WO2014077717A1 - Aparelho de leitura e método para medições de tempo de voo e de energia com fotomultipltcadores de silício - Google Patents
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Definitions
- Time-of-flight information in PET (TOFPET) systems allows for unprecedented sensitivity, as the signal-to-noise ratio and therefore background rejection are greatly improved. .
- the high gain of the silicon photomultiplier (SiPM) and its sensitivity to the occurrence of a single photon makes it a good candidate for highly compact systems.
- a time resolution of 200 ps is sufficient to confine the origin of the event to a position along the response line (LOR) with an FWHM uncertainty of 30 mm. Achieving this excellent resolution requires fast front-end electronics capable of extracting very accurate time stamp from each event.
- the scintillation light statistic which includes the intrinsic characteristics of crystal synchronism and the travel path of optical photons, along with the time dispersion inherent in SiPM pair generation, can become a source of variation that, finally, it could compromise the intended time resolution.
- the fluctuation of the signal shape at the photodetector output reflects the statistical time distribution of each photon constituting the signal. Since the arrival time of most of these photons to the photo sensor is poorly correlated with the electron-positron annihilation time, the reading system should be capable of reacting to the first photoelectron. This capability requires low-noise front-end electronics with sufficient bandwidth so that time-alk in the dynamic range of the signal becomes negligible.
- Figure 1 the architecture of reading in a multichannel system, including in each channel amplification (1) and discrimination (2) circuits of the input signal; two Time-to-Digital Converter (TDC) based on analog time interpolation (3); a controller global reading of the digital time and energy values stored in each channel (4).
- TDC Time-to-Digital Converter
- Figure 2 the architecture of the input signal amplification and discrimination circuits, including low impedance differential amplifiers consisting of a regulated gate cascode (1), with adjustable input node base voltage (2) and a Delay in output of low threshold discriminator (3).
- the flight time and energy reading apparatus which is the subject of the invention provides accurate flight time information when used in fast crystal PET systems which allow the origin of the two 511 keV photons to be confined to a position uncertainty of 30 mm along the line-of-response (LOR) essentially comprises: one silicon photomultiplier per channel;
- PET Positron Emission Tomography
- TOF Time-of-Flight
- said input signal amplification circuits shown in Figure 2 are low impedance differential amplifiers consisting of a low noise, high bandwidth regulated gate cascode, and with adjustable input node base voltage,
- dual-threshold mechanism based on two independent branches with tripping thresholds of disoriminators that can be adjusted separately such that a very low threshold generates a trigger on the first photoelectron that is used for time measurement, and an upper threshold is used to validate or discard the input pulse.
- Said apparatus further comprises:
- TDC time-amplitude converters
- ADC analog-to-digital converter
- FIFO first-in-first-out
- the invention further relates to a reading method for measuring flight time and silicon photomultiplier energy illustrated in Figure 3 which is essentially characterized by measuring the input pulse time using a low threshold voltage. , and by measuring the input pulse energy from the time difference between two time stamps, where the extraction of the two time stamps uses two thresholds.
- each time stamp consisting of 10-bit coarse data captured from a global time counter reflected binary encoding, and a finer 8-bit time measurement calculated from an analogue-to-digital time converter with a time scale of 50 ps, this fine time stamp being a direct measurement of the phase of the asynchronous pulse with respect to a periodic reference timer signal using a set of time-amplitude converters and an analog-digital converter.
- a common feature of state-of-the-art projects is the use of a high-power front end amplifier in order to lower the input impedance of said circuit and therefore achieve a large bandwidth.
- This invention solves this problem by using a closed loop current conveyor at the inlet.
- This "Cascode" gate-regulated circuitry decreases the power dissipated when compared to an open-loop configuration for the same impedance level and output noise.
- the regulation loop is based on a differential amplifier, which allows you to adjust the DC voltage at the input and thereby adjust the SiPM gain.
- SiPMs are also known for their high dark count rate (DC), in which isolated pixels fire randomly due to thermal excitation.
- DC dark count rate
- the signal produced by a dark SiPM count is the same as what we intended to detect when created by the arrival of the first scintillation photometer in a detectable event.
