高分解能イメージングスペクトロスコピーの実現に向けた新しい信号処理回路の開発

开发用于实现高分辨率成像光谱的新型信号处理电路

基本信息

批准号：
12J08449
负责人：
織田忠
金额：
$ 1.15万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012 至 2013
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J08449/
关键词：
ASIC ガンマ線時間幅信号処理 CMOS SiPM ToT dToT スペクトロスコピー APD

项目摘要

計画では本年度は、実際に設計をしたASICを用いた測定およびにPET装置の開発を行う予定であった。ASICの開発に関しては、設計に関してミスがありASICが動作しないという事態に陥ったが、この失敗を考察し原因を突き止めたうえで、その結果をもとにして本研究の要である動的閾値法(dToT法)を実装した新たなマルチチャネル放射線信号処理用ASICの開発を行った。この設計の際には、独自に開発したLook-Up-Tableベースの設計方法を用い、さらなるノイズに関する最適化(検出器容量が40pFで430電子)を行うとともに、低消費電力化(1chの消費電力は約2mW)も実現している。その結果、さらなる高性能なASICの設計を実現した。また、バラつきが不可避であるCMOS集積回路のそのバラつきによる性能のブレをも考慮にいれた設計も行った。バラつきを考慮にいれた入力電荷量―出力時間幅の線形性評価では積分直線性で約1.5%と優れた線形性をシミュレーションにおいて確認をすることができた。PET装置に関しては、ミュンヘン工科大学との共同プロジェクトの集積回路部分を担当した。この集積回路には本研究において注目した時間幅ベースの信号処理回路を採用し、その時間幅信号処理を48チャネル持つASICを設計・製作した。検出器にはSiPMという次世代光検出器を用いたPET装置であり、そのSiPMの信号強度の大きさと高速性を活かすために従来の電圧型の信号処理系ではなく電流型の信号処理系に時間幅処理法(ToT法)を実装した。ToT法は、単純な回路構造で実現可能ではあるがdToT法と比べると入力信号に対する出力信号の時間幅の線形性が悪いという欠点を持つが、PET装置においては511keVの対消滅ガンマ線ピークが見えればよいためにToT法で十分である。このASICでSiPM検出器の測定実験をした結果、F18の511keVのピークを確認することができ、かつ時間分解能は550psという性能を確認することができた。これにより、位置分解能を活かしつつもスペクトル情報をマルチピクセルでADCなしにパラレルで得られるマルチスペクトロスコピーであるPETの開発に一歩近づけた。

该计划是使用实际设计的ASIC今年开发宠物设备。关于ASIC的发展，设计存在错误，而ASIC并未运行。在考虑了此失败后，确定原因，然后使用结果，我们开发了一个新的ASIC，用于实现动态阈值方法（DTOT方法），这是该研究的关键。该设计使用一种独特开发的基于查找桌的设计方法来进一步优化噪声（430个具有40pf的电子）并实现低功耗（1通道功耗约为2MW）。结果，我们达到了更高的性能ASIC设计。该设计还考虑了由CMOS集成电路的变化引起的性能波动，这是不可避免的。在模拟中，我们能够考虑到变化的输入充电量和输出时间宽度的线性，其积分线性约为1.5％。关于宠物设备，他负责与慕尼黑技术研究院联合项目的集成电路部分。该集成电路使用本研究中注意到的基于时间宽度的信号处理电路，并且设计和制造具有48个具有48个时间宽度信号处理渠道的ASIC。该检测器是使用下一代光电探测器称为SIPM的PET设备，为了利用SIPM的信号强度和高速，在电流型信号处理系统中实现了时间宽度处理方法（TOT方法），而不是常规的电压型信号处理系统。尽管可以使用简单的电路结构实现TOT方法，但与DTOT方法相比，相对于输入信号的输出信号的时间宽度很差，但是TOT方法足够了，因为可以看到511Kev对的511Kev对nihihihihitation nihihihation gamma gamma ray peak。由于使用此ASIC测量SIPM检测器，我们能够确认F18的511kev的峰值，并确认550PS的时间分辨率的性能。这使我们更接近PET的发展，这是一种多光谱镜检查，允许与没有ADC的多像素并行获得光谱信息，同时利用位置分辨率。