Conception et implémentation d'un convertisseur temps numérique dans un ASIC en technologie CMOS 0,18 ?m, appliqué à la tomographie d'émission par positrons

L'imagerie moléculaire est un domaine permettant d'observer et d'analyser in vivo le fonctionnement cellulaire et tissulaire. Elle permet une meilleure compréhension des bioprocessus et par ricochet, le diagnostic, le traitement et le suivi de plusieurs maladies telles que les maladies neurologiques, cardiovasculaires ou les tumeurs cancéreuses. Le LabPET[indice supérieurTM] II, un scanner d'imagerie médicale TEP en développement au sein du Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS), vise à atteindre une résolution spatiale submillimétrique. Ceci demande une densité de détecteurs de l'ordre de 37 000, répartis sur un anneau de 15 cm de diamètre par 12 cm de longueur axiale. Le but ultime est de pouvoir jumeler la tomodensitométrie (TDM) durant la même séance, et de combiner ainsi les informations métaboliques et les informations anatomiques tout en assurant une réduction par un facteur 1,5 à 5 la dose de rayon X par rapport aux doses actuelles en TDM. Ce défi est réparti sur plusieurs axes, parmi lesquels se trouve la chaîne de détection frontale analogique. Un circuit intégré (ASIC) a été développé pour atteindre les performances attendues en TEP et initier des travaux en TDM par comptage de photons individuels. La conception se base sur l'approche de mesures au-dessus d'un seuil (Time Over Threshold (TOT)). Ce choix impose un soin particulier au niveau de l'extraction de l'information temporelle des événements détectés. Ainsi, un convertisseur temps numérique a été conçu à partir d'une boucle à verrouillage de délai (DLL). Le convertisseur comporte deux composantes dont un compteur grossier synchronisé sur l'horloge de référence de 100 MHz (10 ns) et un autre compteur d'une résolution de 312.5 ps

Conception d’une unité de traitement des données TDM en technologie TSMC CMOS 0,18 μm pour un scanner bimodal TEP/TDM

Depuis 2005, le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS) et le Centre d’Imagerie Moléculaire de Sherbrooke (CIMS) travaillent sur la conception des scanners TEP (Tomographie d’Émission par Positrons) dont deux versions ont été commercialisées. Ces scanners reposent sur des photodiodes à avalanche et utilisent un traitement numérique des signaux, en temps réel. Aujourd’hui des recherches sont menées pour combiner les deux modes la TEP et la Tomodensitométrie (TDM) dans une même chaîne électronique et atteindre une résolution spatiale submillimétrique. Ainsi, un nouveau module de détection, le LabPET II, a été conçu afin d’atteindre les performances souhaitées. Ce scanner vise à réaliser, avec le même module, la détection des acquisitions des rayons X en mode TDM et des rayons d’annihilation en mode TEP. L’électronique utilisée pour traiter les événements TEP serait optimisée pour compter les rayons X. Cependant, des recherches ont montré qu’on peut réduire la dose d’exposition aux rayons X en mode TDM par rapport aux doses actuelles en utilisant une méthode de comptage de photons avec mesure spectroscopique. Ce projet de recherche s’insère dans cette optique et a pour objectif principal d’insérer une unité de traitement numérique des événements TDM en temps réel et conçue en technologie TSMC CMOS 0,18 μm, permettant d’appliquer la méthode de mesure d’énergie individuelle des photons. La solution proposée doit être réalisable avec une faible consommation et un faible bruit électronique tout en respectant l’espace restant dans l’ASIC et la bande passante des liens de communication. Ainsi, des circuits numériques et à signaux mixtes ont été ajoutés pour répondre aux exigences du projet. Cependant, en raison des problèmes découverts au niveau du canal analogique lors des tests effectués, cette version de l’ASIC n’a pas pu être envoyée en fabrication

Identification de cristaux dans un phoswich par la méthode de mesure de temps au dessus d'un seuil (ToT) pour le scanner LabPET II

