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Asymmetric Data Acquisition System for an Endoscopic PET-US Detector
Los estudios actuales sobre el pronóstico del cáncer de páncreas indican que la tasa de supervivencia sigue siendo muy baja (alrededor del 6%), principalmente debido a su detección tardía. Para mejorar el diagnóstico, el proyecto EndoTOFPET-US propone una técnica de imagen multimodal para exámenes endoscópicos del páncreas, que combina la alta resolución metabólica de la tomografía por emisión de positrones con tiempo de vuelo (TOF-PET) y la información anatómica del ultrasonido (US).
El sistema desarrollado incluye dos detectores innovadores: uno integrado en un endoscopio ultrasónico y otro colocado sobre el abdomen del paciente. Ambos generan flujos de datos distintos que deben ser gestionados por un sistema de adquisición de datos (DAQ) de alto rendimiento.
Para manejar esta complejidad, se implementa un DAQ distribuido con múltiples niveles de activación (triggering), repartido entre la electrónica de los detectores y un sistema externo de reconstrucción. Los resultados obtenidos con prototipos demuestran que este enfoque es adecuado para este tipo de aplicaciones y tiene potencial para otros sistemas con datos asimétricos.
Performance evaluation of a PET/MR detector based on the ClearPEM technology
Se presentan resultados de rendimiento de un prototipo de detector PET funcionando simultáneamente dentro de un sistema de resonancia magnética de 7 teslas. Los detectores se basan en la tecnología ClearPEM, diseñada para obtener imágenes de alta resolución (especialmente en mama) y compatible con sistemas combinados PET/MR en campos magnéticos muy altos.
Para evitar interferencias electromagnéticas entre ambos sistemas, los detectores PET y su electrónica fueron cuidadosamente blindados, y se diseñó una bobina de radiofrecuencia específica para reducir el acoplamiento electromagnético.
Las mediciones de ruido demostraron que, aunque existe cierta interferencia entre la señal de radiofrecuencia y el ruido digital, el blindaje es altamente efectivo. Además, pruebas simultáneas con fuentes radiactivas y modelos experimentales mostraron que no hay distorsiones en las imágenes de resonancia magnética ni pérdida de rendimiento en el detector PET.
En conclusión, ambos sistemas pueden operar al mismo tiempo sin interferencias electromagnéticas significativas.
EndoTOFPET-US DAQ, designing the Data Acquisition System of a high resolution endoscopic PET-US detector
El proyecto EndoTOFPET-US tiene como objetivo desarrollar una técnica de imagen multimodal para exámenes endoscópicos de páncreas y próstata, combinando la información metabólica de alta resolución de la tomografía por emisión de positrones con tiempo de vuelo (TOF-PET) y la información anatómica del ultrasonido.
Este sistema PET, específico para regiones de interés y con una arquitectura asimétrica, requiere un sistema de adquisición de datos (DAQ) de alto rendimiento capaz de gestionar múltiples niveles de activación de eventos y controlar diferentes detectores en tiempo real.
El trabajo presenta una visión general del detector EndoTOFPET-US, centrándose en los aspectos relacionados con el DAQ. Además, analiza en detalle el diseño de este sistema, discutiendo sus principales consideraciones y evaluando su rendimiento a partir de pruebas realizadas con prototipos finales de sus componentes.
Validation of a highly integrated SiPM readout system with a TOF-PET demonstrator
Se ha desarrollado una electrónica de lectura altamente integrada, rápida y compacta para escáneres TOF-PET basados en fotomultiplicadores de silicio (SiPM). El sistema utiliza un circuito integrado específico (ASIC PETsys TOFPET1) con 64 canales, cada uno con amplificador, discriminador, convertidor tiempo-digital (TDC) y medición de amplitud mediante Time Over Threshold (TOT), logrando una resolución temporal muy alta (25 ps).
El sistema está optimizado para trabajar con altas tasas de datos, buena precisión temporal, bajo consumo y bajo coste. Para validarlo, se construyó un prototipo de escáner PET con 2.048 canales SiPM, compuesto por 16 módulos detectores. Cada módulo incluye dos ASICs que leen 128 píxeles acoplados a cristales LYSO.
El sistema de adquisición de datos (DAQ) recoge la información mediante placas Front-End que agrupan los datos y los envían a una placa DAQ conectada a un ordenador a través de PCIe. Los resultados obtenidos con este prototipo demuestran el buen rendimiento del sistema.
EndoTOFPET-US data acquisition system
El sistema EndoTOFPET-US es una tecnología de imagen multimodal que combina PET con tiempo de vuelo (con resolución de 200 ps) y ultrasonido en una sonda endoscópica. El sistema PET tiene una configuración asimétrica con dos detectores: uno interno en la sonda, con cristales LYSO muy pequeños acoplados a SiPM digitales, y otro externo en forma de placa colocada sobre el cuerpo, con cristales más grandes y SiPMs leídos por un ASIC de 64 canales.
