学位論文要旨



No 121848
著者(漢字) 廉,正烈
著者(英字) YEOM,JUNG YEOL
著者(カナ) ヨム,ジュンヨル
標題(和) PET検出器用フロントエンド回路の研究
標題(洋) Study on Front-End ASIC for PET detector
報告番号 121848
報告番号 甲21848
学位授与日 2006.09.29
学位種別 課程博士
学位種類 博士(工学)
学位記番号 博工第6378号
研究科 工学系研究科
専攻 システム量子工学専攻
論文審査委員 主査: 東京大学 教授 高橋,浩之
 東京大学 教授 上坂,充
 東京大学 助教授 石川,顕一
 東京大学 助教授 門,信一郎
 放射線医学総合研究所 チームリーダー 村山,秀雄
内容要旨 要旨を表示する

1. Introduction

In PET, a high sensitivity (percentage of radiation detected) to reduce exposure to patients and a high spatial resolution for clearer images is desired. However, the spatial resolution of commercial clinical PET scanners is about 4〜6 mm which are inferior compared to other medical imaging modalities such as CT (Computed Tomography) and MRI (Magnetic Resonance Imaging) with sub-millimeter resolution. In the case of small PET systems dedicated for use in animal studies with small animal like rodents, the spatial resolution have improved considerably over these few years but the improvement in sensitivity has not been able to follow suit.

Both the sensitivity and spatial resolution can be improved by using small scintillating crystals and photodetectors with individual readouts but this would greatly increase the number of readout channels which is impractical with conventional front-end electronics made up of discrete components. Thus, in an attempt to improve the two factors, several highly integrated Application Specific Integrated Circuit (ASIC) front-end electronics have been developed using 0.35 μ CMOS technology for individual readouts of finely granulated detector module.

2. Next Generation PET detector module

2.1 Detector module with DOI decoding

DOI decoding improves spatial resolution in areas away form the center of the camera as explained in Fig. 1. The new detector module that has been proposed is shown in Fig. 2. Scintillating crystals of different decay time are stacked and readout with a multi element APD to allow depth-of-interaction (DOI) decoding through pulse shape discrimination. Since this scheme greatly increases the number of channels, ASIC, being highly integrated, reliable and power efficient, will be used as an alternative to bulky discrete conventional electronics.

2.2 ASIC front-end electronics

Application Specific Integrated Circuit (ASIC) is a family of IC technology that is designed for a specific purpose. They are indispensable especially in applications where readout s of large number of channels are needed and the use of discrete electronics would be prohibitive due to cost, space and power consumption constraints. Using ROHM 0.35 μ CMOS technology through VLSI education and development center (VDEC) of the University of Tokyo, several ASIC front-end electronics has been designed for readout of radiation detectors.

3. ASIC design and experiments

3.1 Multi-channel preamplifier chip

A preamplifier is the most fundamental component in front-end electronics of radiation detectors. A 10-Ch and a 16-Ch Application Specific Integrated Circuit (ASIC) preamplifier chip with telescopic-cascode topology and gain-boosted (regulated) cascode topology respectively has been designed for readout of Avalanche photodiode (APD). These chips were fabricated on a 2.4 mm x 2.4 mm die area and micrograph of the 16-Ch chip is shown in Fig. 3. The summary of the test results of both chips is presented in Table 1.

Both chips have also been used to readout an APD (Hammatsu S8644-55) coupled to a GSO scintillating crystal. An optimum energy resolution of 11.3 % FWHM for the Na-22 annihilation peak was attained at an APD bias of 370 V (gain 〜 60) and 0.5 μs shaping time (Fig. 4). The experimental setup for time resolution of two coincident GSO-APD detectors is shown in Fig. 5 and the time resolution was measured to be 12.5 ns. 3 bare preamplifier chips have been fabricated into a 48-Ch preamplifier board to be used in various experiments. Although primarily designed for APD, these chips can also be used with other detectors if conditions are similar. The 16-Ch chip has been successfully used to readout a 3 cm x 3 cm Microstrip Gas Chamber (MSGC) and a 20.5% FWHM energy resolution of a Fe-55 source (5.9 keV peak) was obtained.

3.2 Novel Waveform Sampling Front-End (WSFE) chip

Based on two prototype WSFE chips, a new 9-Ch (including 1 test Channel) chip has been designed. Each channel of the chip consists of a preamplifier, a variable gain amplifier (VGA) and a fast analog to digital converter (ADC) with digital encoders. The preamplifier picks up detector signals and feeds them to the VGA, which adjusts the amplitude to the maximum input range of the ADC. The ADC samples the amplified signals and converts them into digital waveforms (Fig. 6). From the rise time of these waveforms that depend on the scintillating crystal decay time, DOI information can be obtained. Such a chip, which greatly simplifies the front-end electronics and signal processing, will be the heart of the proposed detector module.

The preamplifier is based on the telescopic-cascode topology and its characteristics are summarized in Table 2. The gain of the VGA can be varied from about 5 to 16.5 via external pins. Since the ADCs consume most power in the chip, a 6-bit folding ADC has been adopted. The Folding ADC is a modification of the flash ADC that requires a smaller number of comparators. This ADC works up to 60 Msamples/s which was less than the 100 Msamples/s as designed but nevertheless should be sufficient for use in the system. The DNL and INL are 0.7 LSB and 1.4 LSB respectively.

