Optical microsystem for spectroscopy signals extraction applied to gastrointestinal dysplasia detection

Abstract

The early detection of gastrointestinal cancer, in the dysplastic stage, is essential to increase the patient survival rate. Spectroscopic techniques, particularly diffuse reflectance and fluorescence, can improve the gastrointestinal dysplasia detection, since these techniques can be used to extract biochemical and morphologic information related with the status of a gastrointestinal tissue. Several research groups have developed prototypes for the extraction of diffuse reflectance and fluorescence signals applied to gastrointestinal cancer detection. Despite their advantages associated with the gastrointestinal cancer identification, they have several disadvantages related with the use of complex, high-cost and sophisticate components such as xenon lamps, lasers, monochromators, optical fibers and high quantum efficiency detectors, which may hamper their wide use as well as their huge clinical value. Therefore, it is of utmost importance to develop a low-cost, miniaturized and minimal invasive microsystem for spectroscopic signals extraction. As a result, in this work it is proposed the implementation of a microsystem, which comprises in a single chip, an optical filter system for selection and extraction of the diffuse reflectance and fluorescence signals in relevant spectral bands, a silicon photodiodes matrix (4×4) and its readout electronics, and miniaturized light emitting diodes. The main applications of this microsystem are: its use as a portable device in a surgery room for inspection of total removing of the cancerous or dysplastic tissue; and its integration with the standard endoscopes and colonoscopes using it as an auxiliary, to the physician, in early gastrointestinal cancer detection. Along this thesis, important steps towards that microsystem implementation were achieved. In a first step experimental measurements were performed, with phantoms representative of the main absorbing, scattering and fluorescence properties of gastrointestinal tissues (containing hemoglobin, polystyrene microspheres to represent collagen fibers, and the fluorophores NADH and Carbostyril 124, the latter representing collagen), in order to study the diffuse reflectance and fluorescence typical spectra and their temperature dependence. Moreover, the viability of using only 16 spectral bands (between 350 and 750 nm) for signals extraction was discussed, proving the feasibility of an optical filter system implementation in the final microsystem. Therefore, it were designed, fabricated and characterized 16 MgO/TiO2 and SiO2/TiO2 based thin-film optical filters. Their characterization performed through optical transmittance, selectivity, profilometry and scanning electron microscopy, allowed understanding the deviations between the simulated characteristics and the ones experimentally obtained. Moreover, the optical filters results showed transmittances ranging from 50% to 90% approximately, and a full width half maximum (FWHM) averaging from 11 nm to 20 nm, which fits the required application. The fabricated optical filters had some deviations considering their simulated characteristics, which can be explained by the complexity of the optical filters design, for example, the materials refractive index dependence with wavelength and thin-film thickness. The diffuse reflectance and fluorescence signals that pass through the optical filters can be measured with an on-chip silicon photodetectors matrix (4×4), based on n+/p-epilayer junction photodiodes with an active area of 100 × 100 µm2, and a light-to-frequency converter, per each photodiode, that enables producing a digital signal with a frequency proportional to the photodiode current. As a result, the design and implementation of a CMOS microsystem comprising these components were performed. The photodiodes characterization showed a responsivity of 200 mA/W at 550 nm, approximately, and the light-to-frequency converter connected to the photodiode showed a linear response (R2>0.99) with a sensitivity of 25 Hz/nA at 550 nm, approximately. The behavior of the current-to-frequency converter, with an external current source directly injected in its input, was also studied allowing to confirm its linearity in the range of currents produced in this application, its power consumption of 1 mW, and its maximum input current, approximately 300 µA. This CMOS approach avoids the need of an expensive readout optical microsystem, since it is possible to integrate the photodiodes and the readout electronics in a small silicon area (275 × 100 µm2 per photodiode and its respective converter). The performance of the implemented microsystem and the fabricated optical filters was evaluated, using phantoms (also containing hemoglobin, polystyrene microspheres, NADH and Carbostyril 124). The obtained results have shown the viability of the microsystem (including the optical filter system) to extract diffuse reflectance and fluorescence signals. Some issues were noted on the sensitivity of the implemented optical setups for the on-chip measurements. However, some solutions were proposed for the remaining problems, specifically the future use of miniaturized light emitting diodes and the direct deposition of the optical filters on the top of the photodetection system. Finally, the direct integration of optical filters on top of the photodiodes was discussed and a new approach was tested.

