Design and development of MAGIC: a multichannel analog ASIC for PET applications

Hadrontherapy represents an advanced modality for cancer treatment, offering clear ad- vantages over conventional X-ray radiotherapy. Unlike photons, protons and heavier ions allow highly localized energy deposition within the tumor region, minimizing irradiation of surrounding healthy tissues. This selectivity arises from the Bragg peak, a sharply defined maximum in the depth–dose profile that occurs just before the particles stop. By modulating the beam energy, the penetration depth can be tailored with great precision, and through the superposition of multiple Bragg peaks, a uniform dose distribution, the Spread-Out Bragg Peak (SOBP), can be achieved across the entire tumor volume. How- ever, the intrinsic precision of particle therapy represents a major limitation: the exact range of the ion beam is subject to uncertainties arising from imaging limitations, patient positioning, organ motion, and anatomical changes during treatment. To mitigate these effects, safety margins are incorporated into treatment planning, though this inevitably reduces selectivity and may restrict applicability near critical structures. Within this context, advanced imaging techniques such as Positron Emission Tomogra- phy (PET) have been investigated to improve in-vivo range verification. In particular, the integration of Time-of-Flight (TOF) technology in PET scanners allows more precise determination of annihilation event positions through sub-nanosecond timing resolution. This method enhances image quality, quantitative accuracy, and overall clinical reliability. Accordingly, this thesis presents the design of MAGIC (Multichannel Analog Gamma- ray detection Integrated Circuit), developed for the readout of Silicon Photomultipliers (SiPMs) coupled with monolithic scintillators. Building upon previous architectures, MAGIC is designed in standard CMOS 110 nm technology and it is optimized for the demanding requirements of time-of-flight Positron Emission Tomography (TOF-PET). The architecture integrates a dedicated low-jitter timing chain and an on-chip event validation mechanism based on current summing, en- abling accurate discrimination of true photon events. A robust input stage, employing a current conveyor topology with weak positive feedback, ensures stable operation in- dependent of detector capacitance and facilitates signal distribution to both timing and energy branches. Additional features include compatibility with negative SiPM polarity, flexible threshold configuration, and advanced digital logic for real-time signal process- ing and event validation. These characteristics make MAGIC particularly suitable for high-throughput PET systems based on monolithic scintillators, combining precision, ro- bustness, and adaptability to challenging acquisition scenarios.

L’adroterapia rappresenta una modalità avanzata per il trattamento dei tumori, offrendo vantaggi evidenti rispetto alla radioterapia convenzionale a raggi X. A differenza dei fo- toni, protoni e ioni più pesanti permettono una deposizione di energia altamente localiz- zata all’interno della regione tumorale, riducendo al minimo l’irradiazione dei tessuti sani circostanti. Questa selettività è dovuta al picco di Bragg, un massimo ben definito nel profilo dose-profondità che si verifica poco prima dell’arresto delle particelle. Modulando l’energia del fascio, la profondità di penetrazione può essere controllata con estrema pre- cisione e, attraverso la sovrapposizione di più picchi di Bragg, è possibile ottenere una distribuzione uniforme della dose, lo Spread-Out Bragg Peak (SOBP), su tutto il volume tumorale. Tuttavia, l’elevata precisione intrinseca della terapia con particelle costitu- isce anche un limite importante: la portata esatta del fascio ionico è soggetta a incertezze dovute a limiti nelle immagini diagnostiche, posizionamento del paziente, movimenti degli organi e variazioni anatomiche durante il trattamento. Per mitigare questi effetti, nella pianificazione terapeutica vengono introdotti margini di sicurezza, che tuttavia riducono inevitabilmente la selettività e possono limitare l’applicabilità vicino a strutture critiche. In questo contesto, tecniche di imaging avanzate, come la Tomografia a Emissione di Positroni (PET), sono state studiate per migliorare la verifica in-vivo della portata del fascio. In particolare, l’integrazione della tecnologia Time-of-Flight (TOF) nei sistemi PET consente una determinazione più precisa della posizione degli eventi di annichi- lazione, grazie alla risoluzione temporale sub-nanosecondo. Questo approccio migliora la qualità dell’immagine, l’accuratezza quantitativa e l’affidabilità clinica complessiva. In tale ambito, questa tesi presenta il design di MAGIC (Multichannel Analog Gamma- ray detection Integrated Circuit), sviluppato per il readout dei Silicon Photomultipliers (SiPM) accoppiati a scintillatori monolitici. Sviluppato a partire da architetture precedenti, MAGIC è realizzato in tecnologia CMOS standard a 110 nm ed è ottimizzato per soddisfare i requisiti stringenti della PET Time- of-Flight (TOF-PET). L’architettura integra una catena temporale dedicata a basso jitter e un meccanismo di validazione degli eventi on-chip basato sulla somma di correnti, per- mettendo una discriminazione accurata dei veri eventi fotonici. Uno stadio di ingresso robusto, basato su topologia a current conveyor con debole retroazione positiva, garan- tisce un funzionamento stabile indipendentemente dalla capacità del rivelatore e consente la distribuzione del segnale sia al ramo temporale sia a quello energetico. Ulteriori carat- teristiche includono la compatibilità con polarità negativa dei SiPM, una configurazione flessibile delle soglie e logica digitale avanzata per l’elaborazione e la validazione degli eventi in tempo reale. Queste peculiarità rendono MAGIC particolarmente adatto per sistemi PET ad alto flusso basati su scintillatori monolitici, combinando precisione, ro- bustezza e adattabilità a scenari di acquisizione complessi.