Development of an ASIC for SiPM readout in SPECT applications

An important role in the field of medical imaging is being played by multimodality systems, capable of correlating information obtained by means of different traditional imaging techniques that were once independently performed on patients. Particular interest is assumed by the simultaneous combination of functional and morphological analyses, finalized to allow the physicians to track biological processes or detect eventual pathologies while being at the same time aware of the anatomical structures of the object under investigation. The aim of this approach is to achieve a cutting-edge image quality, opening the way for new medical scenarios. The INSERT project, funded by European Community under the FP7-HEALTH programme (Grant agreement 305311), aims to the development of a novel Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) system compatible with a pre-existing magnetic resonance (MR) apparatus, with the goal to provide an accurate brain tumour (glioma) clinical diagnoses which could lead to the choice of proper personalized treatments. This SPECT imager, realized both in a preclinical and clinical version, will be composed of a ring of several independent gamma camera modules, and will be hosted in the center of the MRI bore. In order for this system to operate in the strong static magnetic field (up to 9 T) and under the harsh electromagnetic transients of an MRI scanner, the adoption of solid state detectors instead of photomultiplier tubes, traditionally used for SPECT, is mandatory. The INSERT SPECT module therefore features Silicon Photomultiplier (SiPM) photodetectors, devices currently experiencing a dramatic increase in popularity thanks to their constant performance improvements over the last decade. The present doctoral thesis focuses on the design, realization and test of SiPM-readout application specific integrated circuits (ASICs) for SPECT systems. State-of-the-art SiPM front-end circuits mainly address the exploitation of the excellent timing properties of this device, allowing to achieve the sub-nanosecond temporal resolutions necessary for Positron-Emission-Tomography (PET) and for Time-of-Flight PET. The ASICs described in this work target the achievement of high spectroscopy performances at the relatively low gamma energies (in the 100 to 300 keV range) used in SPECT. The single detection module relies on the Anger architecture, i.e on the use of a continuous scintillator crystal read by a photodetector matrix. The rays coming from the object under test pass through a collimator block, with the purpose to allow only photons with specific directions to reach the crystal. When a photon impinges on the scintillator, a visible light flash is generated and spread all over the various elements of the photodetector array in a non-uniform unique manner, depending on the coordinates of the hit point. The amount of light measured by each array pixel contains the information about the position of interaction point of the photon in the crystal. Despite the use of reconstruction algorithms on the raw data collected by the photodetector matrix allows to distinguish much smaller details than the pixel size, requirements on spatial resolution still demand a large number of electronic readout channels to cover a field of view suitable for clinical applications. An ASIC represents a compact solution to deal with the large pixel number; its purpose is to provide an analog signal conditioning before the conversion to digital format for successive elaboration. The INSERT ASICs should extract the information related to how the initial photon energy, converted into visible light by the continuous scintillator, distributes over the SiPM matrix. The main request is thus to maximize the signal to noise ratio, in order to guarantee the needed energy and spatial resolution performances. Angus, a 36-channel ASIC in CMOS 0.35 μm technology has been designed to this purpose. The complete clinical module makes use of two chips to read its 72 SiPM pixels, whereas the preclinical version of the instrument features a 36-pixel detection module that can be read by a single ASIC. A low input impedance front-end stage, capable of coping with the large capacitances of the 8 mm × 8 mm SiPM pixels of the INSERT module with a limited current consumption, has been developed. The successive filter stage is a programmable RC circuit, in turn followed by a peak stretcher to provide an external analog to digital converter with a stable voltage value. The chip was presented in an oral presentation at the IEEE NSS-MIC 2014, in Seattle. The development of the preclinical module based on the realized ASIC has been completed, and first tests prove its correct operation; bi-dimensional scintigraphies on mice have been successfully performed. The achieved performances are close to the fulfilment of the clinical and preclinical requirements; the use of better SiPMs detectors, currently under production, is expected to fill the gap. Minor issues present on the first Angus version led to a redesign of the chip. This new release is expected to further improve the results. In addition, tests have been performed to assess the MRI compatibility of the operating detection module, with a very encouraging outcome. Though the most severe MRI imaging sequences significantly corrupt the acquisition of input pulses which emulates events, the involved mechanisms causing this signal degrading have been understood with a good degree of clarity. The author, and the team he belongs to, are confident that the use of the second Angus version along with minor modifications in the surrounding electronic system will lead to the complete solution of the issues. Conversely, no disturbance induced by the electronics has been noticed in the MRI operation. In parallel, a novel single channel readout ASIC has been developed. This prototype chip, named Angus GI and again implemented in CMOS 0.35 μm technology, features a self-triggered gated integrator architecture, realizing a quasi-optimal filtering of the input signal with a shorter processing time than the one needed by the Angus RC filter. Tests on this chip are currently going on; preliminary obtained results have been divulged in an oral presentation at the IEEE NSS-MIC in November 2015. The thesis is organized according to the following structure: • Chapter 1 provides a short introduction to multimodal imaging systems, presenting the INSERT project and the motivations to the design of ASICs for this application. • Chapter 2 deals with Silicon Photomultipliers, illustrating their operating principle and listing their main parameters. An overview of the main SiPM readout strategies reported in literature is afterwards presented. • Chapter 3 focuses on gamma spectroscopy with SiPMs, with direct application to the INSERT project. The main contributions to energy resolution degradation are spotted, and the criteria followed in the filter choice are shown. • Chapter 4 describes the design of Angus, presenting each circuital block and its operation in the complete electronic system of the detection module. • Chapter 5 reports about the main measurement results performed with Angus, concerning energy resolution, spatial resolution and MRI compatibility of the overall system. • Chapter 6 illustrates the redesigned version of Angus, aimed to solve technical issues noticed during the testing phase of the first chip, and presents the development of the self-triggered gated integrator prototype, Angus GI.

