[論文レビュー] Evaluation Of The PETsys TOFPET2 ASIC In Multi-Channel Coincidence Experiments

Vanessa Nadig, David Schug+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2019

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、時間飛行PET（ToF-PET）用途向けにPETsysのTOFPET2 ASICの性能を評価し、複数のSiPMタイプおよびシンチレーター構成でのテストを実施した。広帯域SiPMを用いた場合、216.1 psの一致時間分解能（CRT）を達成し、パルス幅が広がるハマムツ・SiPMでは219.9 psを記録した。これにより、次世代のToF-PET/MRIシステムに適した安定的かつマルチチャネルの読み出し性能が実証された。

ABSTRACT

Aiming to measure the difference in arrival times of two coincident gamma-photons with an accuracy in the order of 200 ps, time-of-flight positron emission tomography systems commonly employ silicon photomultipliers (SiPMs) and high-resolution digitization electronics, application specific integrated circuits (ASICs). This work evaluates the performance of the TOFPET2 ASIC, released by PETsys Electronics S.A. in 2017, dependent on its configuration parameters in multi-channel coincidence measurements. SiPM arrays fabricated by different vendors (KETEK, SensL, Hamamatsu, Broadcom) were tested in combination with the ASIC. Scintillator arrays featuring different reflector designs and different configurations of the TOFPET2 ASIC software parameters were evaluated. The benchtop setup used is provided with the TOFPET2 ASIC evaluation kit by PETsys Electronics S.A.. Compared to existing studies featuring the TOFPET2 ASIC, multi-channel performance results dependent on a larger set of ASIC configuration parameters were obtained that have not been reported to this extend so far. The ASIC shows promising CRTs down to 219.9 ps in combination with two Hamamatsu S14161-3050-HS-08 SiPM arrays (128 channels read out, energy resolution 13.08 %) and 216.1 ps in combination with two Broadcom AFBR-S4N44P643S SiPM arrays (32 channels read out, energy resolution 9.46 %). The length of the trigger delay of the dark count suppression scheme has an impact on the ASIC performance. The integrator gain configuration has been investigated and allows an improvement of the energy resolution. Measuring up to the time-of-flight performance of state-of-the-art positron emission tomography (ToF-PET) systems while providing a uniform and stable readout for multiple channels at the same time, the TOFPET2 ASIC is treated as promising candidate for the integration in future ToF-PET systems.

研究の動機と目的

• 時間飛行PETシステム向けに、TOFPET2 ASICのマルチチャネル一致測定における性能を評価すること。
• ディクリシネータ閾値、統合器ゲイン、トリガ遅延といったASIC設定パrameterが、一致時間分解能（CRT）およびエネルギー分解能に与える影響を評価すること。
• KETEK、SensL、ハマムツ、Broadcomなど複数のSiPMタイプおよびシンチレーター構成との相互運用性と性能をテストすること。
• ベンチトップ設定下で、200 ps未満のCRTを達成可能かどうかを検証し、安定的かつ一様なマルチチャネル読み出しを維持できるかを確認すること。
• ダークカウント抑制とデータレートがシステム性能に与える影響を調査すること。

提案手法

• PETsysエレクトロニクスS.A.が提供するTOFPET2 ASIC評価キットを用いて、マルチチャネル一致測定を実施した。
• 反射材の設計や構成が異なるシンチレーター・アレイと組み合わせ、4種類のSiPM（KETEK、SensL、ハマムツ、Broadcom）をテストした。
• 22Na放射線源を用いたベンチトップ設定で、源-検出器距離を変化させることでデータレートを制御し、一致時間分解能（CRT）およびエネルギー分解能を測定した。
• ディクリシネータ閾値（vth_t1）、ダークカウント抑制スキームにおけるトリガ遅延長、統合器ゲインといった主要なASIC設定パrameterを変化させた。
• 時間分解能とエネルギー分解能の両方を評価するため、時間デジタイザ（TDC）モードおよび電荷デジタイザ（QDC）モードでデータ取得を実施した。
• スパイクピークの時間差スペクトルとレート依存の性能変化を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるSiPMタイプおよびシンチレーター構成において、TOFPET2 ASICが達成可能な最小の一致時間分解能（CRT）はどの程度か？
• RQ2 ディクリシネータ閾値、トリガ遅延、統合器ゲインといったASIC設定パrameterが、CRTおよびエネルギー分解能に与える影響はいかほどか？
• RQ3 ダークカウント抑制スキームにおけるトリガ遅延長が、時間分解能に与える影響はどの程度か？
• RQ4 統合器ゲインを調整することで、エネルギー分解能を向上させられるか。ただし、エネルギースペクトルの線形性が低下する可能性がある。
• RQ5 データレート（源の距離）が、ASICの時間分解能またはエネルギー分解能に影響を与えるか？

主な発見

• TOFPET2 ASICは、2つのBroadcom AFBR-S4N44P643S SiPMアレイ（32チャネル、エネルギー分解能9.46%）を組み合わせることで、216.1 psの一致時間分解能（CRT）を達成した。
• 2つのハマムツ S14161-3050-HS-08 SiPMアレイ（128チャネル、エネルギー分解能13.08%）を用いた場合、CRTは219.9 psであった。
• ディクリシネータ閾値（vth_t1）を40–50に引き上げることで、CRTおよびエネルギー分解能が向上した。これは最適な閾値設定が存在することを示している。
• ダークカウント抑制スキームにおけるトリガ遅延長が性能に顕著な影響を与え、さらにCRTを改善できるように調整可能であることが判明した。
• 統合器ゲインの調整により、エネルギー分解能が最大1%（絶対値）向上したが、エネルギースペクトルの線形性がわずかに低下した。
• 高チャネル数構成において、マルチチャネル時間差スペクトルにスパイクピークが観測された。これは、クロストークまたは信号整形効果の可能性を示唆している。