El sistema de adquisición de datos (DAQ) es compacto y utiliza electrónica digital reconfigurable. Los FPGAs en el front-end recopilan los datos de eventos y los envían a un sistema de disparo (trigger), que se implementa en una tarjeta PCIe dentro del ordenador. Parte del procesamiento de eventos se realiza directamente en el FPGA del trigger, mientras que el análisis más complejo se hace por software.
El sistema puede manejar altas tasas de datos, alcanzando hasta 40 MHz desde el detector externo y 200 kHz desde la sonda, demostrando su capacidad para trabajar en entornos exigentes.
Asymmetric Data Acquisition System for an endoscopic PET-US detector
Los estudios actuales sobre el cáncer de páncreas muestran que la tasa de supervivencia sigue siendo muy baja (alrededor del 6%), principalmente debido a su detección tardía. Para mejorar el diagnóstico, el proyecto EndoTOFPET-US propone una técnica de imagen multimodal para exámenes endoscópicos que combina la información metabólica de alta resolución del TOF-PET con la información anatómica del ultrasonido.
Un sistema con estas características requiere un sistema de adquisición de datos (DAQ) de alto rendimiento, diseñado específicamente para controlar y recoger información de dos detectores diferentes de forma eficiente.
Oblique Incidence Design of Meander-Line Polarizers for Dielectric Lens Antennas
Se presenta un método para diseñar polarizadores planos multicapa con líneas en forma de meandro. Este método combina la teoría de líneas de transmisión con el análisis electromagnético de celdas unitarias en el dominio de la frecuencia, lo que permite simplificar el proceso de diseño y evitar optimizaciones complejas.
La técnica está orientada a polarizadores utilizados en antenas con lente y es válida para ondas que inciden desde distintos ángulos. Para validar el método, se fabricaron dos polarizadores en banda Ka: uno para incidencia normal y otro para incidencia oblicua.
Los resultados incluyen el diseño, los prototipos y las mediciones realizadas en un sistema completo de antena con lente, demostrando la eficacia del método propuesto.
Circularly polarized multi-beam lens antenna system. Comparison between 2 polarizers
Se comparan dos sistemas de antenas multihaz con polarización circular en banda Ka. En ambos casos, el sistema está formado por una lente dieléctrica alimentada por guías de onda circulares con pequeños cuernos.
La diferencia principal está en cómo se logra la polarización circular: en un caso mediante un polarizador integrado en la guía de onda, y en el otro mediante un polarizador de líneas en meandro colocado fuera de la lente, para el cual se propone un modelo analítico de diseño.
Ambos sistemas fueron analizados, fabricados y medidos, mostrando resultados similares. En los dos casos se logra una relación axial inferior a 3 dB dentro de un ancho de banda del 19%, lo que indica un buen rendimiento en polarización circular.
A free-running, time-based readout method for particle detectors
En el experimento EndoTOFPET-US se ha desarrollado el chip TOFPET ASIC como electrónica de lectura para fotomultiplicadores de silicio (SiPM). Este chip permite incorporar información de tiempo de vuelo en los escáneres PET, lo que ayuda a reducir la dosis de radiación en los pacientes. Está diseñado para trabajar con altas tasas de eventos (hasta 100 kHz) y ofrece una alta resolución temporal (50 ps). Además, utiliza dos umbrales para medir con precisión las señales y reducir el ruido, permitiendo también estimar la carga de la señal mediante la técnica Time Over Threshold (TOT).
Por otro lado, el chip PASTA, utilizado en el experimento PANDA de física de altas energías, sigue un enfoque similar basado en mediciones temporales. Se emplea en un detector de vértices de silicio para el seguimiento de partículas. Aunque comparte la misma filosofía que el TOFPET ASIC, presenta diferencias importantes, como una etapa de amplificación adaptada a distintos tipos de señales y protección frente a entornos con alta radiación.
En general, ambos chips destacan por su diseño eficiente, de bajo consumo, tamaño reducido y capacidad para trabajar en sistemas exigentes.
Design and performance of an ASIC for TOF applications
Se ha desarrollado un ASIC de bajo consumo para la lectura de SiPM en aplicaciones de tiempo de vuelo (TOF), dentro del proyecto EndoTOFPET-US. Este chip integra acondicionamiento de señal, circuitos de discriminación y convertidores tiempo-digital (TDC) de alto rendimiento en 64 canales independientes, con salida completamente digital y una resolución objetivo de 25 ps.
