Базовые электронные модули для построения PET-сканера высокого разрешения на основе позиционно-чувствительных фотодетекторов

РЕТ-томография на сегодняшний день является наиболее информативным методом диагностики. РЕТ-томографы для построения изображения используют информацию, получаемую за счет выделения позитронов при распаде некоторых короткоживущих изотопов или радионуклидов. Позитроны испускаются ядрами изотопов кислорода, фтора, углерода и рубидия [43]. При встрече позитрона с электроном происходит аннигиляция, в результате которой рождаются два гамма-кванта, регистрируемые детекторами. Сигналы от детекторов обрабатываются электронной системой, которая позволяет реконструировать двумерное, либо трехмерное изображение.

В настоящее время существует ряд фирм, специализирующихся на разработке РЕТ-сканеров, наиболее известными из которых являются: HITACHI, SIEMENS, TOSHIBA.

Проведенный анализ современного состояния и перспектив развития РЕТ-сканеров позволил сформулировать основные требования к новому поколению сканеров, предполагающих широкое использование специализированных многоканальных СБИС со структурой система на кристалле (SOC), новых сцинтилляционных материалов типа LYSO, а также многоанодных, позиционно-чувствительных ФЭУ и полупроводниковых детекторов, в том числе — твердотельных кремниевых ФЭУ Среди основных требований следует выделить:

— равномерная чувствительность во всем рабочем объеме сканера,.

— возможность обработки импульсов для временного окна порядка 1нс,.

— возможность определения времени пролета — TOF,.

— возможность учета глубины взаимодействия для кристаллов сцинтиллятора с поперечными размерами не более 1 мм х 1 мм,.

— использование технологии временных меток,.

— высокая технологичность и невысокая стоимость сканера, особенно, ориентированного на отечественный рынок.

Существующие РЕТ-сканеры в России современны, но их достаточно мало. В основном используются зарубежные системы.

Проведенный анализ патентной документации и научно-технической информации показал, что применяемые на практике варианты построения электронных узлов обработки данных ПЧ ФЭУ в РЕТ-сканерах в основном базируются на структурных и схемотехнических решениях, рекомендованных фирмами-производителями [52]. Данным решениям характерен ряд недостатков, ограничивающих функциональные возможности ПЧ ФЭУ: нелинейная и неоднозначная АПХ в периферийной зоне ПЧ ФЭУпотеря чувствительности в угловых зонах прибораналичие «мертвых зон» между соседними фото детекторами при их расположении в виде матрицы.

Создание электронных узлов обработки данных, получаемых от ПЧ ФЭУ, способных обрабатывать полезные события в периферийной и угловой зонах детектора, позволит повысить эффективность работы всего РЕТ-сканера. Отсутствие в открытой печати документации об электронных узлах, применяемых в современных РЕТ-сканерах, обусловливают актуальность разработки отечественных электронных узлов для РЕТ-сканера высокого разрешения.

Разработка аналоговых и цифровых электронных узлов для современных РЕТ-сканеров нового поколения становиться возможной на основе композиционного подхода [89, 90, 94], предполагающего совместное моделирование как электронной части функционального узла обработки данных, так и оптического тракта передачи сигнала, включая распространение светового потока в кристалле сцинтиллятора, световоде, корпусе детектора (ФЭУ), а также в самом детекторе. При этом для композиционного моделирования предполагается использовать унифицированные программные средства моделирования типа системы.

ORCAD, включенной в САПР Cadance, либо аналогичные средства моделирования для САПР Mentor Graphics.

Целью диссертационной работы является создание и развитие методик проектирования электронных узлов многоканальных систем обработки данных для современных РЕТ-сканеров высокого разрешения на основе композиционного подхода к разработке моделей функциональных узлов детектора, что позволяет повысить эффективность использования современной элементной базы — позиционно-чувствительных ФЭУ и обеспечить более высокие технико-экономические показатели на уровне всей системы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Обзор и анализ патентной и научно технической информации по РЕТ-сканерам на предмет выделения перспективных технологических и технических решений, используемых ведущими фирмами — разработчиками РЕТ-сканеров, в первую очередь — в области средств и методов обработки данных для получения предельного пространственного разрешения.

