Sampling ADC based data acquisition for positron emission tomography [Elektronische Ressource] / Alexander Bernd Mann
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TECHNISCHE UNIVERSITÄTMÜNCHENSamplingADCBasedDataAcquisitionforPositronEmissionTomographyDissertationvonAlexanderBerndMannTECHNISCHEUNIVERSITÄTMÜNCHENLehrstuhlfürDatenverarbeitungLehrstuhlfürExperimentalphysikE18SamplingADCBasedDataAcquisitionforPositronEmissionTomographyAlexanderBerndMannVollständigerAbdruckdervonderFakultätfürElektrotechnikundInformations-technikderTechnischenUniversitätMünchenzurErlangungdesakademischenGradeseinesDoktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)genehmigtenDissertation.Vorsitzender: Univ.-Prof.Dr.-Ing.Th.EibertPrüferderDissertation:1. Univ.-Prof.Dr.-Ing.K.Diepold2. Univ.-Prof.Dr.rer.nat.St.PaulDieDissertationwurdeam02.12.2009beiderTechnischenUniversitätMüncheneingereicht und durch die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnikam13.04.2010angenommen.AbstractThis work addresses the requirements of a data acquisition system for the MunichAvalanche Diode Positron Emission Tomograph-II (MADPET-II), a PET scanner systemfor radiopharmaceutical studies with small animals. The unique detector design, withsingle channel readout of scintillator crystals using avalanche photodiodes, allows highcount rates and improved image reconstruction performance. The data acquisition sys-tem is therefore continuously digitizing all 1152 detector channels and has to extract aprecise energy and time information for each detected signal in real-time.

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Published 01 January 2010
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TECHNISCHE UNIVERSITÄT
MÜNCHEN
SamplingADCBasedDataAcquisition
for
PositronEmissionTomography
Dissertation
von
AlexanderBerndMannTECHNISCHEUNIVERSITÄTMÜNCHEN
LehrstuhlfürDatenverarbeitung
LehrstuhlfürExperimentalphysikE18
SamplingADCBasedDataAcquisition
for
PositronEmissionTomography
AlexanderBerndMann
VollständigerAbdruckdervonderFakultätfürElektrotechnikundInformations-
technikderTechnischenUniversitätMünchenzurErlangungdesakademischen
Gradeseines
Doktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)
genehmigtenDissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof.Dr.-Ing.Th.Eibert
PrüferderDissertation:
1. Univ.-Prof.Dr.-Ing.K.Diepold
2. Univ.-Prof.Dr.rer.nat.St.Paul
DieDissertationwurdeam02.12.2009beiderTechnischenUniversitätMünchen
eingereicht und durch die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
am13.04.2010angenommen.Abstract
This work addresses the requirements of a data acquisition system for the Munich
Avalanche Diode Positron Emission Tomograph-II (MADPET-II), a PET scanner system
for radiopharmaceutical studies with small animals. The unique detector design, with
single channel readout of scintillator crystals using avalanche photodiodes, allows high
count rates and improved image reconstruction performance. The data acquisition sys-
tem is therefore continuously digitizing all 1152 detector channels and has to extract a
precise energy and time information for each detected signal in real-time. The current
front-endspecificationisthususedasastartingpointtoevaluatedifferentfeatureextrac-
tionalgorithmsbysimulation. Thesimulatedresultsarethencomparedtorealmeasure-
mentswiththeMADPET-IandMADPET-IIsystems. Furthermeasurementsaretargeting
the data acquisition with novel silicon photomultiplier detectors, especially focusing on
thechallengingmultimodalcombinationofPETandmagneticresonanceimaging(MRI).