- Some current PET TOF-capable systems address this challenge by using DLL-based TDCs capable of extracting time information even from these spurious counts and discarding it later (offline). . This has a major impact on power consumption due to the use of these digital TDCs, where the typical power per channel is about 30 m. This consumption is prohibitive in very compact systems as it requires very complex cooling systems.
- the power consumption of digital TDCs can be significantly reduced using very deep submicron CMOS technology (eg 65 nm and below) / which is nevertheless very expensive.
- the rate of events arriving at the TDCs is reduced by raising the detection threshold, but thus losing the ability to discriminate the first photometer.
- This invention introduces a dual-threshold mechanism.
- the channel architecture comprises two independent branches with detection thresholds that can be set separately (cf. Figure 1). This allows a very low threshold to detect the photoelectron an I which is used for time measurements. A higher threshold is then used to validate the impulse, otherwise the event is discarded.
- TDCs analog time interpolation-based digital time converters
- TDCs The lower inherent speed of these TDCs is compensated by the use of one double-TDC per channel to independently detect the time of signal rise and fall times.
- the regulated loop is implemented with an active load differential pair. Although limited in bandwidth, when compared to a solution with a simple, common source, it allows you to easily control the baseline of the DC input. Such a feature is valuable when you want to precisely adjust the SiPM gain.
- the input impedance setting becomes independent of both the SNR and the DC input baseline. This setting is made with a 6-bit ACD in power mode. Both the hole-collection input and the electron-collection input are available, allowing the choice of different photo sensors.
- the signal is transferred to two post-amplifiers with a transimpedance gain of up to 4 ⁇ to optionally provide a signal form version suitable for time-over-threshold measurement. ).
- Two discriminators whose threshold is defined by independent 6-bit DACs, generate the digital signals that are applied to TDCs.
- the noise rms of the total voltage at the output of the amplifiers is kept below 5mV, allowing to lower the VthT voltage threshold to the level of 0.5 photon electrons.
- time and energy information is based on a dual time-over-threshold (ToT) scheme ( Figure 3).
- a low amplitude VthT voltage (below 0.5 photon electrons) is used to de-trigger the first discriminator (in the increasing part of the signal), while event validation and ToT information is provided in the downward part of the pulse. signal, by a higher threshold voltage VthE.
- Each time stamp consists of 10-bit coarse data, captured by the global coarse time counter, encoded in gray, and an accurate 8-bit time measurement from a TDC with 50 ps time measurement.
- This accurate time information is a direct measure of the asynchronous pulse phase relative to the master clock using a set of time-amplitude converters (TAC) and an analog-to-digital converter (ADC). Operation of the two independent TDCs is controlled by a dedicated control block on each channel. In addition to managing analog switching circuits, it implements the multi-storage scheme, interconnects with the global controller and performs event validation. The amplitude of the signal produced by a dark count is of the same order as the signal produced by an isolated occurrence of a photon, so the discriminators then programmed to react on all events, spurious or not.
- Three Alternative Mechanisms for dark impulse rejection were implemented based on synchronous and asynchronous validation of an upper energy trigger threshold. Description of a preferred embodiment
- the present invention hereinafter described with a preferred embodiment, relates to a reading apparatus and method for flight time and energy measurements, characterized by the use of silicon photomultipliers (SIPM) to provide accurate time information.
- SIPM silicon photomultipliers
- - time-of-flight when used in fast crystal PET systems (eg LYSO), which allow the origin of the two 511 keV photons to be confined at a position along the response line. (LOR) with an FWHM uncertainty of 30 mm and allow unprecedented PET sensitivity.
- the preferred embodiment of the described reading architecture is an ASIC composed of 64 channels, bias and calibration blocks and a global controller. One side is pin-free, so that a 180 ° rotated twin chip can be coupled to construct a 128-channel compact circuit (cf. Fig. 4).
- the nominal operating mode uses a 160 MHz clock generated off the chip. Up to two LVDS data output connections are available (SDR or DDR) for a total bandwidth of 160 to 640 Mbit / s. An output clock for synchronous transmission is available, while a TX training mode can also be used to avoid it.
- the event data is processed on the chip and the output is authentic with packets with up to 64 events per packet.
- a raw data mode (safe mode) is also available, whereby Event data is output to the output without any arithmetic processing (thus giving two positions per event in the packet).
- a 10MHz SPI configuration interface writes read channel configuration, controls calibration procedures and test modes. The clock, initialization and coarse time counter are propagated internally by the global controller for each channel, along with the configuration settings.