A deteção precoce do cancro gastrointestinal, na fase de displasia, é essencial para o aumento da taxa de sobrevivência do paciente. As técnicas de espetroscopia, particularmente a refletância difusa e a fluorescência, permitem melhorar a deteção de displasia gastrointestinal, ao poderem ser utilizadas para a extração de informação bioquímica e morfológica associada ao estado do tecido gastrointestinal. Diversos grupos de investigação têm desenvolvido protótipos para a extração de sinais de refletância difusa e de fluorescência, para aplicação na deteção do cancro gastrointestinal. Apesar das vantagens associadas com a identificação do cancro gastrointestinal, esses sistemas apresentam várias desvantagens relacionadas com a utilização de componentes complexos, de elevado custo e sofisticados, como por exemplo, lâmpadas de xénon, lasers, monocromadores, fibras óticas e detetores de elevada eficiência, que podem dificultar a sua ampla utilização, bem como o seu elevado valor clínico. Portanto, é de extrema importância o desenvolvimento de um microssistema de baixo custo, miniaturizado e minimamente invasivo para a extração de sinais de espetroscopia. Assim, neste trabalho é proposta a implementação de um microssistema, num único chip, compreendendo: um sistema de filtros óticos para a seleção dos sinais de refletância difusa e de fluorescência em bandas espetrais relevantes; uma matriz de fotodíodos de silício (4×4) e a respetiva eletrónica de leitura; e díodos emissores de luz miniaturizados. As principais aplicações deste microssistema são: a sua utilização como sistema portátil numa sala de cirurgia para inspeção da remoção total do tecido maligno ou displásico; ou a sua integração com os sistemas de endoscopia e colonoscopia, servindo como auxiliar de diagnóstico, na deteção precoce de cancro gastrointestinal. Com a realização desta tese foram dados passos importantes para a implementação desse microssistema. Numa primeira fase, foram realizados testes experimentais, com um grupo de fantomas representativos das propriedades de absorção, difusão e de fluorescência dos tecidos gastrointestinais (contendo hemoglobina, microesferas de polistireno representando as fibras de colagénio, e os fluoróforos NADH e Carbostyril 124, este último para representar o colagénio), de forma a obter os espetros típicos de refletância difusa e de fluorescência e a influência da temperatura do fantoma nos mesmos. Para além disso, a viabilidade de usar apenas 16 bandas espetrais (entre 350 e 750 nm) para a extração dos sinais espetroscópicos foi discutida, provando a exequibilidade da implementação de um sistema de filtros óticos no microssistema final. Assim, foram desenhados, fabricados e caracterizados 16 filtros óticos baseados em filmes finos de MgO/TiO2 e SiO2/TiO2. A sua caracterização do ponto de vista da transmitância ótica, seletividade, profilometria e microscopia eletrónica de varrimento, permitiu perceber os desvios verificados entre as características simuladas e as obtidas experimentalmente. Para além disso, os resultados da caracterização dos filtros óticos mostraram transmitâncias óticas que variam entre 50% e 90%, aproximadamente, e uma largura a meia-altura (FWHM) média entre 11 nm e 20 nm, o que é adequado para a aplicação pretendida. Os filtros óticos fabricados possuem alguns desvios das suas características simuladas, o que pode ser explicado pela complexidade no projeto de filtros óticos, por exemplo, a dependência dos índices de refração com o comprimento de onda e espessura do filme fino. Os sinais de refletância difusa e fluorescência que atravessam os filtros óticos podem ser medidos através de uma matriz de fotodetetores de silício (4×4), baseada em fotodíodos do tipo n+/p-epilayer com uma área ativa de 100 × 100 µm2 , e um conversor luz-frequência, um por cada fotodíodo, que permite produzir um sinal digital com uma frequência proporcional à corrente gerada pelo fotodíodo. Assim, o projeto e a implementação de um microssistema CMOS incluindo esses componentes foram executados. A caracterização dos fotodíodos da matriz resultou num valor de responsividade de 200 mA/W a 550 nm, aproximadamente, e a do conversor luz-frequência, quando ligado a um fotodíodo, resultou numa resposta linear (R2>0.99) com uma sensibilidade de 25 Hz/nA a 550 nm, aproximadamente. O comportamento do conversor corrente-frequência, com uma fonte de corrente externa diretamente injetada na sua entrada, foi também estudado, permitindo confirmar a sua linearidade na gama de correntes envolvidas nesta aplicação, a sua potência de consumo de 1 mW, e a sua corrente de entrada máxima, aproximadamente 300 µA. Esta abordagem em tecnologia CMOS evita a utilização de um microssistema ótico de leitura de elevado custo, uma vez que torna possível a integração dos fotodíodos e respetiva eletrónica de leitura numa área de silício pequena (275 × 100 µm2 por fotodíodo e respetivo conversor). Foi avaliado o desempenho do microssistema implementado e dos filtros óticos fabricados usando fantomas (mais uma vez contendo hemoglobina, microesferas de polistireno, NADH e Carbostyril 124). Os resultados obtidos provaram a viabilidade do microssistema (incluindo o sistema de filtros óticos) para a extração de sinais de refletância difusa e de fluorescência. Foram notados alguns problemas na sensibilidade dos setups óticos implementados para as medições on-chip. No entanto, foram também propostas algumas soluções para os respetivos problemas, especificamente o uso futuro de díodos emissores de luz miniaturizados e a deposição direta dos filtros óticos no sistema de fotodeteção. Finalmente, a integração dos filtros óticos depositados diretamente em cima dos fotodíodos foi discutida e uma nova abordagem foi testada.