In addition, the work addresses also the offline calibration of the scanner system, using
the recorded data. The data acquisition system is realized with FPGA based electronic
modules, already used in high energy physics, utilizing the possible synergies between
bothresearchfields. Thisleadstothedevelopmentofanewmezzaninesamplinganalog-
to-digital converter card which can be the basic building block of an updated readout
systemforMADPET-II.Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Anforderungen an ein Datener-
fassungssystem für den Munich Avalanche Diode Positron Emission Tomograph-II
(MADPET-II), einem PET Scanner zur Durchführung von radiopharmazeutischen Stu-
dien an kleinen Tieren. Dessen spezielles Detektordesign, basierend auf Einzelka-
nalauslese der Szintillatorkristalle durch Lawinenphotodioden, erlaubt hohe Zählraten
sowieeineverbesserteBildrekonstruktion. DasDatenerfassungssystemdigitalisiertdazu
kontinuierlich alle 1152 Detektorkanäle und muss danach in Echtzeit zu jedem detek-
tierten Ereignis eine präzise Energie- und Zeitinformation bestimmen. Hierzu wird
die derzeitige Detektorspezifikation als Ausgangspunkt verwendet, um verschiedene
Algorithmen zur Merkmalsextraktion mittels Simulationen zu bewerten. Die Simula-
tionsergebnisse werden danach mit echten Messdaten von MADPET-I und MADPET-II
verglichen. Weitergehende Messungen betrachten die Datenerfassung mit Silizium-
Photomultiplier Detektoren, insbesondere im Hinblick auf die anspruchsvolle, multi-
modaleKombinationvonPETundMagnetresonanztomographie(MRT).Weiterhingeht
dieArbeitauchaufdieOffline-KalibrierungdesScannersystemsmittelsderaufgezeich-
neten Daten ein. Die Datenerfassung ist mit FPGA basierten Elektronikmodulen re-
alisiert, die bereits in der Hochenergiephysik Verwendung finden, wodurch sich Syn-
ergieeffekte zwischen den beiden Fachgebieten nutzen lassen. Dies führt schließlich zu
derEntwicklungeinerneuenMezzanineSamplingADCKartealsGrundbausteinfürein
aktualisiertesAuslesesystemdesMADPET-IIScanners.‘WhereshallIbegin,pleaseyourMajesty?’ heasked.
‘Beginatthebeginning,’theKingsaidgravely,‘andgoontillyoucometotheend: thenstop.’
LewisCarroll,Alice’sAdventuresinWonderland
Thebeginningisthemostimportantpartofthework.
Plato,TheRepublicContents
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 IntroductiontoPositronEmissionTomography 5
2.1 PositronDecayandTracers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 PETDetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 PhotonDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3 DetectorSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 ImageReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 MultimodalityImaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 TheMADPET-IISmallAnimalPETSystem 21
3.1 ClinicversusSmallAnimalPETImaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 TheMADPET-IIDetectorConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 APDReadoutElectronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 DataAcquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 DetectorCalibrationProcedures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.1 EnergyCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.2 ExistingTimeCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.3 AnalyticTimeCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 DataAcquisitionBasedonSamplingADCs 45
4.1 SignalSampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.1 DetectorSignalModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.2 ADCRequirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.3 EffectsduetoSampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 TriggerDecision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1 SignalAveraging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
ICONTENTS
4.3 AmplitudeDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.1 Pile-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.2 SignalConditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.3 AmplitudeMeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.4 SensitivitytoNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.5 SummaryoftheAmplitudeDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.4 TimeReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.1 LeadingEdgeTiming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.2 ConstantFractionTiming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.3 LeastSquaresTiming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4.4 SummaryoftheTimeReconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.5 PulseShapeOptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5 SamplingADCBasedElectronics 109
5.1 TheCOMPASSSamplingADCSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.1.1 TheSamplingADCModule(SADC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.1.2 TheMultiplexerModule(MUX8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.1.3 TheClockDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.4 ThePCIInterface/BufferModule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.1.5 SADCUSBInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2 IntroductiontoFieldProgrammableGateArrays(FPGAs) . . . . . . . . . 116
5.2.1 InternalStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.2 DesignProcess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3 FirmwareDevelopment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.3.1 SADCFirmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.3.2 MUX8Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.4 ATCABasedElectronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.4.1 TheMezzanineSamplingADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.4.2 MSADCUSBInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6 SamplingADCMeasurements 133
6.1 MADPET-IIMeasurementSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2 DataAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.2.1 AmplitudeExtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
6.2.2 TimeExtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.3 MADPET-IMeasurementSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3.1 MADPET-IHardwareOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3.2 DataAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
II