I sistemi multimodali stanno assumendo un importante ruolo nel campo dell'imaging medicale. Capaci di correlare informazioni ottenute per mezzo di diverse tecniche di imaging, precedentemente utilizzate in modo tra esse indipendente sui pazienti, essi rappresentano il nuovo stato dell'arte nel settore della diagnostica. La combinazione simultanea di analisi funzionali e morfologiche è finalizzata a fornire al medico la possibilità di osservare processi biologici o rivelare la presenza di eventuali patologie essendo al contempo a conoscenza anche della struttura anatomica del soggetto analizzato. Scopo di tale approccio è l'ottenimento di una superiore qualità dell'immagine, aprendo la strada per nuovi possibili scenari medici. Il progetto INSERT, finanziato dalla Comunità Europea nel contesto del programma FP7- HEALTH (Grant Agreement 305311) ambisce allo sviluppo di un innovativo sistema SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) compatibile con un pre-esistente scanner per imaging a risonanza magnetica (MRI). L'obiettivo è di fornire un'accurata diagnosi di tumori cerebrali (gliomi), la quale possa guidare nella scelta di appropriati trattamenti personalizzati. Questo sistema SPECT, la cui realizzazione è prevista sia in una versione clinica che in una preclinica, sarà composto da un anello di diversi moduli indipendenti (gamma camere), e sarà posizionato nel centro del bore dell'apparato MRI. Affinchè tale sistema possa operare nell'elevato campo magnetico statico (fino a 9 T) e sotto le forti sollecitazioni elettromagnetiche di uno scanner MRI, è necessario l'impiego di rivelatori a stato solido in luogo dei fototubi moltiplicatori tradizionalmente utilizzati in applicazioni SPECT. Il modulo SPECT di INSERT prevede pertanto l'utilizzo di Silicon Photomultipliers (SiPMs), una tecnologia oggetto di notevole sviluppo nell'ultimo decennio. La qui presente tesi di dottorato è focalizzata sul progetto, la realizzazione e il test di application specific integrated circuits (ASICs) per la lettura di SiPM in applicazioni SPECT. Lo stato dell'arte dei circuiti per SiPM è principalmente costituito da soluzioni indirizzate a sfruttare le ottime capacità di timing di tali dispositivi, dando la possibilità di ottenere le risoluzioni temporali inferiori al nanosecondo richieste da sistemi Positron Emission Tomography (PET) e Time-of-flight PET. Gli ASIC descritti in questo lavoro hanno come obiettivo il raggiungimento di alte prestazioni di spettroscopia alle relativamente basse energie gamma (100-300 keV) dei sistemi SPECT. Il singolo modulo di rivelazione sfrutta l'architettura di Anger, ossia impiega un cristallo scintillatore continuo letto da una matrice di fotorivelatori. Il raggio gamma proveniente dall'oggetto sotto analisi attraversa un blocco di collimazione con lo scopo di selezionare i soli fotoni con specifiche direzioni note. Al momento in cui il fotone gamma raggiunge il cristallo, un lampo di luce visibile viene generato e diffuso sui vari elementi della matrice di fotorivelazione in modo non-uniforme e dipendente dalle coordinate del punto di interazione. La quantità di luce misurata da ogni pixel dell'array consente di ricostruire la posizione del punto di interazione fotone gamma nel cristallo. Nonostante l'utilizzo di algoritmi di ricostruzione sui dati grezzi raccolti dalla matrice di fotorivelazione consenta di distinguere dettagli molto più piccoli della dimensione dei pixel, i requisiti di risoluzione spaziale sono tali da richiedere l'utilizzo di molti canali elettronici per coprire un campo di vista adeguato ai fini clinici. Un ASIC è una soluzione compatta per aver gestire l'elevato numero di pixel; il suo scopo è fornire un condizionamento analogico del segnale prima della sua conversione in formato digitale per le elaborazioni successive. Gli ASIC di INSERT devono pertanto estrarre l'informazione relativa a come l'energia dell'iniziale fotone gamma, convertita in luce visibile dal cristallo scintillatore, si sia distribuita sulla matrice di SiPM. Il requisito principale