Highly integrated time-based data acquisition system using FPGA for PET scanners

Abstract

Positron emission tomography (PET) is a widely used functional imaging device for diagnosing cancer and neurodegenerative diseases. PET instrumentation studies focus on improving both spatial resolution and sensitivity to improve the lesion detectability while reducing radiation exposure to patients. The silicon photomultiplier (SiPM) is a photosensor suitable for high-performance PET scanners owing to its compact size and fast response. However, the SiPM-based PET scanners require a large number of readout channels owing to a high level of granularity. For example, the typical whole-body PET scanners require more than 40,000 SiPM channels. Therefore, the highly integrated data acquisition (DAQ) system that can digitize a large number of SiPM signal with preserving its fast temporal response is required to develop the high-performance SiPM-based PET scanners. Time-based signal digitization is a promising method to develop highly integrated DAQ systems owing to its simple circuitry and fast temporal response. In this thesis, studies on developing highly integrated DAQ systems using a field-programmable gate array (FPGA) were presented. Firstly, a 10-ps time-to-digital converter (TDC) implemented within the FPGA was developed. The FPGA-TDCs suffer from the non-linearity, because FPGAs are not originally designed to implement TDC. We proposed the dual-phase sampling architecture considering the FPGA clock distribution network to mitigate the TDC non-linearity. In addition, we developed the on-the-fly calibrator that compensated the innate bin width variations without introducing the dead time. Secondly, the time-based SiPM multiplexing and readout method was developed using the principle of the global positioning system (GPS). The signal traces connecting every SiPM to four timing channels were used to encode the position information. The position information was obtained using the innate transit time differences measured by four FPGA-TDCs. In addition, the minimal signal distortion by multiplexing circuit allowed to use a time-over-threshold (ToT) method for energy measurement after multiplexing. Thirdly, we proposed a new FPGA-only digitizer. The programmable FPGA input/output (I/O) port was configured with stub-series terminated logic (SSTL) input receiver, and each FPGA I/O port functioned as a high-performance voltage comparator with a fast temporal response. We demonstrated that the FPGA can be used as a high-performance DAQ system by directly digitizing the time-of-flight (TOF) PET detector signals using the FPGA without any front-end electronics. Lastly, we developed comparator-less charge-to-time converter (QTC) DAQ systems to collect data from a prototype high-resolution brain PET scanner. The energy channel consisted of a QTC combined with the SSTL input receiver of the FPGA. The timing channel was a TDC implemented within the same FPGA. The detailed structure of brain phantom was well-resolved using the developed high-resolution brain PET scanner and the highly-integrated time-based DAQ systems.

양전자방출단층촬영 (Positron Emission Tomography; PET) 장치는 암과 신경퇴행성 질환을 영상화하는 데 널리 쓰이는 기능 영상장치이다. 최근 PET 스캐너 연구는 공간 분해능과 장비 민감도를 높여 병변의 진단을 쉽게 하면서 환자의 방사선 피폭을 줄이는 방법에 초점을 맞추고 있다. 실리콘 관증배기 (silicon photomultiplier; SiPM)은 크기가 작고 반응속도가 빠르기 때문에 고성능 PET 스캐너에 적합한 광검출소자이다. 하지만 SiPM 기반 PET 스캐너는 개별 SiPM의 크기가 작기 때문에 수많은 데이터 수집 채널이 필요하다. 예를 들어, 전신 PET 스캐너를 SiPM으로 구성할 경우 40,000개 이상의 SiPM 소자가 필요하다. 따라서, SiPM의 성능을 유지하면서 다채널 신호 디지털화가 가능한 고집적 데이터 수집장치 (data acquisition; DAQ)가 고성능 SiPM PET 스캐너 개발에 필요하다. 시간 기반 신호 디지털 방법은 단순한 회로와 빠른 반응속도 덕분에 고집적 DAQ 시스템을 구현하는 유망한 방법이다. 본 학위논문에서는 프로그램 가능 게이트 배열 (field-programmable gate array; FPGA)을 이용하여 고집적 DAQ 시스템을 개발하는 연구내용을 다룬다. 첫째로, 10 ps 의 분해능을 갖는 FPGA 기반 시간-디지털 변환기 (time-to-digital converter; TDC)를 개발하였다. FPGA는 TDC 구현을 위한 집적소자가 아니므로 FPGA에 구현된 TDC는 일반적으로 비선형성 문제를 가진다. 이를 해결하기 위해 비선형성 문제를 야기하는 FPGA의 클락 신호 분배 구조를 고려하여 이중 위상 샘플링 방법을 제안하였다. 또한, FPGA TDC 고유의 불균일한 분해능을 측정하고 보상하기 위하여 실시간 보정기술을 개발하였다. 둘째로, GPS 원리를 사용한 시간 기반 신호 부호화 (multiplexing) 및 수집 방법을 개발하였다. 부호화 회로는 SiPM을 네 개의 시간 수집 채널로 연결한 도선으로 구성되고 위치정보는 각 SiPM으로부터 네 개의 시간 수집 채널까지의 고유한 도파시간 차이를 계산해서 수집할 수 있다. 또한, 기존 전하 분배 부호화 회로와 달리 신호가 왜곡되지 않기 때문에 문턱 전압 방법 (time-over-threshold; ToT) 방식으로 에너지를 수집하는 것이 가능하였다. 셋째로, FPGA만으로 아날로그 신호를 디지털화 하는 새로운 방법을 개발하였다. FPGA의 프로그램 가능 입출력포트를 stub-series terminated logic (SSTL) 수신기로 프로그램하면, 각각의 FPGA 입출력포트가 빠른 시간 반응성을 가진 고성능 전압비교기로 동작한다. 비정시간 (time-of-flight; TOF) 측정 가능 PET 검출기의 신호를 전단회로 없이 FPGA만으로 디지털화하여 FPGA를 고성능 DAQ 장치로 사용할 수 있음을 입증하였다. 마지막으로, 공간분해능이 뛰어난 뇌전용 스캐너로부터 데이터를 수집하기 위해 전압비교기를 사용하지 않는 시간 기반 DAQ 장치를 개발하였다. 에너지 측정 채널은 시간-전하 변환기 (charge-to-time converter; QTC)와 FPGA의 SSTL 수신기로 구성하였다. 시각 측정 채널은 FPGA 기반 TDC로 구성하였다. 개발한 뇌전용 스캐너와 고집적 시간 기반 DAQ 장치로 획득한 뇌모양 팬텀의 자세한 구조들은 잘 구분되었다.