2. Анализ общей структуры современных РЕТ-сканеров высокого разрешения, принципов действия РЕТ-сканеров. Анализ основных функциональных узлов РЕТ-сканеров.

3. Выделение обобщенной структуры для электронной системы обработки данных в РЕТ-сканере, ориентированной на определение параметра DOI при использовании ПЧ фотодетекторов.

4. Классификация современных РЕТ-сканеров с учетом возможности определения параметров DOI и TOF (Time of Flight).

5. Формулирование требований на изготовление многоканальной системы сбора и обработки данных в виде модулей SiP и СБИС со структурой SOC.

Научная новизна работы заключается в решении следующих задач:

1. Представлена классификация методов измерения параметра Б01 для определения координаты Ъ полезного события в кристалле сцинтиллятора, ориентированных на использование ПЧ фотодатчиков (ФЭУ).

2. Разработана методика проектирования аналоговых узлов обработки данных с учетом реальных характеристик применяемых детекторов, а также современных средств автоматизированного проектирования узлов РЭА.

3. Разработаны одномерные Ш и двумерные 2Б модели входных узлов электронных блоков, предназначенные для работы с современными детекторами, а также учитывающие погрешности, вносимые оптической системой РЕТ-сканера. Модели ориентированы на использование в составе САПР ОгСАБ.

4. Разработаны модели функциональных блоков, позволяющие определять основные характеристики РЕТ-сканера на этапе проектирования.

5. Разработана методика параметризации созданных моделей входных блоков РЕТ-сканера.

Практическая значимость работы обусловлена:

1. Созданием базового набора модулей для построения современных РЕТ-сканеров высокого разрешения, а также мини РЕТ-сканеров на основе современной электронной базы при использовании разработанных методик проектирования.

2. Разработкой прототипа электронной системы обработки данных в современном РЕТ-сканере для ограниченного числа каналов.

3. Созданием тестовых, диагностических и отладочных аппаратных и программных средств для аналоговых и цифровых электронных модулей.

4. Созданием тестовых, диагностических и отладочных аппаратных и программных средств для электронной системы РЕТ-сканера.

5. Созданием специализированного программного обеспечения для работы с модулями РЕТ-сканера.

Реализация результатов.

Основные результаты диссертации использовались:

— при выполнении хоздоговора № 84−3-003−896 «Исследование и разработка структурной схемы многоканального аналого-цифрового модуля обработки данных для отечественного мини-РЕТ-сканера для животных на основе высокопроизводительных субмодулей цифровой и аналоговой обработки NLS», 2004;2006г.г.,.

— при выполнении госбюджетной НИР № 02-Г-003−013 «Создание математической модели для реконструкции трехмерного изображения с использованием быстродействующих нейросетей реального времени, изучение прототипов модулей для обработки данных», 2006 г.,.

— в учебном процессе при модернизации лекционного курса и лабораторных работ по курсу «Проектирование электронных систем» на кафедре Электроники МИФИ для групп А9−04, А9−05, И8−03.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика проектирования аналоговых узлов обработки данных с учетом реальных характеристик применяемых детекторов, а также современных средств автоматизированного проектирования узлов РЭА с применением САПР Cadence и Mentor Graphics.

2. Модели входных узлов электронных блоков, предназначенных для работы с современными детекторами, а также учитывающие погрешности, вносимые оптической системой РЕТ-сканера.

3. Модели функциональных блоков, позволяющие определить основные характеристики РЕТ-сканера на этапе проектирования.

4. Методика параметризации созданных моделей входных аналоговых блоков РЕТ-сканера.

5. Базовый набор модулей для построения электронных систем обработки данных в РЕТ-сканерах высокого разрешения, а также мини РЕТ-сканерах на основе современной электронной базы при использовании созданных методик проектирования. и.

