Detectores monolíticos y sensores compatibles con altos campos magnéticos para tomografía por emisión de positrones

Esta tesis recoje un trabajo experimental centrado en profundizar sobre el conocimiento de los bloques detectores monolíticos como alternativa a los detectores segmentados para tomografía por emisión de positrones (Positron Emission Tomography, PET). El trabajo llevado a cabo incluye el desarrollo, la caracterización, la puesta a punto y la evaluación de prototipos demostradores PET utilizando bloques monolíticos de ortosilicato de lutecio ytrio dopado con cerio (Cerium-Doped Lutetium Yttrium Orthosilicate, LYSO:Ce) usando sensores compatibles con altos campos magnéticos, tanto fotodiodos de avalancha (Avalanche Photodiodes, APDs) como fotomultiplicadores de silicio (Silicon Photomultipliers, SiPMs). Los prototipos implementados con APDs se construyeron para estudiar la viabilidad de un prototipo PET de alta sensibilidad previamente simulado, denominado BrainPET. En esta memoria se describe y caracteriza la electrónica frontal integrada utilizada en estos prototipos junto con la electrónica de lectura desarrollada específicamente para los mismos. Se muestran los montajes experimentales para la obtención de las imágenes tomográficas PET y para el entrenamiento de los algoritmos de red neuronal utilizados para la estimación de las posiciones de incidencia de los fotones γ sobre la superficie de los bloques monolíticos. Con el prototipo BrainPET se obtuvieron resultados satisfactorios de resolución energética (13 % FWHM), precisión espacial de los bloques monolíticos (~ 2 mm FWHM) y resolución espacial de la imagen PET de 1,5 - 1,7 mm FWHM. Además se demostró una capacidad resolutiva en la imagen PET de ~ 2 mm al adquirir simultáneamente imágenes de fuentes radiactivas separadas a distancias conocidas. Sin embargo, con este prototipo se detectaron también dos limitaciones importantes. En primer lugar, se constató una falta de flexibilidad a la hora de trabajar con un circuito integrado de aplicación específica (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) cuyo diseño electrónico no era propio sino comercial, unido al elevado coste que requieren las modificaciones del diseño de un ASIC con tales características. Por otra parte, la caracterización final de la electrónica integrada del BrainPET mostró una resolución temporal con amplio margen de mejora (~ 13 ns FWHM). Tomando en cuenta estas limitaciones obtenidas con los prototipos BrainPET, junto con la evolución tecnológica hacia matrices de SiPM, el conocimiento adquirido con los bloques monolíticos se trasladó a la nueva tecnología de sensores disponible, los SiPMs. A su vez se inició una nueva estrategia para la electrónica frontal, con el ASIC FlexToT, un ASIC de diseño propio basado en un esquema de medida del tiempo sobre umbral (Time over Threshold, ToT), en donde la duración del pulso de salida es proporcional a la energía depositada. Una de las características más interesantes de este esquema es la posibilidad de manejar directamente señales de pulsos digitales, en lugar de procesar la amplitud de las señales analógicas. Con esta arquitectura electrónica se sustituyen los conversores analógicos digitales (Analog to Digital Converter, ADCs) por conversores de tiempo digitales (Time to Digital Converter, TDCs), pudiendo implementar éstos de forma sencilla en matrices de puertas programmable ‘in situ’ (Field Programmable Gate Array, FPGA), reduciendo con ello el consumo y la complejidad del diseño. Se construyó un nuevo prototipo demostrador FlexToT para validar dicho ASIC para bloques monolíticos o segmentados. Se ha llevado a cabo el diseño y caracterización de la electrónica frontal necesaria para la lectura del ASIC FlexToT, evaluando su linealidad y rango dinámico, el comportamiento frente a ruido así como la no linealidad diferencial obtenida con los TDCs implementados en la FPGA. Además, la electrónica presentada en este trabajo es capaz de trabajar con altas tasas de actividad y de discriminar diferentes centelleadores para aplicaciones phoswich. El ASIC FlexToT proporciona una excelente resolución temporal en coincidencia para los eventos correspondientes con el fotopico de 511 keV (128 ps FWHM), solventando las limitaciones de resolución temporal del prototipo BrainPET. Por otra parte, la