Design and Development of SyMPET: System on chip Modular readout for high-resolution TOF-PET

SyMPET 的设计和开发:用于高分辨率 TOF-PET 的片上系统模块化读出

基本信息

  • 批准号:
    10385669
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 26.3万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-09-30 至 2023-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY Nalu Scientific LLC (NSL) proposes to develop and optimize the design of a SiPM-based, low-power, high channel density, waveform-digitizing readout microchip for TOF-PET that will increase image quality and provide more accurate and precise quantization for PET brain imaging, with the potential to significantly improve early diagnosis of neurodegenerative disease while also allowing greater flexibility in the development of personalized patient imaging strategies. NSL’s patented waveform-digitizing “System on Chip” readout ASIC technology has the potential to substantially improve TOF-PET imaging from its current state. During Phase I, we will build on the prior experience and knowledge we have gained using NSL’s technology in developing state-of-the-art high energy and nuclear physics detectors to substantially improve PET imaging readout systems through increased SNR, image contrast and quality, reduced exposure times/dose, and reduced system cost to drive broad acceptance. These improvements will initially focus on brain PET imaging but can be expanded to whole-body systems. We will leverage NSL’s existing portfolio of low-power, low-cost WFD ASIC designs, already proven to work in large particle physics detectors, to implement a PET-specific WFD ASIC optimized for brain PET scanners but equally applicable to whole-body. We will initially develop detailed analytic modeling of light production and transport in scintillating crystals, along with realistic Monte Carlo simulations of sensor and readout electronics in order to derive baseline technical specifications for both a fully optimized TOF-PET WFD readout chip as well as a “bare-bones” implementation substantially based on circuit design elements derived from one or more existing NSL chip designs. NSL’s “System on Chip” WFD architecture, with fully random accessible analog storage, input triggering, and on-chip control capability, allows for a number of highly effective mechanisms to cope with design issues such as e.g., throughput, speed, and buffer length, will be crucial to optimize in the technical specification of a WFC ASIC which meets performance goals while simultaneously fulfilling the stringent constraints on physical and other characteristics such as size, weight, power, and cost that will be required in any realistic TOF-PET system. We will collaborate with Dr. Hamid Sabet (Harvard) to define a realistic full signal chain + readout model and subsequently evaluate its results to generate ASIC technical specifications and architectural design for a substantially improved WFD readout ASIC for TOF-PET systems relative to the current state of the art.
项目概要 Nalu Scientific LLC (NSL) 提议开发和优化基于 SiPM 的设计, 用于 TOF-PET 的低功耗、高通道密度、波形数字化读出微芯片 提高图像质量并为 PET 大脑提供更准确和精确的量化 成像,有可能显着改善神经退行性疾病的早期诊断 同时还为个性化患者成像的开发提供了更大的灵活性 NSL 的专利波形数字化“片上系统”读出 ASIC 技术已获得专利。 在第一阶段期间,TOF-PET 成像有显着改善的潜力, 我们将利用之前使用 NSL 技术获得的经验和知识, 开发最先进的高能和核物理探测器,以大幅提高 PET 成像读出系统通过提高 SNR、图像对比度和质量、降低 曝光时间/剂量,并降低系统成本以推动广泛接受。 改进最初将集中于大脑 PET 成像,但可以扩展到全身 我们将利用 NSL 现有的低功耗、低成本 WFD ASIC 设计组合, 已被证明可用于大粒子物理探测器,以实现 PET 特定的 WFD ASIC 针对大脑 PET 扫描仪进行了优化,但同样适用于最初的全身。 开发闪烁晶体中光产生和传输的详细分析模型, 对传感器和读出电子设备进行真实的蒙特卡罗模拟,以便得出 完全优化的 TOF-PET WFD 读出芯片的基准技术规格 作为一个“基本”实现,基本上基于源自以下的电路设计元素 一种或多种现有的 NSL 芯片设计,具有完全的 NSL“片上系统”WFD 架构。 随机访问模拟存储、输入触发和片上控制功能,允许 许多高效的机制来处理设计问题,例如吞吐量, 速度和缓冲区长度对于优化 WFC ASIC 的技术规范至关重要 它满足性能目标,同时满足严格的约束 物理和其他特性,例如尺寸、重量、功率和成本 我们将与 Hamid Sabet 博士(哈佛大学)合作定义一个任何现实的 TOF-PET 系统。 真实的完整信号链+读出模型,随后评估其结果以生成 ASIC 技术规范和架构设计可大幅改进 WFD 读出 相对于当前技术水平的 TOF-PET 系统 ASIC。

项目成果

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