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

• 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

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。

Project で は は this year, the event be に design を し た ASIC を with い た determination お よ び に PET device の open 発 を line う designated で あ っ た. ASIC の open 発 に masato し て は, design に masato し て ミ ス が あ り ASIC が action し な い と い う things に 陥 っ た が, こ の を investigation し failure reason を tu き check め た う え で, そ の results を も と に し て の to this study で あ る dynamic threshold numerical method (dToT method) を be loaded し た new た な マ ル チ チ ャ ネ ル 処 reason: AS in radiation signal IC を operates った. こ の design の interstate に は, alone に 発 し た Look - Up - Table ベ ー ス の design method を い, さ ら な る ノ イ ズ に masato す る optimization (検 capacity of extractor が 40 pf で 430 electronic) line を う と と も に, low power consumption (1 ch の consumption power は about 2 mw) も be presently し て い る. Youdaoplaceholder0 そ results, さらなる high-performance なASIC <s:1> design を implementation of を た. ま た, バ ラ つ き が cannot avoid で あ る CMOS set integrated circuit の そ の バ ラ つ き に よ る performance の ブ レ を も consider に い れ た line design も っ た. バ ラ つ き を consider に い れ た charge - into force output time の linear sex picture review 価 で は integral linearity で about 1.5% と optimal れ た linear sex を シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に お い て confirm を す る こ と が で き た. PET device に masato し て は, ミ ュ ン ヘ ン engineering university と の common プ ロ ジ ェ ク ト の set integrated circuit part を bear し た. こ の set integrated circuit に は this study に お い て attention し た time picture ベ ー ス の signal circuit を adopts し 処 and そ の time picture signal 処 を 48 チ ャ ネ ル hold を つ ASIC design, production of し た. 検 extractor に は SiPM と い う next generation optical 検 extractor を with い た PET device で あ り, そ の SiPM の signal strength の big き さ と recommend suite を live か す た め に 従 to の 処 manage type electric 圧 の signal で は な く current-mode の signal 処 principle of time に 処 logos (ToT) を be loaded し た. ToT method は, 単 pure で な loop structure may be presently で は あ る が と dToT method than べ る と signal into force に す seaborne る picture の linear output signal の time sex が 悪 い と い う points less を hold つ が, PET device に お い て は 511 kev の eliminate seaborne ガ ン マ line ピ ー ク が see え れ ば よ い た め に ToT method で very で あ る. こ の ASIC で SiPM 検 extractor の determination be 験 を し た results, f-18s の 511 kev の ピ ー ク を confirm す る こ と が で き, か つ time can decompose は 550 ps と い う performance を confirm す る こ と が で き た. こ れ に よ り, location can decompose を live か し つ つ も ス ペ ク ト ル intelligence を マ ル チ ピ ク セ ル で ADC な し に パ ラ レ ル で have ら れ る マ ル チ ス ペ ク ト ロ ス コ ピ ー で あ る PET の open 発 に one step close づ け た.