Design of SITH : a high dynamic range SiPM readout ASIC for hadrontherapy applications

Hadrontherapy is a growing technique that has been used to treat cancer patients around the world. Compared to conventional radiation sources (photons, electrons), proton beams feature major dosimetric advantages due to their finite penetration range, with a localised dose deposition maximum, the Bragg peak, which can be selectively adjusted in depth. This modality allows highly specialised treatments in the tumor area and not in the surrounding healthy tissue. However, this technique has a limit: it is highly sensitive to any source of deviation from the treatment plan or to uncertainties within the plan itself. The precise detection of the Bragg peak would therefore allow to deposit high doses of energy with great effectiveness only in the tissues involved in the treatment. In this regard in recent years, several research groups have been investigating techniques for controlling the range of the proton beam in real-time. Among these verification techniques, the prompt emission of high energy photons or prompt gamma-rays (PG), can potentially be used. They are emitted from a target nucleus after an interaction between protons and tissue. Being able to accurately measure the arrival time of the gamma prompt rays would allow to effectively discriminate the useful signal from the noisy background, to which many causes contribute (e.g. the neutrons produced by the interactions between the beam and the patient). Neutrons, being less fast than gamma rays, are absorbed late in the detector, this would allow with a simple temporal measurement to reject them completely. To measure the arrival time of gamma rays it was decided to design an ASIC (SITH) capable of accurately identifying the arrival of a ray. At the same time, the acquisition of the photon energy must also be carried out, in order to ensure adequate energy resolution to isolate the characteristic spectral lines of the gamma prompts. The 16 channels of SITH ASIC have been designed so that they can work in parallel. Initially the structure of the ASIC was decided, then we proceeded with the design of the blocks that make up the single channel and subsequently with the design of the blocks common to all the channels. Finally, the layout was made (always starting from the channel and arriving at the full chip) which was then simulated in different working conditions. The discussion is divided into 7 chapters: • Chapter 1 deals with the background of the project, with an overview of the fundamental aspects of proton therapy physics. The state of the art of range monitoring methods based on prompt-gamma rays is analyzed, examining challenges and limitations; finally, the purpose of the project is described in detail. • Chapter 2 opens with a brief discussion on the requirements for the reading electronics of the project, then the architecture of the SITH ASIC is presented by analyzing in detail the blocks that are not part of the channel. • Chapter 3 contains an overview of the two possible current input architectures, together with a comparison between them and the reasons that led to the choice of one over the other. • In chapter 4 an depth explanation of the energy energy is proposed. Focusing on each block, this analysis will explain: its purpose, its structure and its functionality, highlighting the two working odes available (with or without Adaptive Gain Control). • Chapter 5 is dedicated to a detailed explanation of the timing path. This part of the channel is made up of two main blocks: the Trigger and the Digital Logic. For the former, two different solutions will be proposed with an explanation of why one was preferred over the other. For the latter, the sub-blocks will be explored, showing different cases of interest. • Chapter 6 delves into the layout of the chip, starting from the internal blocks of the channel to the complete layout of the full chip. • In chapter 7 the conclusions of this work are drawn. Some limitations are also highlighted, to leave the reader food for thought for the next version

L’adronterapia è una tecnica di radioterapia utilizzata per trattare i pazienti oncologici. Rispetto alle sorgenti di radiazioni convenzionali (fotoni, elettroni), i fasci di protoni o di ioni presentano rilevanti vantaggi dosimetrici dovuti al loro range di penetrazione finito, con un massimo di deposizione della dose di radiazione localizzato, il picco di Bragg, che può essere regolato selettivamente in profondità. Questa modalità consente trattamenti altamente specializzati nella zona tumorale e non nel tessuto sano circostante. Questa tecnica però presenta un limite: è altamente sensibile a qualsiasi fonte di deviazione dal piano di trattamento o alle incertezze all’interno del piano stesso. La rilevazione precisa del picco di Bragg dunque permetterebbe di depositare con grande efficacia elevate dosi di energia solo nei tessuti interessati al trattamento. A tal proposito Negli ultimi anni, diversi gruppi di ricerca investigano tecniche per il controllo del range del fascio protonico in real-time. Tra le tecniche di verifica online, è possibile potenzialmente utilizzare l’emissione di raggi prompt gamma (PG). Essi vengono emessi da un nucleo target dopo un’interazione tra i protoni e il tessuto. Riuscire a misurare con precisione la distribuzione spaziale, l’energia e il tempo di arrivo dei raggi prompt gamma permetterebbe di discriminare efficacemente il segnale utile dal background, a cui concorrono molte cause (p.e. i neutroni prodotti dalle interazioni tra il fascio e il paziente). Ad esempio, i neutroni, essendo meno veloci dei raggi gamma, vengono assorbiti in ritardo nel detector, questo permetterebbe con una semplice misura temporale di rigettarli completamente. In parallelo, anche l’acquisizione dell’energia del fotone deve essere effettuata, in modo da garantire una adeguata risoluzione energetica per isolare le linee spettrali caratteristiche dei prompt gamma. Per misurare il tempo di arrivo e l’energia dei raggi gamma si è quindi deciso di disegnare un ASIC (SITH), in grado di individuarli con precisione. I 16 canali di SITH ASIC sono stati disegnati in modo da poter funzionare parallelamente. Inizialmente è stata decisa la struttura dell’ASIC poi si ha proceduto con il design dei blocchi che compongono il singolo canale e successivamente con il design dei blocchi comuni a tutti i canali. Per concludere si è proceduto con il layout (sempre partendo dal canale e arrivando al chip intero) che poi è stato simulato in diverse condizioni di lavoro. La discussione è suddivisa in 7 capitoli: • Nel capitolo 1 viene trattato il background del progetto, con una panoramica sugli aspetti fondamentali della fisica della adronterapia. Viene analizzato lo stato dell’arte dei metodi di monitoraggio del range basati sui raggi prompt-gamma, esaminando sfide e limitazioni; infine viene descritta in dettaglio la finalità del progetto. • Il capitolo 2 si apre con una breve discussione sui requisiti per l’elettronica di lettura del progetto, quindi viene presentata l’architettura dell’ASIC SITH analizzando nel dettaglio i blocchi che non fanno parte del canale. • Il capitolo 3 contiene una panoramica delle due possibili architetture di ingresso in corrente, insieme a un confronto tra loro e le motivazioni che hanno portato alla scelta dell’una rispetto all’altra. • Nel capitolo 4 viene proposta una spiegazione approfondita del percorso che porta al calcolo, e alla trasmissione a FPGA, dell’energia contenuta in un raggio. Concentrandosi su ogni blocco questa analisi verterà su: lo scopo dello stesso, la sua struttura e la sua funzionalità evidenziando le due modalità di lavoro disponibili (con o senza Adaptive Gain Control). • Il capitolo 5 è dedicato ad una spiegazione dettagliata del percorso per individuare il tempo d’arrivo. Questa parte del canale è composta da due blocchi principali: il Trigger e la Logica Digitale. Per il primo verranno proposte due diverse soluzioni con una spiegazione del motivo per cui l’una è stata preferita all’altra. Per quest’ultimo verranno approfonditi i sotto blocchi mostrando diversi casi di interesse. • Il capitolo 6 approfondisce il layout del chip, a partire dai blocchi interni del canale fino al layout completo del chip. • Nel capitolo 7 vengono tratte le conclusioni di questo lavoro. Vengono inoltre evidenziate alcune limitazioni, per lasciare al lettore spunti di riflessione per la prossima versione