Abstract
A presente invenção diz respeito a um aparelho de leitura e método para realizar medições de tempo e energia dos eventos produzidos por um fotomultiplicadcr de silício (SiPM) acoplado a um cint ilador. A medição de sincronismo após calibração pode ser tão precisa quanto 50 ps ou inferior. A energia é medida usando uma técnica de tempo- acima-do-limiar ("time-over-threshold"), e a resolução de energia só é limitada pela estatística de cintilação. Para alcançar tão baixo consumo de 10 mW por canal são usados um amplificador com baixa impedância de entrada e conversores de tempo analógico-digital (TDCs) baseados em interpolação de tempo. O circuito de leitura pode ser desencadeado por um único fotoelectrão (p.e.) com uma relação sinal-ruído ( SNR) acima de 20 dB. O circuito de leitura referido opera com SiPMs de diversos ganhos, polaridades e dimensões de matriz. A materialização preferencial do aparelho de leitura é um circuito integrado de aplicação específica (ASIC) composto por 64 canais.
Description
- i -
DESCRIÇÃO
"APARELHO DE LEITURA E MÉTODO PARA MEDIÇÕES DE TEMPO DE VOO E DE ENERGIA COM FOTOMULTIPL CADORES DE SILÍCIO"
Antecedentes da invenção A informação sobre o tempo-de-voo ("Time-of- flight") em sistemas PET (TOFPET) permite uma sensibilidade sem precedentes, pois a relação sinal-ruido e, portanto, a rejeição de fundo são muito melhorados. O elevado ganho do fotomultiplicador de silício (SiPM) e sua sensibilidade para a ocorrência de um fotão único, torna-o num bom candidato para sistemas altamente compactos. Uma resolução em tempo de 200 ps é suficiente para confinar a origem do evento a uma posição ao longo da linha-de-resposta (LOR) com uma incerteza FWHM de 30 mm. Alcançar esta excelente resolução requer electrónica rápida do lado-da-entrada ("front-end") , capaz de extrair uma informação de tempo ("time stamp") muito precisa de cada evento. A estatística da luz de cintilação, que inclui as características intrínsecas de sincronismo do cristal e o caminho de viagem dos fotões ópticos, juntamente com o dispersão de tempo inerente à geração do par e-h do SiPM, podem tornar-se uma fonte de variação que, finalmente, poderia comprometer a resolução de tempo pretendida. Na verdade, a flutuação da forma de sinal na saída do foto-detector reflecte a
distribuição estatística de tempo de cada fotão que constitui o sinal. Uma vez que o tempo de chegada da maioria destes fòtões ao foto-sensor é pouco correlacionado com ò tempo de aniquilação elêctrão-positrão, o sistema de leitura deve sér capaz de reagir ao primeiro fotoelectrâo. Esta capacidade requer electrónica do lado-da-entrada ("front-end") de baixo ruído còm largura de banda suficiente para que a excursâo-em-tempo ("time- alk") na gama dinâmica do sinal se torne insignificante.
Po outro lado, o projecto de detectores PET compactos coloca limites estritos ao consumo de energia. Esta restrição motivou a escolha de um andar de entrada de baixo consumo e um conversor de tempo analógico-digital (TDC) de muito baixo consumo e com uma unidade de tempo de 50 ps .
Breve descrição dás figuras A descrição que se segue tem por base as figuras anexas em que, sem qualquer Carácter limitativo se representa :
Na figura 1 a arquitectura dê leitura num sistema múlticanal, incluindo ém cada canal circuitos de amplificação (1) e discriminação (2) do sinal de entrada; dois conversores de tempo analógico-digital (Time-to-Digital Converter - TDC) baseados em interpolação analógica de tempo (3); um controlador
global de leitura dos valores digitais de tempo è energia armazenados em cada canal (4) .
Na figura 2 a arquitectura dós circuitos de amplificação e discriminação do sinal de entrada, incluindo amplificadores diferenciais de baixa impedância constituídos por um cascode dè porta regulada (1), com tensão de base do nó de entrada ajustável (2) e com uma linha de atraso na saída do discriminador de baixo limiar (3) .