resolución energética con bloques monolíticos leidos por ASICs FlexToT proporciona una resolución energética de 15,4 % FWHM a 511 keV. Finalmente, se obtuvieron buenos resultados en la calidad de la imagen PET y en la capacidad resolutiva del demostrador FlexToT, proporcionando resoluciones espaciales en el centro del FoV en torno a 1,4 mm FWHM. ABSTRACT This thesis is focused on the development of experimental activities used to deepen the knowledge of monolithic detector blocks as an alternative to segmented detectors for Positron Emission Tomography (PET). It includes the development, characterization, setting up, running and evaluation of PET demonstrator prototypes with monolithic detector blocks of Cerium-doped Lutetium Yttrium Orthosilicate (LYSO:Ce) using magnetically compatible sensors such as Avalanche Photodiodes (APDs) and Silicon Photomultipliers (SiPMs). The prototypes implemented with APDs were constructed to validate the viability of a high-sensitivity PET prototype that had previously been simulated, denominated BrainPET. This work describes and characterizes the integrated front-end electronics used in these prototypes, as well as the electronic readout system developed especially for them. It shows the experimental set-ups to obtain the tomographic PET images and to train neural networks algorithms used for position estimation of photons impinging on the surface of monolithic blocks. Using the BrainPET prototype, satisfactory energy resolution (13 % FWHM), spatial precision of monolithic blocks (~ 2 mm FWHM) and spatial resolution of the PET image (1.5 – 1.7 mm FWHM) in the center of the Field of View (FoV) were obtained. Moreover, we proved the imaging capabilities of this demonstrator with extended sources, considering the acquisition of two simultaneous sources of 1 mm diameter placed at known distances. However, some important limitations were also detected with the BrainPET prototype. In the first place, it was confirmed that there was a lack of flexibility working with an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) whose electronic design was not own but commercial, along with the high cost required to modify an ASIC design with such features. Furthermore, the final characterization of the BrainPET ASIC showed a timing resolution with room for improvement (~ 13 ns FWHM). Taking into consideration the limitations obtained with the BrainPET prototype, along with the technological evolution in magnetically compatible devices, the knowledge acquired with the monolithic blocks were transferred to the new technology available, the SiPMs. Moreover, we opted for a new strategy in the front-end electronics, the FlexToT ASIC, an own design ASIC based on a Time over Threshold (ToT) scheme. One of the most interesting features underlying a ToT architecture is the encoding of the analog input signal amplitude information into the duration of the output signals, delivering directly digital pulses. The electronic architecture helps substitute the Analog to Digital Converters (ADCs) for Time to Digital Converters (TDCs), and they are easily implemented in Field Programmable Gate Arrays (FPGA), reducing the consumption and the complexity of the design. A new prototype demonstrator based on SiPMs was implemented to validate the FlexToT ASIC for monolithic or segmented blocks. The design and characterization of the necessary front-end electronic to read-out the signals from the ASIC was carried out by evaluating its linearity and dynamic range, its performance with an external noise signal, as well as the differential nonlinearity obtained with the TDCs implemented in the FPGA. Furthermore, the electronic presented in this work is capable of working at high count rates and discriminates different phoswich scintillators. The FlexToT ASIC provides an excellent coincidence time resolution for events that correspond to 511 keV photopeak (128 ps FWHM), resolving the limitations of the poor timing resolution of the BrainPET prototype. Furthermore, the energy resolution with monolithic blocks read by FlexToT ASICs provides an energy resolution of 15.4 % FWHM at 511 keV. Finally, good results were obtained in the quality of the PET image and the resolving power of the FlexToT demonstrator, providing spatial resolutions in the centre of the FoV at about 1.4 mm FWHM.

