Travaux similaires

Avant la publication de cet article, il n'y avait pas d'étude détaillée de l'impact des comptes d'obscurité sur la sensibilité et la résolution temporelle de matrices PAMP à lecture lo- gique. [Somlai-Schweiger et al., 2015] étudient des résultats expérimentaux pour l'archi- tecture spécique de Philips [Frach et al., 2010]. Les tests d'ecacité de détection sont dicilement comparables puisqu'il n'est pas possible de savoir avec exactitude le nombre d'événements interagissant réellement dans le scintillateur, mais la variation du nombre d'événements en fonction du niveau de discrimination abonde dans le même sens que les simulations du présent chapitre. De plus, les mesures temporelles par niveau du discri- minateur probabiliste suivent aussi les mêmes ordres de grandeur, appuyant ici aussi les conclusions découlant des simulations.

6.4 Conclusion

Ce chapitre présente un nouveau concept de disciminateur de comptes d'obscurité destiné à une matrice PAMP à lecture logique avec un seul CTN. Les simulations démontrent que ce discriminateur à ligne à retard ne dégrade pas la mesure temporelle à ses niveaux de seuils supérieurs, contrairement au discriminateur probabiliste. Par contre, la ligne à retard est moins performante en termes d'ecacité de déclenchement à niveaux élevés de comptes d'obscurité. Ces derniers ne seront jamais entièrement éliminés, mais deviennent de plus en plus réduits même dans les technologies CMOS commerciales [Leitner et al., 2013; Nouri et al., 2012; Veerappan et Charbon, 2016]. À faible et moyen taux de comptes

86 CHAPITRE 6. DISCRIMINATEUR DE COMPTES D'OBSCURITÉS d'obscurité, la ligne à retard apportera donc un gain d'ecacité de détection sans changer la résolution temporelle, lui procurant un avantage sur le discriminateur probabiliste. Il faut maintenant concevoir et réaliser une architecture d'acquisition an de valider ex- périmentalement ce discriminateur. Le prochain chapitre présente cette architecture, avec les résultats expérimentaux initiaux obtenus.

CHAPITRE 7

Architecture d’acquisition

7.1 Avant-propos

Auteurs et affiliation :

Marc-André Tétrault : étudiant au doctorat, Université de Sherbrooke, Faculté de génie, Département de génie électrique et de génie informatique

Étienne Desaulniers Lamy : étudiant à la maîtrise, Université de Sherbrooke, Faculté de génie, Département de génie électrique et de génie informatique

Alexandre Boisvert : étudiant à la maîtrise, Université de Sherbrooke, Faculté de génie, Département de génie électrique et de génie informatique

Christian Thibaudeau : étudiant au doctorat, Université de Sherbrooke, Faculté de médecine, Département de radiobiologie et médecine nucléaire

Moez Kanoun : étudiant au doctorat, Université de Sherbrooke, Faculté de génie, Département de génie électrique et de génie informatique

Frédérik Dubois : stagiaire au baccalauréat, Université de Sherbrooke, Faculté de génie, Département de génie électrique et de génie informatique

Réjean Fontaine : Professeur, Université de Sherbrooke, Faculté de génie, Départe- ment de génie électrique et de génie informatique

Jean-François Pratte : Professeur, Université de Sherbrooke, Faculté de génie, Dé- partement de génie électrique et de génie informatique

Date d’acceptation : 26 février 2015

État de l’acceptation : version nale publiée en juin 2015 Revue : IEEE Transactions on Nuclear Science

Référence : c○ 2015 IEEE. Réimpression, avec permission, [Tetrault et al., 2015a] Titre français : Architecture discrétisée de lecture en temps réel de matrice PAMP pour

la mesure de temps de vol en TEP 87

88 CHAPITRE 7. ARCHITECTURE D'ACQUISITION Contribution au document :

Cet article présente une architecture de système d'acquisition qui répond aux dif- férentes questions de recherche soulignées dans le chapitre d'introduction. L'archi- tecture repose sur la lecture logique d'une matrice de PAMP avec un seul CTN et inclut un arbre de portes OU minimisant la variance des délais de propagation. L'ar- chitecture incorpore le discriminateur de comptes d'obscurité présenté au chapitre précédent avec des modules de traitement de signaux en temps réel qui réduisent si- gnicativement la charge de données à transmettre, et donc le temps mort potentiel du système. Dans cette architecture, chaque PAMP peut contribuer plus d'une ava- lanche par événement de scintillation, réduisant l'eet de non-linéarité de la mesure d'énergie par rapport à d'autres systèmes similaires. Pour parvenir à intégrer toute cette électronique sans inuencer le facteur de remplissage, l'architecture s'appuie sur l'intégration verticale à trois niveaux.

Résumé français :

Les recherches et développements des dernières années démontrent que les matrices de photodiodes à avalanche monophotonique (PAMP) sont des candidates très inté- ressantes pour les mesures de temps de vol en tomographie d'émission par positrons (TEP). Par rapport aux approches de lecture analogique, la lecture discrétisée des matrices PAMP réduit signicativement l'impact du bruit électronique et ore un contrôle très n sur les seuils de détection et les stratégies de marquage temporel. Par contre, la fraction photosensible est un paramètre majeur pour obtenir des per- formances temporelles maximales avec les matrices, et par conséquent l'espace dis- ponible pour l'intégration de circuits logiques intelligents voisinant les photodiodes est limité. Malgré cette contrainte, un appareil TEP de production utilisé tous les jours doit minimiser sa bande passante, la quantité totale de données enregistrées, le temps d'analyse post-acquisition et la puissance totale consommée et par consé- quent, un système de lecture et d'analyse de données en temps réel doit être placé le plus près possible du détecteur.

Nous proposons une architecture de lecture de matrices PAMP, entièrement logique, ÷uvrant en temps réel et intégrée à même le détecteur. Le circuit de lecture est placé directement sous la matrice de PAMP plutôt qu'à côté de chaque diode ou qu'à la périphérie de la matrice an d'échapper au compromis entre la fraction photosensible et la complexité des fonctionnalités intégrées. Puisque l'analyseur en temps réel supporte toutes les étapes d'analyses des données, le système n'a qu'à

7.1. AVANT-PROPOS 89 envoyer les informations requises par le détecteur de coïncidences, ce qui diminue signicativement la quantité de données à transmettre.

Un prototype avec intégration verticale (3D) implanté sur deux couches de CMOS 130 nm Global Foundry / Tezzaron supporte la lecture indépendante de 6 cristaux scintillateurs. La lecture temporelle est obtenue à l'aide d'un discriminateur de pre- mier photon et un convertisseur temps numérique (CTN) de 31 ps de résolution. La lecture de l'énergie et l'empaquetage des données sont faits en temps réel avec de la logique synchrone réalisée avec une librairie de cellules standards, le tout intégré dans le circuit intégré. Le port de communication série dédié supporte un taux de transfert soutenu de 2.2 millions d'événements de scintillation par seconde en mode TEP normal, ou 170 000 événements par seconde dans un mode oscilloscope pour les tests, validations et développements post-acquisition.

Note : Contient quelques modications syntaxiques par rapport à la version publiée suite aux commentaires du jury, mais le propos est identique.

90 CHAPITRE 7. ARCHITECTURE D'ACQUISITION