Na figura 3 o conceito de duplo limiar onde um limiar muito baixo (1) gera um disparo sobre o primeiro fotoelectrão que é usado para medição de tempo, e um limiar superior (2) que é usado para validar ou descartar o impulso de entrada, e onde a energia do impulso de entrada é obtida a partir da diferença de tempo entre duas marcações de tempo, obtidas com o primeiro limiar na subida do impulso (tO) e com o segundo limiar na descida do impulso (t2), e;
Na figura um modo de execução preferencial de leitura num ASIC composto por 64 canais, blocos de polarização e calibração e um controlador global, onde um lado (1) está livre de pinos, de tal modo que um "chip" gémeo rodado de 180° pode ser acoplado para construir um circuito compacto de 128 canais.
Sumário da invenção
0 aparelho de leitura destinado a medição de tempo de voo e de energia, objecto da invenção e que proporciona rigorosa in ormação de tempo de voo quando usados em sistemas de PET com cristais rápidos, que permitem confinar a origem dos dois fotões de 511 keV com uma incerteza de posição de 30 mm ao longo da linha de resposta ("Line-of-Response - LOR"), compreende essen- cialmente: um fotomultiplicador de silício por canal;
circuitos de amplificação e discriminação do sinal de entrada e dois conversores de tempo analógico- digital (Time-to-Digital Converter - TDC) baseados em interpolação analógica de tempo, para cada canal, como apresentado na Figura 1, em que tais circuitos de entrada e TDC s apresentam um consumo de potência inferior a 10 mW por canal, para utilização em sistemas de Tomografia de
Emissão de Positrões ("Positron Emission Tomography - PET") com Tempo de Voo ("Time-of-Flight - ToF") ;
em que os referidos circuitos de amplificação do sinal de entrada representados na Figura 2 são amplificadores diferenciais de baixa impedância constituídos por um cascode de porta regulada com baixo nível de ruído e elevada largura de banda, e com tensão de base dó nó de entrada ajustável,
um mecanismo de duplo limiar baseado em dois ramos independentes com limiares de disparo de
disoriminadores que podem ser ajustados separadamente, de tal maneira que um limiar muito baixo gere um disparo sobre o primeiro fotoelectrão que é usado para medição de tempo, sendo utilizado um limiar superior para validar ou descartar o impulso de entrada.
0 referido aparelho compreende ainda:
uma linha de atraso na saída do discriminador de baixo limiar, durante o tempo suficiente para aguardar pelo sinal do discriminador de elevado limiar, representado na
Figura 2,
quatro conversores tempo-amplitude (TAÇ) , um conversor analógico-digital (ADC) e registos intermédios do tipo First-In-First-Out (FIFO) associados, para cada um dos dois conversores de tempo analógico-digital (TDCs) referidos, em associação com um bloco de controlo por canal,
um controlador global de leitura dos valores digitais de tempo e energia armazenados em cada canal, representado na Figura 1,
um relógio externo de frequência até 160MHz.
A invenção diz ainda respeito a um método de leitura destinado a medição de tempo de voo e de energia dom fotomult iplicadores de silício, ilustrado na Figura 3, o qual é essencialmente caracterizado por medir o tempo do impulso de entrada utilizando uma baixa tensão de limiar, e por medir a energia do impulso de entrada a partir da diferença de tempo entre duas marcações de tempo, em que a extracção das duas marcações de tempo utiliza dois limiares
de tensão, utilizados respectivamente na subida e na descida do impulso, enquanto é proporcionada uma validação do evento por intermédio de uma maior tensão no segundo limiar, consistindo cada marcação de tempo em dados grosseiros de 10 bits capturados a partir de um contador global de tempo aproximado de codificação binária reflectida, e numa medição de tempo mais fina de 8 bits calculada a partir de um conversor de tempo analógico- digital com uma divisão de escala de tempo de 50 ps, sendo esta marcação de tempo fina uma mèdição directa da fase do impulso assíncrono em relação a um sinal periódico temporizador de referência, utilizando um conjunto de conversores tempo-amplitude e um conversor analógico- digital .
Descrição da arquitectura de leitura
0 estado da arte em sistemas TOFPET sofre de dois inconvenientes principais: consumo de energia elevado e/ou incapacidade para reagir ao primeiro fotoelectrão.
