基于事件驱动机制的荧光寿命成像传感器

Fluorescence lifetime imaging is a widely used recognition-tool towards biological molecules in biological and medical areas. As a result of pixel-by-pixel scanning, frame rate of conventional fluorescence lifetime imaging technique based photo-multipliers is very low. CMOS-based integrated fluorescence lifetime imaging sensor can realize global shuttering, but the huge amount of output data limits its application in high-resolution real-time biometric detection. Based on the characteristics of "photon sparseness" of fluorescence lifetime imaging, this project proposes an efficient fluorescence lifetime imaging sensor based on event-driven mechanism. The specific research content is: The theoretical model of fluorescence lifetime imaging sensor based on event-driven mechanism and the chip architecture based on address - event representation will be established. The integrated pixel and event-driven readout circuit based on CMOS process will be researched. A fluorescence lifetime imaging sensor with the resolution of 128×128 or more will be designed and tested. The centroid algorithm based on the idea of counting integral will be researched to achieve efficient fluorescence lifetime. The project is expected to have creative achievements on imaging theory, photosensitive device, readout circuits and lifetime map estimating. The project will break through the limit of data amount in fluorescence lifetime imaging and high frame rate real-time observation fluorescence lifetime video can be realized. The achievements of this project offer practical guidelines and technical supports on video-rate and high resolution fluorescence lifetime imaging systems.

荧光寿命成像是一种广泛应用于生命科学、医学领域的生物分子识别方法。传统基于光电倍增管的成像技术逐个像素进行扫描，帧频极低。基于CMOS工艺的集成荧光寿命成像传感器可实现并行曝光，但庞大的输出数据量限制了其在高分辨率实时检测领域应用。本项目基于荧光寿命成像“光子稀疏”的特点，提出一种基于事件驱动机制的高效荧光寿命成像传感器。具体研究内容为：建立基于事件驱动机制的荧光寿命成像传感器理论模型，探索基于“地址-事件表示”思想的芯片架构。研究基于CMOS工艺的集成像素和事件驱动型读出电路，完成128×128以上分辨率的荧光寿命成像传感器设计与测试。研究基于计数积分思想的质心算法，实现高效荧光寿命图还原计算。最终在成像理论、感光器件、读出电路及寿命提取方面取得创新成果，突破在荧光寿命成像领域的数据量限制，实现高帧频下实时观察。为下一代高分辨率实时荧光寿命成像传感器设计提供可行的理论指导和技术来源。

荧光寿命成像是一种广泛应用于生命科学、医学领域的生物分子识别方法。传统基于光电倍增管的成像技术逐个像素进行扫描，帧频极低。基于CMOS工艺的集成荧光寿命成像传感器可实现并行曝光，但庞大的输出数据量限制了其在高分辨率实时检测领域应用。本项目基于荧光寿命成像“光子稀疏”的特点，提出一种基于事件驱动机制的高效荧光寿命成像传感器。具体研究内容为：建立基于事件驱动机制的荧光寿命成像传感器理论模型，从源头上降低系统数据流量，抑制溢出效应的影响，设计基于“地址-事件表示”思想的芯片架构；对SPAD器件的保护环和雪崩倍增区进行优化，改进探测概率和暗计数率；基于CMOS工艺的集成像素和事件驱动型读出电路，优化SPAD/TDC的比例与溢出效应之间的关系，降低溢出效应；研究基于计数积分思想的质心算法，实现高效荧光寿命图还原计算。本项目采用0.13μm CMOS工艺完成了128×128分辨率原型验证芯片的投片，并对关键的电路模块和整个荧光寿命成像系统进行了测试。测试结果：单位像素数据率为0.01Mbps，TDC量化范围为100ns，时间分辨率是97ns，芯片设计激发荧光的激光频率为10MHz，读出帧频为10Mfps，最大成像帧频为100fps，芯片IO口带宽为720MHz，功耗为15mW。本项目在传统IEM算法的基础上，分别采用IEM-Trapezium和IEM-Boole两种扩展方式进行荧光寿命还原，并结合两种扩展算法，提出了基于直方图合并预处理的EIEM荧光寿命还原算法，有效提升了荧光寿命的还原范围。本项目为开展高速大阵列荧光寿命成像传感器设计提供可行的理论指导和技术方案，项目成果未来可用于高频荧光寿命成像领域，包括细胞生物学、癌症的诊断、脑组织分析、监测药品的传递和释放以及血液病理学等。