Выводы г главе 5.

Таким образом, проведенный комплекс научных, экспериментальных и практических работ позволил решить основные поставленные практические задачи, имеющие важное значение при создании современного РЕТ-сканера высокого разрешения, поставленные в главе 2:

1. Создан базовый набор модулей для построения современных РЕТ-сканеров, а также мини РЕТ-сканеров на основе современной электронной базы и предложенных методик проектирования.

2. Разработан экспериментальный лабораторный прототип электронной системы обработки данных в современном РЕТ-сканере для ограниченного числа каналов.

3. Созданы тестовые, диагностические и отладочные аппаратные и программные средства для разработанных электронных модулей.

4. Созданы тестовые, диагностические и отладочные аппаратные и программные средства для электронной системы РЕТ-сканера.

5. Создано специализированное программное обеспечение для работы с модулями РЕТ-сканера.

Решены следующие актуальные экспериментальные задачи:

1. Проведено экспериментальное исследование основных компонентов детекторов современных РЕТ-сканеров и осуществлена параметризации разработанных моделей электронных узлов.

2. Проведено экспериментальное исследование прототипа электронной системы современного РЕТ-сканера.

3. Определены эксплуатационные характеристики основных электронных узлов системы.

Заключение

.

Основным научным результатом диссертации является создание и развитие методов проектирования электронных узлов многоканальных систем обработки данных в современных РЕТ-сканерах высокого разрешения на основе композиционного подхода к разработке моделей функциональных узлов детектора, что позволяет повысить эффективность использования современной элементной базы — позиционно-чувствительных ФЭУ и обеспечить более высокие технико-экономические показатели на уровне всей системы.

В ходе выполнения исследований по теме диссертации были получены следующие основные научные результаты:

1. Дана классификация методов измерения параметра DOI для определения координаты Z полезного события в кристалле сцинтиллятора.

2. Разработана методика проектирования аналоговых узлов обработки данных с учетом реальных характеристик применяемых детекторов, а также современных средств автоматизированного проектирования узлов РЭА с применением САПР CADANCE и MENTOR GRAPHICS.

3. На основе композиционного подхода разработаны специализированные модели входных узлов электронных блоков, предназначенных для работы с современными детекторами, а также учитывающие погрешности, вносимые оптической системой РЕТ-сканера.

4. Разработаны модели функциональных блоков, позволяющие определить основные характеристики РЕТ-сканера на этапе проектирования.

5. Разработана методика параметризации созданных моделей входных аналоговых блоков РЕТ-сканера.

В ходе работы над диссертацией были решены следующие практические задачи:

1. Создан базовый набор модулей для построения электронных систем обработки данных в современных РЕТ-сканерах, а также мини РЕТ-сканерах на основе современной электронной базы при использовании созданных методик проектирования.

2. Разработан прототип электронной системы обработки данных для современного РЕТ-сканера.

3. Созданы тестовые, диагностические и отладочные аппаратные и программные средства разработанных электронных модулей.

4. Созданы тестовые, диагностические и отладочные аппаратные и программные средства для электронной системы современного РЕТ-сканера.

5. Создано специализированное программное обеспечение для работы с разработанными модулями РЕТ-сканера.

Были проведены следующие экспериментальные исследования:

1. Основных компонентов детекторов современных РЕТ-сканеров для осуществления параметризации разрабатываемых моделей электронных узлов.

2. Разработанного прототипа электронной системы РЕТ-сканера.

3. Разработанных электронных узлов и модулей.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс кафедры Электроники МИФИ — лекции, семинары и лабораторные работы по курсу «Проектирование электронных систем» для учебных групп А10−04, А10−05.

Использование разработанных электронных узлов и программных средств дает возможность до 50% увеличить площадь рабочего окна позиционно-чувствительного фотодетектора при заданном уровне нелинейности его АПХ, а также до 30% повысить площадь зоны бокового обзора при использовании световода.