Since the test performance was satisfactory, one complete channel was used to assess the DOI capabilities of this chip with APD and two types of 2.9 mm x 2.9 mm x 7.5 mm GSO:Ce (0.5 mol% and 1.5 mol%) crystals of 60 ns and 35 ns decay times respectively. The key components that make up the detector module are shown in Fig. 7. 50 digitized signals samples were taken and the average rise time of each crystal was found to be 105 ns and 90 ns respectively. Fig. 8 shows that the signal from each of crystals could be differentiated from one another, thus enabling a 2 layer phoswich detector. In this experiment, the ADC was provided with a 50 MHz clock and the power consumption of the chip at this clock rate was about 1.8 W. A dedicated board with an onboard FPGA to effectively extract DOI, timing and energy information has also been developed (Fig. 9).

3.3 12-Ch Preamplifier-Shaper-Discriminator chip

A 12-Ch (including 2 test Channels) Preamplifier-Shaper-Discriminator ASIC has been designed and fabricated on a 2.4 mm x 2.4 mm die area. The block diagram of this chip is shown in Fig.10 and the micrograph is shown in Fig. 11. Both analog and digital components are present and a window type discriminator was implemented through the use of a digital encoder to encode outputs from two comparators. This versatile chip can be in a low cost PET system without DOI information or simply as counters.

The charge sensitive preamplifier of this chip is based on gain-boosted (regulated) cascode topology as implemented in one of the preamplifier ASIC chip described above. The gain of the preamp-shaper is 2.5/pF and the shaping time can be varied from about 0.3 μs to about 0.8 μs via an external bias. The linearity of this chip is less than 1% up to 320 fC for negative charge and 150 fC for positive charge. Fig. 12 shows typical shaper output signals obtained with different input charges. The noise of a complete chain (preamplifier-shaper-discriminator) has been determined to be about 1500 e- + 75 e-/pF rms and the power consumption of the chip is 0.13 W.

The Time over Threshold (ToT) has also been measured for all working channels (except test channels 0, 1 and 10, 11 which were not working) for various input charges as shown in Fig. 13. Some systematic variation of ToT which is inevitable due to the technology process was observed. Thus, individual threshold (ULD and LLD) input for each channel rather than a common threshold for the whole chip would improve its applicability.

3. Conclusion and further studies

A new PET detector module designed at maximizing sensitivity and achieving spatial resolutions near theoretical limits, has been proposed and several ASIC chips for use with radiation detectors have been fabricated. The multi-channel preamplifier chips, especially the 16-Ch preamplifier, work well and have been put to practical use. A new WSFE chip has been fabricated and has shown to be able to differentiate signals from at least two types of GSO signals for different decay times. A more quantitative method of comparing the rise times through the use of FPGA and complex statistic estimators might lead to better distinction of these slopes and allow a 3 layer phoswich detector. Performance in all areas (spatial resolution, count rate and energy resolution) can be expected to improve if this chip is implemented into a PET system. As for the 12-Ch Preamplifier-Shaper-Discriminator, each component was working although some modifications may be needed. The baseline return of the shaper was quite slow at around 4 μs (Fig. 12) which might cause pile up at high counting rate and some systematic deviations in the ToT amongst channels, inevitable due to the technology process, was observed.

Fig. 1. Inability to tell along which depth of the crystal the gamma ray interacted causes degradation of spatial resolution. Parallax error with no DOI information (a) and with DOI information (b).

Fig. 2. Proposed detector module. Difference in decay time of crystals enables DOI decoding.

Table 1. Characteristics of the preamplifier chips

Fig. 3. Micrograph of the 16-Ch preamplifier ASIC chip.

Fig. 4. Energy spectrum of Na-22.

Fig. 5. Experiment setup for time resolution.

Fig. 6 Block diagram of the WSFE ASIC chip.

Fig. 7. Components of the detector module. Clockwise from top right: WSFE chip, GSO crystals, APD and reflectors.

Fig. 8. Typical digitized GSO/APD at 50 MHz clock.

Table 2. Preamp characteristics in WSFE chip

Fig. 9. Dedicated data aquisition board (40 channels) made with 4 bare WSFE ASIC chips and an embedded FPGA.

Fig. 10. Block diagram of a single Channel of the 12-Ch Preamplifier-Shaper-Discriminator ASIC chip.

Fig. 11. Micrograph of the Preamplifier-Shaper-Discriminator chip

Fig. 12. Shaper outputs for various input charges.

Fig. 13. Time over Threshold (ToT) versus input charge.

