Development of 64 channels digital pulse processor for medical imaging purpose

Abstract In my thesis I have been involved in the development of a digital processor for multichannel signals from radiation detectors. The system can be directly connected to the output of the preamplifiers of charge and provides, for each channel, the information about the energy and the time of arrival of photons. The structure of the modular system can be expanded to the wanted number of channels thus making it suitable for use in application of scientific research especially in imaging applications (ie medical applications). In this sense, the solution proposed is particularly innovatory where it allows the almost total replacement of the analog processing with a solution fully digital. The digital processing allows greater versatility and the possibility to also change at runtime algorithms of processing so as to best adapt to the characteristics of the signal and noise. To be competitive, however, in multichannel applications, a solution is fully digital, in addition to showing obvious advantages from the point of view of processing, must be of such dimensions as to be comparable to the equivalent analog solution. This is particularly relevant when the number of channels become thousands. Also, the cost per channel must be contained. In the early stages of the project we placed special attention in choosing components that enable it to integrate into the smallest space the greatest number of channels. The use of variable gain amplifiers, ADC to 8 channels, FPGA for processing allowed me to develop a solution consisting of processing modules to 8 channels large little more than a credit card. In the proposed setup each module is interconnected via a bus LVDS serial card data collection can transfer the information generated by PC 8 modules (so a total of 64 channels) via a high-speed bus USB 3.0. Although the project is still being completed, the first measurements show that the present system characteristics comparable to the state of art of presenting DPP commercial size but far more compact and cost of a channel less than $ 20.

Sommario Nel mio lavoro di tesi mi sono occupato dello sviluppo di un processore digitale multicanale per segnali provenienti da detector di radiazioni. Il sistema può essere direttamente connesso all’uscita dei preamplificatori di carica e fornisce, per ciascun canale, l’informazione relativa all’energia e al tempo di arrivo dei fotoni. La struttura del sistema modulare permette di espandere a piacere il numero di canali rendendolo quindi adatto all’uso sia in applicazione di ricerca scientifica ma soprattutto in applicazioni di imaging (i.e. applicazioni medicali). In tal senso la soluzione proposta risulta essere particolarmente innovativa in quanto permette la sostituzione quasi totale del processing analogico con una soluzione totalmente digitale. L’elaborazione digitale permette una maggiore versatilità e la possibilità di cambiare anche a runtime gli algoritmi di processamento in modo tale da adattarsi al meglio alle caratteristiche del segnale e del rumore. Per essere però competitivi in applicazioni multicanali, una soluzione totalmente digitale, oltre a mostrare evidenti vantaggi dal punto di vista dell’elaborazione, deve avere dimensioni tali da essere paragonabile all’equivalente soluzione analogica. Ciò è particolarmente rilevante quando il numero di canali diventano migliaia. Inoltre anche il costo per canale deve essere contenuto. Nelle fasi di progetto è stata posta quindi particolare attenzione nello scegliere componenti che permettessero di integrare nel più piccolo spazio il maggior numero di canali. L’utilizzo di amplificatori a guadagno variabile, ADC a 8 canali, FPGA per l’elaborazione mi ha permesso di sviluppare una soluzione costituita da moduli di processamento a 8 canali grandi poco più di una carta di credito. Nel setup proposto ciascun modulo viene interconnesso tramite un bus LVDS seriale a una scheda di raccolta dati in grado di trasferire sul PC le informazioni elaborate da 8 moduli (quindi un totale di 64 canali) tramite un bus ad alta velocità USB 3. Sebbene il progetto sia ancora in fase di completamento, dalle prime misure si evince che il sistema presente caratteristiche comparabili allo state of art dei DPP commerciali presentando però dimensioni estremamente più compatte e con un costo a canale inferiore a 20$.