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。

今年计划使用实际设计的 ASIC 进行测量并开发 PET 设备。在 ASIC 的开发过程中，出现了一个设计错误，导致 ASIC 无法工作。在检查了该故障并找出原因后，我们利用结果开发了一个动态阈值，这是本研究的核心。用于实现 dToT 方法的多通道辐射信号处理的新型 ASIC。在本次设计过程中，我们采用了独特开发的基于Look-Up-Table的设计方法，进一步优化噪声（探测器电容为40 pF，430个电子）并降低功耗（1ch消耗功率输出约为2mW）。因此，我们能够设计出具有更高性能的 ASIC。该设计还考虑了由于 CMOS 集成电路不可避免的变化而导致的性能波动。在输入电荷量与输出时间宽度的线性度评估中，考虑到变化，我们能够在模拟中确认优异的线性度，积分线性度约为1.5%。关于PET设备，我负责与慕尼黑工业大学合作项目的集成电路部分。该集成电路采用了我们本次研究重点的基于时宽的信号处理电路，设计并制作了具有48通道时宽信号处理的ASIC。该PET设备使用称为SiPM的下一代光电探测器作为探测器，并且为了利用SiPM的高信号强度和高速度，它使用基于电流的信号处理系统而不是传统的基于电压的信号处理系统我们实现了时间宽度处理方法（ToT方法）。虽然ToT方法可以用简单的电路结构来实现，但是其缺点是与dToT方法相比，输出信号的时间宽度相对于输入信号的线性度较差。ToT方法足以用于此目的。。通过使用带有 SiPM 检测器的 ASIC 进行测量实验，我们能够确认 F18 的 511keV 峰值，并且确认其性能具有 550 ps 的时间分辨率。这使我们距离 PET 的开发又近了一步，PET 是一种多光谱系统，利用位置分辨率并使用多个像素并行获取光谱信息，无需 ADC。