Uma característica comum dos projectos no estado da arte é o uso de um amplificador do lado-da-entrada ("front-end") com um consumo elevado de energia, a fim de diminuir a impedância de entrada do referido circuito e, portanto, alcançar uma grande largura de banda. Esta invenção resolve este problema usando um transportador de corrente de malha fechada na entrada. Este circuito de porta-regulada em configuração "Cascode" diminui a potência
dissipada quando comparado com uma configuração de malha aberta, para o mesmo nível de impedância e ruído na saída. Além disso, a malha de regulação baseia-se num amplificador diferencial, que permite ajustar a tensão DC na entrada e desse modo ajustar o ganho do SiPM.
Os SiPMs são também conhecidos pela sua elevada taxa de contagem escura ("high dark count rate" - DC ) , no qual pixels isolados disparam aleatoriamente devido à excitação térmica. Por outro lado, o sinal produzido por uma contagem escura do SiPM é o mesmo que o que tencionávamos detectar, quando criado pela chegada do primeiro fotòeléctrâo de cintilação num evento detectável. Alguns, sistemas actuais com capacidade PET TOF abordam este desafio com o uso de TDCs baseados em DLL ("DLL-based") , capazes de extrair as informações de tempo mesmo destas contagens espúrias, descartando-as posteriormente ("off- line") . Isto tem um grande impacto no consumo de energia devido ao uso destes TDCs digitais, onde a energia típica por canal é de cerca de 30 m . Este consumo é proibitivo em sistemas muito compactos, pois requer sistemas de refrigeração muito complexos. 0 consumo de energia de TDCs digitais pode ser significativamente reduzido utilizando a tecnologia CMOS sub-micrõn muito profunda (ex 65 nm e abaixo)/ que é no entanto muito cara. Em alternativa, a taxa dé eventos que chegam aos TDCs é reduzida através do aumento do limiar de detecção, mas perdendo-se assim â eapaeidadè de discriminar o primeiro fotòeléctrâo.
Êsta invenção introduz um mecanismo com duplo- limiar ("dual-threshold") . A arquitectura do canal compreende dóis ramos independentes com limiares de detecção que podem ser definidos separadamente (cf. Figura 1) . Isto permite que um limiar muito baixo detecte um Io fotoelectrão, que é utilizado para medições de tempo. Um limiar mais alto é então usado para validar o impulso, caso contrário, o evento é descartado. Isto permite ainda a utilização de conversores de tempo analógico-digital (TDCs) baseados em interpolação analógica de tempo, que fornecem a informação de tempo com precisão sem necessidade de uma implementação numa tecnologia sub-micron muito profunda.
A velocidade mais baixa inerente destes TDCs é compensada pela utilização de um duplo-TDC por canal, para detectar independentemente o tempo dos instantes de subida e descida do sinal.
Dado que somente os eventos válidos são lidos, a quantidade de dados a ser processada pelo lado-da-saida ("backend") do chip é drasticamente reduzida.
Projecto do lado-da-entrada (front-end) do Chip com duplo- ramo
A escolha da própria arquitectura do lado-da- entrada ("f ont-end") do chip (Figura 2) baseia-se nos requisitos de baixo consumo de energia (obrigatório para detectores altamente integrados) e de baixa impedância
(devido ao uso de dispositivos SiPM com capacitância terminal até 300pF) .
Usando um andar de entrada de porta-regulada em configuração cascõd como. transportador de corrente é põssível dissociar a alta capacitância de entrada da função de transferência de transimpedância . A malha regulada é implementada com um par diferencial com carga ativa. Apesar de limitar a largura de banda, quando comparado com uma solução com uma fonte simples e comum, permite controlar facilmente a linha de base da entrada DC. Tal característica é valiosa quando se pretende ajustar com precisão ò ganho do SiPM. Além disso, o ajuste da impedância de entrada torna-se independente tanto da SNR como da linha de base da entrada DC. Este ajuste é feito com um DAC de 6-bit em mòdo dê corrente. Tanto a entrada colecção-buraco ("hole-collection") como a entrada colec- çâo-electrao ( "electron-collection" ) estão disponíveis, permitindo a escolha de foto-sensores diferentes. O sinal é transferido para dois pós-amplificadores com um ganho de transimpedância até 4 ΚΩ, para fornecer, em opção, uma versão de forma do sinal apropriada para a medição do tempo-acima-do-limiar ("Time-over-Threshold") . Dois discriminadores, cujo limiar é definido por DACs de 6-bit independentes, geram os sinais digitais que são aplicados aos TDCs. O ruído rms da tensão total à saída dos amplificadores é mantida abaixo de 5mV, permitindo baixar o limiar de tensão VthT para o nível de 0,5 fótó-electrões .
