Ανάπτυξη συστήματος συλλογής δεδομένων βασισμένο σε προγραμματιζόμενα ηλεκτρονικά (FPGAs) για εφαρμογή σε συστήματα μοριακής απεικόνισης

Abstract

Recent advances in molecular imaging lead to the early diagnosis and treatment of several diseases. Moreover, molecular imaging techniques are increasingly being used as valuable tools in the drug development process. Conventional clinical imaging techniques provide structural (X-rays, CT, ultrasounds) or functional (MRI, Nuclear Imaging) information of organs or tumors. The current trend is the imaging of proteins, stem cells and/or nanoparticles. The imaging technique of choice is determined by 1) the metabolic procedure and 2) the available tracers. Nowadays, there is need for high Spatial Resolution and Sensitivity imaging systems. Moreover, of great importance is the compact size and low cost of such systems.The development of data acquisition systems for Nuclear Imaging detectors is an active topic of research. The use of new technologies has resulted to the development of high performance, compact and low-cost imaging systems. Traditionally, acquisition electronics, which are responsible for the gamma event detection and characterization, relied on application specific intergrated circuit (ASIC) technology. As programmable logic devices continue to grow in density, designers are increasingly using field programmable gate arrays (FPGAs) in applications that previously used ASICs. Compared to ASICs, programmable technologies reduce development time and risk while keeping electronics size comparable. The current trend is the replacement of the analog pulse processing units by high speed analog to digital converters (ADCs) and digital pulse processing modules implemented in FPGAs.This thesis describes the design and implementation of three fully digital data acquisition systems for three nuclear medicine imagers: an intraoperative gamma imaging probe, a SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) camera and a dual head PET (Positron Emission Tomography) camera. The necessary signal processing algorithms for energy assessment and timing, are developed and evaluated. The implementation of thealgorithms in the FPGA is also covered. Finally, a full description of the implemented embedded systems is given.

Οι σύγχρονες εξελίξεις στη μοριακή βιολογία ανοίγουν το δρόμο για την έγκαιρη διάγνωση και θεραπεία παθήσεων σε πολύ πρώιμο στάδιο. Η απεικόνιση μεταβολικών διεργασιών αποτελεί το διαρκώς αναπτυσσόμενο πεδίο της μοριακής απεικόνισης προσφέροντας ένα πολύτιμο εργαλείο στην ανάπτυξη νέων φαρμάκων. Οι συμβατικές κλινικές μέθοδοι αποσκοπούν στην απεικόνιση οργάνων ή καρκινικών όγκων με στόχο τη λήψη ανατομικής (ακτίνες-Χ, υπέρηχοι) ή λειτουργικής (MRI, Πυρηνική Ιατρική) πληροφορίας. Σήμερα, η διεθνής έρευνα κατευθύνεται στην απεικόνιση πρωτεϊνών, βλαστοκυττάρων, νανοσωματιδίων κ.α. Η επιλογή της βέλτιστης απεικονιστικής μεθόδου καθορίζεται από 1) την προς απεικόνιση μεταβολική διεργασία και 2) τους διαθέσιμους ιχνηθέτες καθώς και το σήμα, που αυτοί μπορούν να εκπέμψουν. Οι νέες απεικονιστικές εφαρμογές απαιτούν την ύπαρξη εξειδικευμένων διατάξεων, οι οποίες παρέχουν υψηλή χωρική και ενεργειακή διακριτική ικανότητα και ευαισθησία. Ταυτόχρονα, υπάρχει η ανάγκη για την κατασκευή απεικονιστικών συστημάτων χαμηλού κόστους και μικρού μεγέθους. Η σχεδίαση συστημάτων απόκτησης δεδομένων από εξειδικευμένες απεικονιστικές διατάξεις αποτελεί μία από τις ερευνητικά δραστήριες περιοχές της οργανολογίας Πυρηνικής Ιατρικής. Η χρήση νέων τεχνολογιών έχει ως αποτέλεσμα την βελτίωση της απόδοσης των απεικονιστικών συστημάτων καλύπτοντας ταυτόχρονα τις απαιτήσεις κόστους και μεγέθους. Τα περισσότερα εξειδικευμένα συστήματα Πυρηνικής Ιατρικής απεικόνισης βασίζονται σε αναλογικά ηλεκτρονικά υποσυστήματα, υλοποιημένα με διακριτά αναλογικά κυκλώματα ή με ολοκληρωμένα κυκλώματα ειδικού σκοπού (ASICs). Καθώς τα ολοκληρωμένα κυκλώματα επαναπρογραμματιζόμενης λογικής εξελίσσονται σε επίπεδο διαστάσεων αλλά και ταχύτητας, πολλοί σχεδιαστές χρησιμοποιούν FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) εκεί που προηγουμένως χρησιμοποιούνταν ASICs. Έτσι μειώνεται ο χρόνος υλοποίησης και το συνολικό κόστος, ενώ το μέγεθος των ηλεκτρονικών παραμένει το ίδιο.Η κυρίαρχη τάση είναι η αντικατάσταση του μεγαλύτερου μέρους των αναλογικών ηλεκτρονικών του ανιχνευτή από ψηφιακά συστήματα βασισμένα σε γρήγορους αναλογικοψηφιακούς μετατροπείς και ψηφιακή επεξεργασία των σημάτων με αλγόριθμους υλοποιημένους σε FPGAs.Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται οι υλοποιήσεις, σε FPGA τριών εξ’ ολοκλήρου ψηφιακών συστημάτων απόκτησης δεδομένων, από εξειδικευμένες διατάξεις Πυρηνικής Ιατρικής. Σχεδιάστηκαν και αξιολογήθηκαν: ένα ψηφιακό σύστημα απόκτησης δεδομένων για ένα ενδοχειρουργικό gamma probe, ένα ψηφιακό σύστημα απόκτησης δεδομένων για μία κάμερα Υπολογιστικής Τομογραφίας Εκπομπής Μονού Φωτονίου (SPECT) και ένα ψηφιακό σύστημα απόκτησης δεδομένων για μία κάμερα Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων (PET) δύο κεφαλών. Τα 3 συστήματα αυτά έχουν διαφορετική αρχή, διαφορετικά ανιχνευτικά υλικά και απαιτούν διαφορετικό σχεδιασμό του συστήματος λήψης δεδομένων, ώστε να καταγράψουν και να ψηφιοποιήσουν τα λαμβανόμενα αναλογικά σήματα. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται οι ψηφιακοί αλγόριθμοι επεξεργασίας σήματος που υλοποιήθηκαν σε επαναπρογραμματιζόμενα κυκλώματα FPGA για τα τρία ψηφιακά συστήματα απόκτησης δεδομένων. Επί πλέον δίνεται η γενική περιγραφή των ενσωματωμένων συστημάτων, που υλοποιήθηκαν για τις τρεις εξειδικευμένες διατάξεις Πυρηνικής Ιατρικής.