ASIC 기반의 콤팩트 PET 검출기 개발 및 평가
Design and performance evaluation of the compact PET detector based on ASIC
- 주제(키워드) 도움말 ASIC , 콤팩트 PET 검출기 , PET 시스템 개발 , 실리콘 광증배관 , 저전력 , ASIC , Compact PET detector , PET system development , Silicon photomultiplier , Low power
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 최용
- 발행년도 2016
- 학위수여년월 2016. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000058766
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
고성능 PET (Positron emission tomography)의 성능 개선을 위해 공간분해능, 검출한 감마선에 대한 에너지분해능, 시간분해능을 향상시키려는 노력이 지속되어 왔다. 특히 최근 등장한 PET 전용 반도체센서 SiPM (Silicon photomultiplier)은 낮은 동작 전압 특성 및 MRI (Magnetic resonance imaging) 기기와의 호환성을 가지면서 빠른 응답 속도를 보여주어 PET 성능개선뿐만 아니라 융합영상기기로의 발전에 대한 가능성을 제시해주었다. SiPM은 많은 출력 채널 수를 가지며, 출력 신호의 크기가 작으므로 이를 고려한 복잡한 신호처리회로의 구성을 필요로 한다. 따라서 본 연구의 목적은 SiPM바탕의 검출기 모듈 출력 신호처리를 위한 일련의 회로를 설계하고, 일부구조에 ASIC (Application specific integrated circuit) 기술을 적용하여 개별 소자를 이용한 시스템보다 부피 및 전력 소모 측면에서 개선을 이루는 것이다. 센서 모듈의 출력 신호 중 인접한 신호선끼리는 그라운드 층을 중심으로 지그재그형으로 서로 다른 층에 배치하여 간섭이 일어나지 않도록 한 뒤 저항 기반의 멀티플렉싱 회로, DPC (Discretized Positioning Circuit)로 입력시킨다. DPC의 4채널 출력은 각각 4 bit로 증폭률을 조절할 수 있는 전치증폭기 회로를 거쳐 PDH (Peak detect hold) 회로와 비교기로 입력 된다. PDH회로의 출력은 에너지 정보를 가지고 있으며 ADC를 거쳐 디지털 값으로 변환된다. 비교기의 출력 신호는 FPGA 기반의 TDC (Time to digital converter)에서 출력 도착 시간을 알아내는 데 쓰인다. 제작한 시스템의 성능평가를 위해 LYSO (Lutetium Yttrium Orthosilicate) 섬광결정을 SiPM에 결합하여 PET 센서 모듈을 구성하였다. 첫번째로 검출기 한 쌍의 단일픽셀 출력을 바탕으로 단일 채널 ASIC과 FPGA 기반의 TDC를 이용해 시간분해능, 에너지분해능, 소모전력을 평가하였다. 그 후 4 x 4 배열형 LYSO를 SiPM에 결합한 센서모듈, 4 x 4 DPC, 4채널 ASIC을 이용해 확장된 회로를 구성하고, 회로의 4개의 출력신호를 바탕으로 감마선 검출위치 판별 및 에너지분해능을 평가하였다. 단일 채널 ASIC과 FPGA 기반의 TDC를 이용하여 개발한 PET 검출기를 평가한 결과, 평균 에너지분해능은 19.1%였으며, 시간분해능은 3.02 ns FWHM, 전력소모는 채널당 3.3 mW로 측정되었다. 4 x 4 배열형 LYSO와 SiPM 기반의 센서 모듈에 대해서는 감마선 검출 위치 및 검출기 내 16개의 픽셀 위치 구분이 이루어졌으며, 평균 에너지분해능은 27.55%로 측정되었다. 총 4개의 4 x 4 배열형 LYSO와 SiPM을 이용해 64 채널로 확장된 센서 모듈에 대해서도 전체 픽셀 구분이 가능하였다. 평가 결과들을 바탕으로, 개발 한 ASIC 기반의 콤팩트 PET 검출기는 추후 PET 시스템 개발에 유용하게 적용 될 것으로 판단된다.
more초록/요약
High performance positron emission tomography (PET) systems seek better spatial resolution, energy resolution and timing resolution of detected gamma ray to improve their performance. Especially, recently developed silicon photomultipliers (SiPM) having low operation voltage, compatibility with magnetic resonance imaging (MRI), and fast response time have shown possibility of improvement of PET performance and development of fused molecular system. The complex signal processing circuit is needed due to many output channels and small output signals of SiPM sensor. So, the purpose of this study is to design a series of circuits for processing output signals of detector modules and to apply application specific integrated circuit (ASIC) technology partially to the circuits. As a consequence, developed system could have improvement in their size and power consumption. Adjacent connection lines between sensor output and resistor based discretized positioning circuit (DPC) arranged in different layers formed a zig-zag pattern across a ground layer to prevent cross-talk. 4 channel outputs of DPC were amplified through preamplifier performing 4 bit gain control, and then transferred to peak detect hold (PDH) stage and comparator stage. The PDH output containing energy information was converted by ADC. And the comparator output was used to acquire information of signal arrival time at time-to-digital converter (TDC) based on FPGA. PET sensor module was composed of Lutetium Yttrium Orthosilicate (LYSO) crystal and SiPM to evaluate performance of developed system. First, based on single pixels, time and energy resolutions and power consumption of a pair of detector were obtained using single channel ASIC and FPGA based TDC. Then using 4 × 4 array of LYSO and 4 × 4 array of SiPM, localization of gamma ray interaction position and energy resolutions were estimated with 4 channel ASIC based expanded circuit. The acquired average energy resolution was 19.1% and timing resolution was 3.02 ns FWHM. And the estimated value of power consumption on each channel was 3.3 mW. 16 pixel locations of sensor module with 4 × 4 array of LYSO and SiPM were exactly distinguished. And the measured average energy resolution was 27.55%. Also, with expanded sensor module based on four 4 × 4 array of LYSO crystals and SiPM sensors, all 64 pixels were distinguished. Based on results of this study, we conclude that the developed ASIC based compact PET detector would be useful for the PET system development.
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