O método duplo-limiar
A extraçâo de informações de tempo e energia basèia-se num esquema de tempo-acima-do-limiar ("time-over- threshold" - ToT) dual (Figura 3) . Um tensão VthT de baixa amplitude (abaixo de 0,5 foto-electrões ) é usada para -despoletar o primeiro discriminador (na parte crescente do sinal), enquanto informação sobre a validação do evento e o ToT são fornecidas, na parte descendente do impulso do sinal, por uma tensão de limiar maior VthE. Cada informação de tempo ("time stamp") consiste em dados grosseiros de 10 bits, captados pelo contador de tempo grosseiro global, codificados em código "gray", e uma medição precisa de tempo de 8-bit proveniente de uma TDC com unidade de medida de tempo de 50 ps. Esta informação precisa de tempo é uma medida direta da fase do impulso assíncrono em relação ao relógio mestre, usando um conjunto de conversores de tempo- amplitude (TAC) e um conversor analógico-digital (ADC) . A operação dos dois TDCs independentes é controlada por um bloco de controlo dedicado em cada canal. Além de gerir os circuitos de comutação analógicos, implementa o esquema de multi-armazenamento, faz a interligação com o controlador global e executa a validação do evento. A amplitude do sinal produzido por um contagem escura ("dark count") é da mesma ordem de grandeza do sinal produzido por uma ocorrência isolada de um fotão, pelo que os discriminadores então programados para reagir em todos os eventos, espúrios ou não. Três mecanismos alternativos
para rejeição de impulsos escuros foram implementados, com base na validação síncrona e assíncrona de um limiar superior de disparo ("energy trigger") . Descrição de um modo de realização preferencial
A presente invenção, adiante descrita com um modo de realização preferencial, refere-se a um aparelho de leitura e método para medições de tempo-de-voo e energia, caracterizado pela utilização de fotomultiplicadores de silício (SIPM) para fornecer informações precisas de témpo- de-voo ("time-of-flight") , guando usado em sistemas PET com cristais rápidos (por exemplo, LYSO) , que permitem confinar a origem dos dois fotões de 511 keV numa posição ao longo da linha-de-resposta (LOR) com uma incerteza FWHM de 30 mm e permitir uma sensibilidade PET sem precedentes.
0 modo de realização preferencial da arquitectura de leitura descrita é um ASIC composto por 64 canais, blocos de polarização e calibração e um controlador global. Um lado está livre de pinos, de tal modo que um "chip" gémeo rodado de 180° pode ser acoplado para construir um circuito compacto de 128 canais (cf. Fig. 4). O modo de operação nominal usa um relógio de 160 MHz gerado fora do chip. Até duas ligações de saída de dados LVDS estão disponíveis (SDR ou DDR), para uma largura de banda total de 160 a 640 Mbit/s. Um relógio de saída para a transmissão síncrona está disponível, enquanto um modo de treino TX também pode ser usado para evitá-lo. Os dados do evento são
processados no "chip" e a saída é féita èm pacotes com até 64 eventos por pacote . Um modo (modo de segurança) de dados em bruto também esta disponível,, np qual Os dados dos eventos são enviados para a saída sem nenhum processamento aritmético ( ornando assim duas posições por evento no pacote) . Uma interface de configuração do SPI a 10MHz escreve lê a configuração do canal, controla os procedimentos de calibração e modos de teste . 0 relógio, ini.cialização e ò contador de tempo grosseiro é propagado internamente pelo controlador global para cada canal, juntamente com as definições de configuração.
