Medikal görüntüleme cihazlarında kullanılan TDC mimarisinin VLSI gerçeklenmesi

Abstract

PET, canlı bir vücut içindeki pozitron yayan radyonüklidlerin konsantrasyonlarının ölçülmesine dayanan tıbbi bir görüntüleme yöntemidir. PET görüntüleme sisteminde glikoz, pozitron yayan bir radyonüklid ile işaretlenip hastaya intravenöz olarak enjekte edilir. Pozitronlar doku içerisinde ilerleyip etkileştiği hücrelerin elektronları ile çarpışırlar. Bu etkileşim sonucu birbirine zıt yönde yayılan iki adet gama ışını oluşur. Radyoaktif glikozu tutmuş olan kanserli dokudan yayılan ışınlar halka şeklinde sıralanmış dedektörler aracılığı ile tespit edilir. Gama ışınları karşıt konumlandırılmış dedektörlere eşit sürede ulaşmıyor olabilir. ToF özelliğine sahip olan PET'lerde tespit edilen ışınlar, iki fotonun dedektörlere ulaşma zamanı arasındaki farkın ölçülmesi prensibine dayanan bir yöntem ile daha iyi bir konumlama bilgisi elde etmeyi hedefler. Uçuş zamanının ölçülmesi işlemi TDC yapıları ile gerçekleştirilir. Ps mertebesindeki bu zaman farkının ölçülme kabiliyeti PET sisteminin uzaysal çözünürlüğü ile doğrudan ilgilidir. Bu çalışmada PET sistemlerinde kullanım için çeşitli mimari yaklaşımına sahip TDC yapılarının 45nm CMOS VLSI benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan TDC mimarileriyle iki gama fotonunun dedektörlere ulaşma zamanı simülasyonu gerçekleştirilmiş ve zaman farkı başarılı bir şekilde sayısallaştırılmıştır. Ayrıca TDC mimarilerinin giriş çıkış gerilimleri, zamansal çözünürlükleri, ölçüm aralıkları ve güç analizleri gibi çeşitli performans ölçütleri belirlenmiştir. Bununla birlikte, farklı CMOS teknoloji boyutlarındaki TDC benzetimlerinin zamansal çözünürlük değişimleri de incelenmiştir. Tasarımı yapılan Vernier anahtarlamalı halka osilatör tabanlı TDC mimarisi ile 1V besleme geriliminde 5,23-mW gibi çok düşük güç tüketiminde 3,8 ps mertebesinde zamansal çözünürlüklere ulaşılmıştır.

PET is a medical imaging method based on the measurement of concentrations of positron emitting radionuclides in living body. In PET, glucose is labeled with a positron emitting radionuclide and injected intravenously. Then, positrons move through tissue and collide with electrons of cells in which they interact. As a result of this interaction, two gamma rays are emitted in opposite direction. Gama rays emitted from cancerous tissue that have retained radioactive glucose are detected through ring-shaped detectors. Gamma rays may not reach detectors located in opposite position in equal time. In PETs having ToF characteristics, it is aimed to obtain better positioning information by a method based on principle of measuring difference between reach time of two photons to detectors. Measurement of ToF is carried out with TDC structures. Measurement of this time difference at ps level is directly related to spatial resolution of PET. In this study, 45nm CMOS VLSI simulations of TDC structures which have various architectural approaches were performed for using in PET. With designed TDC architectures, two gamma photons reach time to detectors have been simulated and time difference has been successfully digitized. In addition, various performance metrics such as input and output voltages, time resolutions, measurement ranges and power analysis of TDC architectures have been determined. Further, time resolution changes of TDC implementations which have different CMOS technology parameters were also examined. The proposed Vernier-ring-oscillator-based TDC architecture has been reached 3.8-ps time resolution at very low power consumption of 5.23-mW in 1V supply voltage.