved measurement of the light scattered in this sample (10), the method comprising the steps of:
- illuminer l'échantillon (10) en un point d'illumination (P1 ) situé sur l'échantillon illuminate the sample (10) at an illumination point (P1) located on the sample
(10) avec un faisceau incident de lumière cohérente temporellement et modulée en longueur d'onde selon une fonction ayant pour période la période de modulation (T) ; (10) with an incident beam of temporally coherent light and wavelength-modulated according to a function having for period the modulation period (T);
- détecter sur un photodétecteur (44) pendant un premier intervalle de temps l'évolution temporelle de l'intensité de la lumière diffusée par l'échantillon en un point de sortie (P2) situé sur l'échantillon (10) à une distance (d) inférieure à 1 millimètre du point d'illumination (P1 ) ;  detecting on a photodetector (44) during a first time interval the time evolution of the intensity of the light scattered by the sample at an exit point (P2) located on the sample (10) at a distance ( d) less than 1 millimeter from the point of illumination (P1);
- multiplier le signal détecté par le photodétecteur (44) par un signal de référence (Ref(t,io)) générant une porte temporelle centrée sur un retard (τ0) prédéterminé pour obtenir un signal multiplié, multiplying the signal detected by the photodetector (44) by a reference signal (Ref (t, io)) generating a time gate centered on a predetermined delay (τ 0 ) to obtain a multiplied signal,
- extraire des composantes démodulées du signal détecté à partir du signal multiplié,  extracting demodulated components of the signal detected from the multiplied signal,
- appliquer une fonction non-linéaire aux composantes démodulées extraites. - apply a non-linear function to the extracted demodulated components.
2.- Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l'étape d'extraction comprend les étapes de : The method of claim 1, wherein the extracting step comprises the steps of:
- découper le premier intervalle de temps en fonction de la période de modulation - cutting the first time interval according to the modulation period
(T) pour obtenir une succession d'intervalle d'intégration, (T) to obtain a succession of integration interval,
- calculer une composante démodulée du signal détecté pour chaque intervalle d'intégration, la composante démodulée étant définie comme l'intégrale du signal multiplié sur l'intervalle d'intégration considéré.  calculating a demodulated component of the signal detected for each integration interval, the demodulated component being defined as the integral of the signal multiplied over the integration interval considered.
3.- Procédé selon la revendication 2, dans lequel à l'étape de découpage, chaque intervalle d'intégration correspond à un intervalle de temps égal à une demi-période de modulation.  3. The method of claim 2, wherein at the step of cutting, each integration interval corresponds to a time interval equal to half a modulation period.
4. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel à l'étape d'illumination de l'échantillon, le faisceau incident provient d'une fibre (20) optique, la fibre (20) optique servant également à collecter la lumière diffusée par l'échantillon au point de sortie et à amener la lumière collectée vers le photodétecteur (44).  4. - Method according to any one of claims 1 to 3, wherein at the step of illuminating the sample, the incident beam comes from an optical fiber (20), the optical fiber (20) also serving collecting the light scattered by the sample at the exit point and bringing the collected light to the photodetector (44).
5. - Procédé selon la revendication 5, dans lequel la fibre (20) est munie à une extrémité d'une sonde (24) diffusante.  5. - Method according to claim 5, wherein the fiber (20) is provided at one end with a probe (24) diffusing.
6. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la fonction non-linéaire est la moyenne du carré de la composante démodulée ou la moyenne du produit de deux composantes démodulées distinctes. 6. - Method according to any one of claims 1 to 5, wherein the non-linear function is the average of the square of the demodulated component or the product average of two separate demodulated components.
7. - Dispositif (8) d'analyse d'un échantillon diffusant par mesure résolue en temps de la lumière diffuse dans cet échantillon, comportant : 7. - Device (8) for analyzing a scattering sample by resolved measurement in time of diffuse light in this sample, comprising:
- des moyens (12) pour illuminer l'échantillon avec un faisceau incident de lumière cohérente temporellement et modulée en longueur d'onde en un point d'illumination (P1 ) situé sur l'échantillon (10) ;  means (12) for illuminating the sample with an incident beam of temporally coherent and wavelength-modulated light at an illumination point (P1) located on the sample (10);
- un photodétecteur (44) détectant l'évolution temporelle de l'intensité de la lumière diffusée par l'échantillon en un point de sortie (P2) situé sur l'échantillon (10) à une distance (d) inférieure à 1 millimètre du point d'illumination (P1 ) ;  a photodetector (44) detecting the temporal evolution of the intensity of the light diffused by the sample at an exit point (P2) situated on the sample (10) at a distance (d) of less than 1 millimeter from the illumination point (P1);
- une unité de traitement adaptée pour la mise en œuvre de l'analyse du signal détecté par le photodétecteur (44) pour obtenir une corrélation temporelle de ce signal.  a processing unit adapted to implement the analysis of the signal detected by the photodetector (44) to obtain a temporal correlation of this signal.
8. - Dispositif selon la revendication 7, adapté pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6.  8. - Device according to claim 7, adapted for the implementation of the method according to one of claims 1 to 6.
9. - Dispositif selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le dispositif (8) comporte un circuit (102) comprenant le photodétecteur (44), un multiplieur, un intégrateur, une mémoire analogique; et une unité d'estimation d'une corrélation temporelle du signal détecté par le photodétecteur à partir des composantes mémorisées.  9. - Device according to claim 7 or 8, wherein the device (8) comprises a circuit (102) comprising the photodetector (44), a multiplier, an integrator, an analog memory; and a unit for estimating a temporal correlation of the signal detected by the photodetector from the memorized components.
10. - Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9 pour surveiller l'oxygénation et la perfusion d'un organe d'un être humain.  10. - Use of the device according to any one of claims 7 to 9 for monitoring the oxygenation and perfusion of an organ of a human being.
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