Claims
1. Um aparelho de leitura destinado a medição de tempo de voo e de energia, proporcionando rigorosa informação de tempo de voo quando usados em sistemas de PET com cristais rápidos, que permitem confinar a origem dos dois fotões de 511 keV com uma incerteza de posição de 30 mm âo longo da linha de resposta ("Line-of-Response - LOR") , caracterizado por compreender:
um fotomultiplicador de silício por canal;
circuitos de condicionamento do sinal de entrada e dois conversores de tempo analógico-digital (Time-to- Digital Converter - TDC) baseados em interpolação analógica de tempo, para cada canal, em que tais amplificadores de entrada e TDCs apresentam um consumo de potência inferior a 10 m por canal, para utilização em sistemas de
Tomografia de Emissão de Pòsitrões ("Positron Emission Tomography - PET") com Tempo de Voo ("Time-of-Flight -
ToF") ;
em que os referidos circuitos de condicionamento do sinal de entrada são amplificadores diferenciais de baixa impedância constituídos por um cascode de porta regulada com baixo nível de ruído e elevada largura de banda, e com tensão de base do nó de entrada ajustável, um mecanismo de duplo limiar baseado em dois ramos independentes com limiares de disparo de discriminadores que podem ser ajustados separadamente, de tal maneira que um limiar muito baixo gere um disparo sobre
Q primeiro fotoelecLrão que é usado pára medição de tempo, sendo utilizado um limiar superior para validar ou descartar o impulso de entrada.
2. Um aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma linha de atraso na saida do disçriminador de baixo limiar, durante o tempo suficiente para aguardar pelo sinal do disçriminador de elevado limiar, como um meio para evitar ò disparo de contagens no escuro de SiPM.
3. Um aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda um conversor tempo analógico-digital duplo por canal para medir de forma independente o instante dos limites de subida e de queda dos sinais de entrada, e por proporcionar marcações de tempo em que ò mencionado tempo aproximado é dado por um contador global de 10 bits de tempo aproximado de codificação binária reflectida, e o mencionado tempo com precisão mais fina é calculado a partir de um TDC de 8 bits com uma divisão de escala de tempo de 50 ps.
4. Um aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda quatro conversores tempo-amplitude (TAC) , um conversor analógico-digital (ADC) e registos intermédios do tipo First-Irt-First-O t (FIFO) associados, para cada um dos dois conversores de tempo analógico-digital (TDCs) referidos, em associação com um bloco de controlo por canal.
5. Um aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda um controlador global de leitura dos valores digitais de tempo e energia armazenados em cada canal.
6. Um aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por consistir num Circuito Integrado Especifico ("Application Specific Integrated Circuit ASIC") constituído por 64 canais, em blocos de polarização e de calibração, e num controlador global.
7. Um aparelho de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por apresenta uma aresta sem pinos, de maneira que um outro chip simétrico lhe possa ser encostado para construir um circuito compacto de 128 canais.
8. Um aparelho de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por compreender um relógio externo de frequência até 160 MHz com funcionamento nominal.
9. Um aparelho de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por ser dotado de duas ligações de saída de dados LVDS, para uma largura de banda total até 640 Mbit/s .
10. Um aparelho de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por compreender ma interface de configuração SPI de 10 MHz, que escreve e lê â configuração de canal, controla os procèssamentôs de calibração e modos de teste.
11. Método de leitura destinado a medição de
tempo de voo e de energia com fotomult iplicadores de silício, caracterizado por
medir o tempo do impulso de entrada utilizando uma baixa tensão de limiar,
medir a energia do impulso de entrada a partir da diferença de tempo entre duas marcações de tempo,
em que a extracção das duas marcações de tempo utiliza dois limiares de tensão, utilizados respectivamente na subida e na descida do impulso, enquanto é proporcionada uma validação do evento por intermédio de uma maior tensão no segundo limiar, consistindo cada marcação de tempo em dados grosseiros de 10 bits capturados a partir de um contador global de tempo aproximado de codificação binária reflectida, e numa medição de tempo mais fina de 8 bits calculada a partir de um conversor de tempo analógico- digital com uma divisão de escala de tempo de 50 ps, sendo esta marcação de tempo fina uma medição directa da fase do impulso assíncrono em relação a um sinal periódico temporizador de referência, utilizando um conjunto de conversores tempo-amplitude e um conversor analógico- digital .
12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o funcionamento dos dois conversores de tempo analógico-digital ser controlado por um bloco de controlo de canal dedicado que faz a gestão dos circuitos de comutação analógica, implementa o esquema de múltiplos registos intermédios, faz a interface com o controlador global e realiza a validação do evento
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