審査要旨 要旨を表示する

 本論文は、陽電子断層撮像装置(Positron Emission Tomography: PET)のためのASICを用いた新しいフロントエンド回路の研究について述べたものであり、全8章から構成されている。

 第1章は、序論であり、PETの開発の必要性と本研究の目的ならびに本論文の構成について書かれている。PETは、極めて高感度に生体内部の物質の移行をとらえることができ、がん診断からパーキンソン病などの診断に至るまで利用されている。一方、現在のPETでは機能画像は得られるものの、その解像度においては4mmから6mm程度と制約があり、この点で詳細な画像を得ることは難しく、CTやMRIなど他のモダリティと比べて画質の点で見劣りする。また小動物用PETでは特に高い解像度が必要とされるなど、高解像度PETに関する要望が高まっている。しかし、高解像度に対応させるためにシンチレータ結晶を単純に小型化すると、信号読み出し回路が大規模化して、現状では対応が不可能となる。本研究では、PET用の専用集積回路(Application Specific Integrated Circuit: ASIC)を開発し、高解像度PETに必要な大規模な信号読み出し回路を実現することを目的としている。

 第2章では、PETの現状についての整理を行っている。具体的にはPET開発の歴史を振り返り、PETにおいて画像を検出するために必要な原理を解説したあと、PETにおけるノイズイベント、フロントエンド回路の詳細、PETの応用を述べ、最後に現在、世界各国で進められているPETにおける技術開発動向を示している。

 第3章は、PETの空間分解能を決定する要因について述べられた後に、PET検出器の構成要素の検討を行い、γ線が検出器内の深さ方向のどこで検出されたか(DOI: Depth Of Interaction)を知ることが、空間分解能の実質的な向上には不可欠であることを示し、このためにアバランシェフォトダイオード(APD)を多段に接続して用い、また、複数の時定数をもつシンチレータを多重に用いることとし、従来のものとは全く異なる各入力チャネル毎に波形情報解析を行うという新しいコンセプトによるASICの開発が有用であるということを述べている。

 第4章は、PET検出器のためのASICの開発の全体像を与える目的でASICの特徴、開発の問題点、CMOS ASICの有用性とバイポーラプロセスの差異について述べて後にPET用ASIC開発の流れが示されている。

 第5章以降は、実際に試作した数々のASICのうち、よい結果が得られたチップについてその内部構成と試作・検証した結果得られた特性について、詳細に検討がなされている。

 第5章では、放射線検出器用のフロントエンド電子回路において高速性と低雑音性の要求され、大変重要な電荷有感型プリアンプの設計と試作ならびに性能評価の結果について詳細に述べられている。本論文では、等価雑音電荷が1000電子(FWHM)以下ときわめて低雑音でありながら、立ち上がり時間は10ns程度の高速応答を実現することを目的に開発を行い、特にゲインブースト型(16CH)とテレスコピック型(10CH)の2種類の入力回路について実際にASICを製作し、特性の比較を行ったが、ゲインブースト型の方が概ね良好な結果を得た。等価雑音電荷は、900電子(FWHM)が得られた。一方、立ち上がり時間は、100pF程度の入力容量でも大きく立ち上がり時間の劣化を招いてしまう。ここで作製したマルチチャネルプリアンプチップはGSOシンチレータとAPDの組み合わせにより、実際にγ線を測定したところ、特に問題なく応用できることが示されている。

 第6章は、新しい波形サンプリング方式のASICの開発について、波形サンプリングの利点が述べられたあと。チップの内部構成が示されている。本チップでは、高速のADC部分を100MHz・6bitsで常時駆動するために、消費電力が問題となる。そこで、コンパレータ部の回路規模を極めて小さくすることのできるフォールディング型ADCを採用している。また、信号のレベルがセンサ間でまちまちになるとが想定されるので、信号の大きさを大まかに変えることのできる可変ゲイン増幅器(VGA)を必要とする。また、検出器との直接のインタフェースにはプリアンプが必要であり、ディジタル部分ではタイミング情報を得るために、高速のメモリを必要とする。これらから構成されるチャネルを9チャネル集積したチップを試作した。この結果、チップの規模は極めて大きなものとなっているが、このような大規模な専用集積回路にも関わらず、動作に成功し、特にADC部分では積分非直線性で1.1LSB(LSBはLeasy Significant Biit)、微分非直線性は1.4LSBとよい性能を得ており、動作速度では50MHzまでと制約は残るが、消費電力もチップ全体で1.6Wと設計に近い高い性能が得られており、実際にAPDとGSOシンチレータを組み合わせた検出器からの信号の取得に成功している。

 第7章はさらに応用範囲を広げるために、DOI情報にはこだわらず、多チャンネルシステムにおいて必要な機能を集約させたチップの開発について述べられている。本チップではADCは搭載しない代わりに、ディジタル化の容易な時間情報を用いて、Time Over Threshold法により、波高値情報を得ることができると考えられ、このような機能を簡易に実現するチップの設計・試作・評価を行い、がん診断用に必要とされる低コストPETなどに有用な結果を得ている。第8章は本論文全体の結論であり、高分解能PETのための新しい信号処理法の実現を目指してPET用のASICを設計・試作し、実際にPETシステムを構築することの可能な高い性能をもつことが実証できたとしている。

 以上のように、本論文は、新しいPETシステムの中核となるフロントエンド電子回路の提案を行うとともに、実際にASICを試作し、その性能を実証した点で、システム量子工学、特に生体量子イメージング技術の発展に貢献するところが少なくない。よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。

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