En este trabajo se presentan resultados preliminares de su caracterización eléctrica, así como pruebas con matrices de SiPM acopladas a cristales LYSO. El jitter intrínseco del TDC se ha medido en 21 ps. Además, al probar un SiPM con un láser pulsado, se obtuvo una resolución de 110 ps para un solo fotón y de 32 ps cuando se detecta un gran número de fotones, mostrando un alto rendimiento del sistema.
Detection sensitivity and light collection studies of an APD-based high packing-fraction LYSO:Ce matrix for PET applications
ClearPEM es un detector PET dedicado basado en APD, diseñado para imágenes de alta resolución en cáncer de mama. Cada módulo del detector está formado por 12 matrices de cristales LYSO:Ce, cada una con 4×8 cristales individuales (2×2×20 mm³), acoplados ópticamente en ambos extremos a arreglos de APD Hamamatsu S8550 para la detección de la luz de centelleo. Actualmente, solo el 46% del área sensible está ocupado por cristales, debido a los espacios entre matrices de APD, encapsulado y paredes reflectantes de BaSO₄.
Para mejorar la sensibilidad global, se diseñó una nueva geometría de matriz compacta, aumentando la proporción de área sensible a un 76% y utilizando cristales de tres dimensiones diferentes. Esta nueva configuración requiere estudiar cómo afectan los distintos factores de coincidencia entre los cristales y los APD en la resolución de energía y tiempo, el acoplamiento óptico entre cristales y la capacidad de determinar la profundidad de interacción.
El trabajo presenta un estudio experimental sobre la mejora de la sensibilidad con la nueva matriz compacta y su efecto en el desempeño global del detector.
EndoTOFPET-US: a novel multimodal tool for endoscopy and positron emission tomography
El proyecto EndoTOFPET-US busca desarrollar un detector multimodal para facilitar la creación de nuevos biomarcadores en tumores de próstata y páncreas. El detector consta de dos componentes principales: una placa externa y una extensión PET para una sonda de ultrasonido endoscópico.
La placa externa está formada por una matriz de cristales LYSO leídos mediante fotomultiplicadores de silicio (SiPM) acoplados a un circuito integrado específico (ASIC). La sonda interna será un detector altamente integrado y miniaturizado, con cristales LYSO leídos por SiPMs totalmente digitales, que combinan sensores de fotones y lectura digital en un mismo chip.
La posición y orientación de ambos detectores se rastrearán en relación con el paciente, lo que permitirá fusionar la imagen metabólica del PET con la imagen anatómica del ultrasonido durante el procedimiento médico. Esta información combinada puede guiar intervenciones adicionales en el órgano, como biopsias o microscopía confocal in vivo.
Development of high-resolution detector module with depth of interaction identification for positron emission tomography
Se ha desarrollado un módulo detector de alta resolución y tiempo de vuelo (TOF) adecuado para su uso en PET de pequeño tamaño, con viabilidad comercial. Se propuso un enfoque novedoso para codificar la profundidad de interacción (DOI) en matrices de cristales pixelados, usando lectura por un solo lado y un acoplamiento 4 a 1 entre los centelleadores y los fotodetectores. La información de DOI se estima mediante la técnica de compartición de luz.
El módulo detector está formado por una matriz de 8×8 cristales LYSO de 1,53×1,53×15 mm³, con superficies laterales depulidas ópticamente y separadas por láminas reflectantes. La matriz se acopla a un arreglo de 4×4 fotomultiplicadores de silicio (SiPM) y se lee mediante un ASIC de alto rendimiento con capacidad TDC (50 ps de resolución temporal).
Los resultados muestran una excelente identificación de todos los cristales de la matriz, una resolución temporal de 530 ps, una resolución promedio de DOI de 5,17 mm FWHM y una resolución de energía promedio de 18,29% FWHM.
A compact Detector Module for Time of Flight PET and the associated DAQ system
En el marco del proyecto EndoTOFPET-US, se ha desarrollado un módulo detector compacto para PET con tiempo de vuelo (TOF), que integra 128 píxeles de detección de rayos gamma formados por cristales LYSO de 3,5×3,5×15 mm³ acoplados a fotodetectores MPPC.
El módulo cuenta con dos ASICs de 64 canales cada uno, que integran acondicionamiento de señal, circuitos de discriminación y TDCs de alto rendimiento por canal, con una resolución intrínseca de 25 ps r.m.s. y salida completamente digital (hasta 640 Mb/s).
El sistema de adquisición de datos (DAQ) utiliza placas front-end, cada una recopilando datos de 1024 canales (8 módulos detectores), transmitiendo los datos ensamblados mediante un enlace serial eléctrico (1,6 Gbps) o dos enlaces ópticos de alta velocidad (2×6,4 Gb/s), hacia una sola placa DAQ conectada al bus PCIe del ordenador de adquisición.
El trabajo presenta el diseño del módulo detector y los resultados preliminares de su caracterización junto con el sistema DAQ asociado.