Development of front-end electronics for gamma radiation detectors in medical applications

This doctoral project is dedicated to advancing gamma radiation detection in the field of medical applications, with a primary focus on developing a prompt gamma camera for real-time range monitoring in hadrontherapy. Hadrontherapy employs accelerated charged particles, such as protons, carbon or helium ions, to deliver precise tumor treatment. Unlike conventional X-ray radiotherapy, hadrontherapy offers localized energy deposition in the tumor while minimizing the damage to surrounding healthy tissues. However, achieving the full potential of this technique requires accurate monitoring of the Bragg peak, the point of maximum dose deposition within tissue, to improve precision and reduce safety margins in treatment planning. Prompt gamma rays, emitted when the beam ions interact with the target nuclei, have emission points closely correlated with the particle range. Detecting these photons offers a non-invasive and real-time range monitoring strategy. The objective is the development of a 1D real-time prompt gamma imaging detection module featuring an array of SiPMs individually coupled with a pixelated LYSO scintillator. The module is based on knife-edge collimation and aims for a spatial resolution of approximately 2mm in the determination of the dose profile falloff. The specific characteristics of this type of measurement, including a wide energy range up to 8MeV for the emitted prompt gammas, the presence of a substantial background due to neutrons and the high input count rate, necessitate tailored detector read-out electronics. The electronic development started from the design of the SITH (Spectroscopy Imaging Timing Hadrontherapy) ASIC, which is a custom 16-channel integrated circuit developed in AMS 0.35 μm CMOS technology, serving as current-read-out front-end for SiPMs. The SITH ASIC is capable of measuring both the energy and time-of-arrival of the detected photons. It features a low input impedance (<10Ω), an input dynamic range exceeding 80dB and a low linearity error (<5%) for the maximum input current peak, which is close to 80mA. Furthermore, the SITH ASIC channels can operate in asynchronous or synchronous mode, guaranteeing high flexibility for the coupling with both pixelated and monolithic scintillation crystals. The SITH detection module aims for a 64-channel prototype, consisting of a 8×8 pixelated LYSO scintillator coupled with a 64-SiPM array, four SITH ASICs and a FPGA-based DAQ system. This system should provide real-time measurements of the gamma-ray hit position, energy, and time-of-arrival through 64 TDCs implemented in FPGA. Two scaled-down versions of this prototype were developed, the 16-channel and the 32-channel detection modules. Following the design of the SITH ASIC, an updated version of the 16- channel GAMMA ASIC was also created. The GAMMA ASIC, like the SITH, is designed using AMS 0.35 μm CMOS technology. It is presently utilized for reading out SiPM arrays coupled with monolithic scintillators used to detect gamma rays resulting from boron neutron capture to monitor the dose delivered in the boron neutron capture therapy (BNCT). Key modifications compared to the previous version include the redesign of the trigger stage, of the digital control logic block, and the inclusion of a current summing output, which is necessary to perform a fast energy-based discrimination of the events (triggering the acquisition only if the event energy is inside a desired range, and thus reducing the detector dead-time). Furthermore, the layout of the chip was adjusted to resolve issues that had affected the previous version.

Il lavoro svolto durante il dottorato si concentra sull'avanzamento della rivelazione delle radiazioni gamma nell'ambito delle applicazioni mediche, con particolare attenzione allo sviluppo di una prompt gamma camera per il monitoraggio in tempo reale del range degli ioni nell'adronterapia. Questo tipo di terapia impiega particelle cariche accelerate, come protoni, ioni carbonio o elio, per fornire un trattamento altamente mirato per i tumori. A differenza della radioterapia tradizionale a raggi X, l'adronterapia consente di depositare la dose in modo localizzato nel tumore, riducendo i danni ai tessuti sani circostanti. Tuttavia, per sfruttare appieno il potenziale di questa tecnica, è essenziale monitorare con precisione il picco di Bragg, ovvero il punto di rilascio massimo della dose, al fine di migliorare la precisione del trattamento e ridurre i margini di sicurezza utilizzati nella fase di pianificazione. I prompt gamma, emessi quando gli ioni del fascio interagiscono con i nuclei bersaglio, hanno punti di emissione strettamente correlati al range degli ioni. La rivelazione di questi fotoni offre una strategia non invasiva e applicabile in tempo reale per il monitoraggio del trattamento. L'obiettivo è sviluppare un modulo di rivelazione per l'imaging dei prompt gamma. La gamma camera è costituita da un array di SiPM accoppiati ad uno scintillatore LYSO pixelato e include un collimatore knife-edge. La risoluzione spaziale target nella determinazione del punto di decadimento del profilo della dose depositata è di circa 2 mm. Le specifiche di questa misura, quali l'ampio range di energia dei prompt gamma (fino a 8 MeV), la presenza di un'alto background dovuto ai neutroni e l'elevato rate di conteggio, richiedono lo sviluppo di un elettronica di lettura su misura. Lo sviluppo dell'elettronica ha previsto la progettazione dell'ASIC SITH (Spectroscopy Imaging Timing Hadrontherapy), un circuito integrato a 16 canali sviluppato in tecnologia AMS 0.35 μm CMOS che costituisce il front-end per la lettura in corrente dei SiPM. L'ASIC SITH misura sia l'energia che il tempo di arrivo dei fotoni rivelati. Le sue caratteristiche principali includono un'impedenza di ingresso bassa (<10Ω), un range dinamico in ingresso superiore a 80 dB e un errore di linearità basso (<5%) per la massima corrente in ingresso (circa 80 mA). Inoltre, i canali dell'ASIC possono operare sia in modalità asincrona che sincrona, garantendo un'elevata flessibilità per l'accoppiamento con scintillatori pixelati e monolitici. Il progetto mira a sviluppare un prototipo a 64 canali della prompt gamma camera, che comprende quindi uno scintillatore LYSO pixelato 8x8 accoppiato ad un array di 64 SiPM, quattro ASIC SITH e un sistema di acquisizione dati (DAQ) basato su FPGA. Questo sistema deve essere in grado di misurare in tempo reale la posizione di interazione dei raggi gamma con lo scintillatore, la loro energia e il loro tempo di arrivo attraverso 64 TDC implementati in FPGA. Durante il corso del lavoro di dottorato, sono state sviluppate sia una versione a 16 canali che una a 32 canali di questo modulo. In seguito al progetto dell'ASIC SITH, è stata realizzata anche una versione aggiornata dell'ASIC GAMMA. L'ASIC GAMMA è composto da 16 canali ed è progettato in tecnologia CMOS AMS 0.35 μm. Attualmente, viene impiegato per leggere array di SiPM accoppiati a scintillatori monolitici utilizzati per rivelare raggi gamma generati dalla cattura neutronica del boro al fine di monitorare la dose somministrata al paziente durante la boron neutron capture therapy (BNCT). Le modifiche chiave rispetto alla versione precedente dell'ASIC includono il redesign dello stadio di trigger, del blocco di logica di controllo digitale e l'inclusione di un'uscita somma in corrente, necessaria per eseguire una rapida discriminazione degli eventi basata sulla loro energia. Ciò consente di avviare l'acquisizione solo se l'energia dell'evento rientra nell'intervallo desiderato, riducendo così il tempo morto del rivelatore. Inoltre, il layout del chip è stato modificato per risolvere i problemi riscontrati nella versione precedente.