Calculadores analógicos, métodos de programación

Material elaborado por D. F. Sáez Vacas profesor de la asignatura de Ordenadores Electrónicos

Design of a remote controlled hovercraft

Este informe trata el diseño, desarrollo y construcción de un aerodeslizador de pequeño tamaño, equipado con control remoto que permite al usuario actuar sobre la velocidad y dirección del mismo. Este proyecto podrá ser utilizado en un futuro como base para el desarrollo de aplicaciones más complejas. Un aerodeslizador es un medio de transporte cuyo chasis se eleva sobre el suelo por medio de un motor impulsor que hincha una falda colocada en la parte inferior del mismo. Además, uno o más motores se colocan en la parte trasera del vehículo para propulsarlo. El hecho de que el aerodeslizador no este en contacto directo con la tierra, hace que pueda moverse tanto por tierra como sobre el agua o hielo y que sea capaz de superar pequeños obstáculos. Por otra parte, este hecho se convierte a su vez en un problema debido a que su fuerza de rozamiento al desplazarse es muy pequeña, lo que provoca que sea muy difícil de frenar, y tienda a girar por sí mismo debido a la inercia del movimiento y a las fuerzas provocadas por las corrientes de aire debajo del chasis. Sin embargo, para este proyecto no se ha colocado una falda debajo del mismo, debido a que su diseño es bastante complicado, por lo tanto la fricción con el suelo es menor, aumentando los problemas detallados con anterioridad. El proyecto consta de dos partes, mando a distancia y aerodeslizador, que se conectan a través de antenas de radiofrecuencia (RF). El diseño y desarrollo de cada una ha sido realizado de manera separada exceptuando la parte de las comunicaciones entre ambas. El mando a distancia se divide en tres partes. La primera está compuesta por la interfaz de usuario y el circuito que genera las señales analógicas correspondientes a sus indicaciones. La interfaz de usuario la conforman tres potenciómetros: uno rotatorio y dos deslizantes. El rotatorio se utiliza para controlar la dirección de giro del aerodeslizador, mientras que cada uno de los deslizantes se emplea para controlar la fuerza del motor impulsor y del propulsor respectivamente. En los tres casos los potenciómetros se colocan en el circuito de manera que actúan como divisores de tensión controlables. La segunda parte se compone de un microcontrolador de la familia PSoC. Esta familia de microcontroladores se caracteriza por tener una gran adaptabilidad a la aplicación en la que se quieran utilizar debido a la posibilidad de elección de los periféricos, tanto analógicos como digitales, que forman parte del microcontrolador. Para el mando a distancia se configura con tres conversores A/D que se encargan de transformar las señales procedentes de los potenciómetros, tres amplificadores programables para trabajar con toda la escala de los conversores, un LCD que se utiliza para depurar el código en C con el que se programa y un módulo SPI que es la interfaz que conecta el microcontrolador con la antena. Además, se utilizan cuatro pines externos para elegir el canal de transmisión de la antena. La tercera parte es el módulo transceptor de radio frecuencia (RF) QFM-TRX1-24G, que en el mando a distancia funciona como transmisor. Éste utiliza codificación Manchester para asegurar bajas tasas de error. Como alimentación para los circuitos del mando a distancia se utilizan cuatro pilas AA de 1,5 voltios en serie. En el aerodeslizador se pueden distinguir cinco partes. La primera es el módulo de comunicaciones, que utiliza el mismo transceptor que en el mando a distancia, pero esta vez funciona como receptor y por lo tanto servirá como entrada de datos al sistema haciendo llegar las instrucciones del usuario. Este módulo se comunica con el siguiente, un microcontrolador de la familia PSoC, a través de una interfaz SPI. En este caso el microcontrolador se configura con: un modulo SPI, un LCD utilizado para depurar el código y tres módulos PWM (2 de 8 bits y uno de 16 bits) para controlar los motores y el servo del aerodeslizador. Además, se utilizan cuatro pines externos para seleccionar el canal de recepción de datos. La tercera y cuarta parte se pueden considerar conjuntamente. Ambas están compuestas por el mismo circuito electrónico basado en transistores MOSFET. A la puerta de cada uno de los transistores llega una señal PWM de 100 kilohercios que proviene del microcontrolador, que se encarga de controlar el modo de funcionamiento de los transistores, que llevan acoplado un disipador de calor para evitar que se quemen. A su vez, los transistores hacen funcionar al dos ventiladores, que actúan como motores, el impulsor y el propulsor del aerodeslizador. La quinta y última parte es un servo estándar para modelismo. El servo está controlado por una señal PWM, en la que la longitud del pulso positivo establece la posición de la cabeza del servo, girando en uno u otra dirección según las instrucciones enviadas desde el mando a distancia por el usuario. Para el aerodeslizador se han utilizado dos fuentes de alimentación diferentes: una compuesta por 4 pilas AA de 1,5 voltios en serie que alimentarán al microcontrolador y al servo, y 4 baterías de litio recargables de 3,2 voltios en serie que alimentan el circuito de los motores. La última parte del proyecto es el montaje y ensamblaje final de los dispositivos. Para el chasis del aerodeslizador se ha utilizado una cubierta rectangular de poli-estireno expandido, habitualmente encontrado en el embalaje de productos frágiles. Este material es bastante ligero y con una alta resistencia a los golpes, por lo que es ideal para el propósito del proyecto. En el chasis se han realizado dos agujeros: uno circular situado en el centro del mismo en el se introduce y se ajusta con pegamento el motor impulsor, y un agujero con la forma del servo, situado en uno del los laterales estrechos del rectángulo, en el que se acopla el mismo. El motor propulsor está adherido al cabezal giratorio del servo de manera que rota a la vez que él, haciendo girar al aerodeslizador. El resto de circuitos electrónicos y las baterías se fijan al chasis mediante cinta adhesiva y pegamento procurando en todo momento repartir el peso de manera homogénea por todo el chasis para aumentar la estabilidad del aerodeslizador. SUMMARY: In this final year project a remote controlled hovercraft was designed using mainly technology that is well known by students in the embedded systems programme. This platform could be used to develop further and more complex projects. The system was developed dividing the work into two parts: remote control and hovercraft. The hardware was of the hovercraft and the remote control was designed separately; however, the software was designed at the same time since it was needed to develop the communication system. The result of the project was a remote control hovercraft which has a user friendly interface. The system was designed based on microprocessor technologies and uses common remote control technologies. The system has been designed with technology commonly used by the students in Metropolia University so that it can be readily understood in order to develop other projects based on this platform.