è quindi la massimizzazione del rapporto segnale rumore, al fine di garantire le prestazioni di risoluzione energetica e spaziale necessarie. Angus, un ASIC a 36 canali in tecnologia CMOS 0.35 um, è stato progettato a tale scopo. Il modulo clinico completo fa uso di due chip per leggere i suoi 72 pixel, mentre la versione preclinica dello strumento fa uso di un modulo di rivelazione a 36 pixel, che può essere letto da un singolo ASIC. è stato realizzato uno stadio di front-end a bassa impedenza di ingresso capace di gestire le elevate capacità dei pixel a SiPM (con un'area di 8 mm x 8 mm) con un limitato consumo di corrente. Il successivo blocco di filtraggio è un circuito RC programmabile, seguito a sua volta da un allungatore di picco che fornisce un valore di tensione stabile ad un convertitore analogico digitale esterno. Il chip è stato presentato in una sessione orale all' IEEE NSS-MIC 2014 a Seattle. La realizzazione del modulo preclinico basato sull'ASIC qui presentato è stata completata, e i primi test provano il suo corretto funzionamento; una scintigrafia bidimensionale su piccoli roditori è stata effettuata con successo. Le prestazioni ottenute sono vicine a soddisfare i requisiti clinici e preclinici; si prevede che l'utilizzo di migliori dispositivi SiPM, attualmente in fase di produzione, colmi il divario attuale. Piccoli problemi tecnici presenti nella prima versione di Angus hanno portato ad una riprogettazione del chip; si prevede che questa nuova versione migliori ulteriormente i risultati. Sono stati inoltre effettuati test per valutare la compatibilità tra MRI e il modulo di rivelazione in fase di funzionamento, con esiti molto promettenti. Nonostante le sequenze di imaging MRI più severe degradino sensibilmente la qualità dell'acquisizione di impulsi forniti all'ingresso, i meccanismi alla base di tale corruzione nel segnale sono stati compresi con un certo grado di chiarezza. L'autore, e il team di cui fa parte, ritengono che l'uso della seconda versione di Angus assieme all'apporto di piccole migliorie nel sistema elettronico circostante condurranno alla completa soluzione di tali problemi. Non è stato inoltre rilevato alcun disturbo da parte dell'elettronica al funzionamento dello scanner MRI. Parallelamente a tutto ciò, un innovativo ASIC a singolo canale è stato progettato e realizzato. Questo chip prototipo, di nome Angus GI ed anch'esso in tecnologia CMOS 0.35 um, presenta un'architettura a gated integrator self-triggered, che realizza un filtraggio quasi ottimo del segnale in ingresso con un tempo di convoluzione inferiore a quello necessario al filtro RC di Angus. I test su questo chip avranno inizio a breve; i risultati ottenuti saranno divulgati in una presentazione orale all'IEEE NSS-MIC di Novembre 2015. La tesi è strutturata nel seguente modo: -Il Capitolo 1 fornisce una breve introduzione ai sistemi di imaging multimodale, presentando il progetto INSERT e le motivazioni che hanno condotto al progetto di ASIC per tale applicazione -Il Capitolo 2 tratta i Silicon Photomultipliers, illustrando il loro principio di funzionamento ed elencandone i principali parametri. è inoltre fornita una presentazione delle principali strategie di lettura di SiPM. -Il Capitolo 3 si focalizza sull'applicazione dei concetti basilari di spettroscopia al progetto INSERT. Si individuano i principali contributi alla degradazione della risoluzione energetica e si mostrano i criteri seguiti nella scelta del filtro. -Il Capitolo 4 descrive il progetto di Angus, presentando ogni blocco circuitale e il suo funzionamento nel sistema elettronico del modulo di rivelazione. -Il Capitolo 5 presenta le principali misure effettuate con Angus, riguardanti risoluzione energetica, spaziale e la compatibilità elettromagnetica del sistema complessivo. -Il Capitolo 6 illustra la versione riprogettata di Angus, finalizzata alla risoluzione di problemi tecnici evidenziatisi durante i test del primo chip, e presenta lo sviluppo di Angus GI, prototipo a singolo canale di ASIC con filtraggio a gated integrator.