La performance d’un scanner TEP se mesure par sa sensibilité, son contraste et sa résolution spatiale. Cette dernière doit être idéalement uniforme dans tout le champ de vue utile (CDV) du scanner. Cependant, le problème de parallaxe dû à l’éloignement de la source du centre de CDV, entraîne une dégradation de la résolution spatiale radiale. Ce problème est très présent dans les scanners avec une grande densité de détecteurs et de petit diamètre notamment dans le LabPET II, le scanner en cours de développement à l’Université de Sherbrooke par le Groupe de recherche en appareillage médicale de Sherbrooke (GRAMS) et le Centre d’imagerie moléculaire de Sherbrooke (CIMS), avec [tilde]37 000 détecteurs pour un CDV de 16 cm de diamètre et 12 cm de longueur axiale. Chaque détecteur a une surface de 1,2[indice supérieur *] 1,2 mm[indice supérieur 2] et une longueur supérieure à 10 mm. La mesure de profondeur d’interaction (PDI) demeure très utile pour résoudre le problème de parallaxe. La PDI peut être réalisée par l’assemblage de deux cristaux en phoswich, tout en gardant la même longueur totale pour assurer une bonne efficacité de détection, et puis, le cristal dans lequel une interaction est faite sera déterminé à l’aide d’algorithme d’identification de cristaux. Pour le traitement des signaux issus des modules de détection, un ASIC de 64 canaux a été développé. L’ASIC utilise une nouvelle technique de mesure de temps à doubles seuils inspirée de la technique de mesure de temps au-dessus d’un seuil (ToT). Cette technique repose sur l’utilisation de deux discriminateurs à seuil afin de déterminer le temps d’arrivée du photon d’annihilation et son énergie. Le temps d’arrivée est estimé par le moment de discrimination du signal avec le premier discriminateur. Tandis que l’énergie du signal est calculée par la différence des moments de discrimination du signal avec le premier et le deuxième discriminateur. Cette différence de temps est non linéaire en fonction de l’énergie. Donc une correction d’énergie est faite pour déterminer le spectre d’énergie. Les seuils des discriminateurs sont méticuleusement choisis afin de minimiser l’erreur sur les temps de croisement. Cette méthode de ToT à doubles seuils est une technique innovatrice pour identifier les cristaux qui ont scintillés [i.e. scintillé] dans un scanner TEP. Avec une erreur inférieure à 5%, cette technique discrimine entre un LGS045ns et un LYSO40ns. Malgré le taux d’erreur élevé comparé à d’autres méthodes d’identification, cette technique possède l’avantage d’être facilement intégrable dans l’ASIC du LabPET II

Conception d'un capteur de température, d'un récepteur LVSD et d'un générateur de charge en technologie CMOS 0,18 um pour un scanner TEP/TDM

La recherche en imagerie moléculaire repose beaucoup sur les performances en tomographie d'émission par positrons (TEP). Les avancées technologiques en électronique ont permis d'améliorer la qualité de l'image fournie par les scanners TEP et d'en augmenter le champ d'application. Le scanner LabPET II, en développement à l'Université de Sherbrooke, permettra d'atteindre des résolutions spatiales inégalées.La conception de ce scanner requiert une très grande densité de détecteurs de l'ordre de 39 000 sur un anneau de 15 cm de diamètre par 12 cm de longueur axiale. D'autre part, l'Université de Sherbrooke mène également des travaux en tomodensitométrie (TDM) par comptage de photons individuels. Ces travaux s'insèrent dans un programme de recherche menant à réduire par un facteur 1,5 à 10 la dose de rayon X par rapport aux doses actuelles en TDM. Un circuit intégré (ASIC) a été développé pour supporter les performances attendues en TEP et en TDM. Cependant, la très grande densité de canaux rend inadéquate la vérification externe, sur circuits imprimés (PCB), des fonctionnalités des 64 canaux d'acquisition du circuit intégré actuellement en conception. Ainsi, un générateur de charge électronique a été conçu et intégré dans l'ASIC afin de pouvoir vérifier directement sur le circuit intégré ( On-Chip ) le fonctionnement de la chaine d'acquisition. Il permettra aussi de faire les tests pour le calcul de la résolution d'énergie et de la résolution en temps intrinsèque. La communication des données avec l'ASIC se fait par une ligne différentielle afin de maximiser l'immunité des signaux contre le bruit et d'assurer la vitesse de communication voulue.La norme Low-Voltage Differential Signaling (LVDS) a été choisie pour ce type de communication. En effet, trois récepteurs LVDS, basse consommation, ont été conçus et intégrés dans l'ASIC afin de recevoir les commandes de fonctionnement de l'ASIC à partir d'une matrice de portes programmables Field-Programmable Gate Array (FPGA) et de communiquer le signal d'horloge aux différents blocs. Pour augmenter la fiabilité du traitement effectué par l'électronique frontale, une mesure en température de l'ASIC est nécessaire. Un capteur de température basé sur la boucle à délais Delay-Locked Loop (DLL) a été conçu et intégré. En effet, la mesure de la température de l'ASIC permet d'intervenir en réalisant une compensation sur les mesures et en contrôlant le système de refroidissement en cas de sur-échauffement