[논문 리뷰] Evaluation Of The PETsys TOFPET2 ASIC In Multi-Channel Coincidence Experiments

Vanessa Nadig, David Schug외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 19.

Radiation Detection and Scintillator Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 시간 도래 PET 응용 분야를 위한 PETsys TOFPET2 ASIC의 성능을 평가하며, 다양한 SiPM 유형과 심열체 구성에서의 성능을 시험한다. Broadcom SiPM을 사용할 경우 최소 216.1 ps, Hamamatsu SiPM을 사용할 경우 최소 219.9 ps의 공진해상도시간(CRT)을 달성하여, 차세대 ToF-PET/MRI 시스템에 적합한 안정적이고 다중 채널 읽기 기능을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시간 도래 PET 시스템을 위한 다중 채널 공진 측정에서 TOFPET2 ASIC의 성능을 평가하기 위해.
• 디크리미네이터 임계값, 통합기 이득, 트리거 지연 등 ASIC 설정 파rameter가 공진해상도시간(CRT)과 에너지 해상도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 SiPM 유형(KETEK, SensL, Hamamatsu, Broadcom)과 심열체 정점 구성에서 ASIC의 호환성 및 성능을 테스트하기 위해.
• 벤치탑 설정에서 200 ps 이하의 CRT를 달성할 수 있는지 가능성 여부를 확인하기 위해.
• 다크 카운트 억제 및 데이터 레이트가 시스템 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• PETsys Electronics S.A.의 TOFPET2 ASIC 평가 키트를 사용하여 다중 채널 공진 측정을 수행하였다.
• 다양한 반사체 설계 및 구성 방식을 가진 심열체 어레이와 함께 네 가지 SiPM 유형(KETEK, SensL, Hamamatsu, Broadcom)을 테스트하였다.
• 벤치탑 설정에서 22Na 원천을 사용하여 원천-검출기 거리 조절을 통해 데이터 레이트를 제어하면서 공진해상도시간(CRT)과 에너지 해상도를 측정하였다.
• 디크리미네이터 임계값(vth_t1), 다크 카운트 억제 기법에서의 트리거 지연 길이, 통합기 이득과 같은 핵심 ASIC 설정 파rameter를 다양하게 조정하였다.
• 시간-디지털 변환기(TDC) 및 전하-디지털 변환기(QDC) 모드에서 데이터를 확보하여 타이밍 및 에너지 성능을 평가하였다.
• 위성 피크 및 레이트 의존적 성능 영향을 분석하기 위해 시간 차이 스펙트럼을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 SiPM 유형과 심열체 구성에서 TOFPET2 ASIC이 달성할 수 있는 최소 공진해상도시간(CRT)은 얼마인가?
• RQ2 디크리미네이터 임계값, 트리거 지연, 통합기 이득 등의 ASIC 설정 파rameter가 CRT와 에너지 해상도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 다크 카운트 억제 기법의 트리거 지연 길이가 타이밍 성능에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ4 통합기 이득을 조절하여 에너지 해상도를 향상시킬 수 있는가? 이 경우 에너지 스펙트럼의 선형성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 데이터 레이트(원천 거리)가 ASIC의 타이밍 또는 에너지 해상도 성능에 영향을 미치는가?

주요 결과

• TOFPET2 ASIC는 두 개의 Broadcom AFBR-S4N44P643S SiPM 어레이(32채널, 에너지 해상도 9.46%)와 조합하여 공진해상도시간(CRT) 216.1 ps를 달성하였다.
• 두 개의 Hamamatsu S14161-3050-HS-08 SiPM 어레이(128채널, 에너지 해상도 13.08%)와 조합하여 CRT 219.9 ps를 달성하였다.
• 디크리미네이터 임계값(vth_t1)을 40–50으로 증가시키면 CRT와 에너지 해상도가 모두 향상되어 최적의 임계값 설정이 존재함을 시사하였다.
• 다크 카운트 억제 기법에서 트리거 지연 길이가 성능에 상당한 영향을 미치며, 이를 조정하여 CRT를 추가로 향상시킬 수 있었다.
• 통합기 이득 조정으로 에너지 해상도를 최대 1% 이상 향상시킬 수 있었지만, 에너지 스펙트럼의 선형성은 약간 저하되었다.
• 다중 채널 시간 차이 스펙트럼에서 위성 피크가 관찰되어 고채널 구성에서의 교차 채널 간섭 또는 신호 형상화 효과가 존재할 수 있음을 시사하였다.