Deteção digital de coincidências em tomógrafos RPC-PET

Palavras-chave: Tomógrafos PET de Câmaras de Placas Resistivas (RPC),Field Programmable Gate Array (FPGA),Deteção de coincidências em tempo real,Validação de coincidências,Calibração temporal,Sinal de disparo de coincidências,Campo de visão,Coincidências múltiplas

Os detetores baseados na tecnologia de câmara de placas resistivas (RPCs, acrónimo do inglês Resistive Plate Chambers) revelam-se muito interessantes para o desenvolvimento de tomógrafos PET (acrónimo do inglês Positron Emission Tomography) de alta resolução, baixo custo de sensibilidade elevada. Estes tomógrafos utilizam a elevada resolução temporal destes detetores para alcançarem uma resolução próxima dos 300 ps FWHM (acrónimo do inglês Full Width at Half Maximum) para os pares de fotões de 511 keV resultantes de uma aniquilação eletrão-positrão. Este facto permite a utilização de janelas temporais de coincidências estreitas, reduzindo o número de coincidências aleatórias. Por outro lado, se a deteção de coincidências for realizada em tempo real, os requisitos do sistema de aquisição e processamento de dados do tomógrafo poderão ser minimizados. Neste trabalho descreve-se um módulo de deteção de coincidências em tempo real, de arquitetura inovadora, implementado numa FPGA (acrónimo do inglês Field Programmable Gate Array) da família Virtex-5 da Xilinx e descrito em linguagem VHDL (acrónimo do inglês Very high-speed integrated circuits Hardware Description Language), apto a ser integrado num tomógrafo RPC-PET de pequenas dimensões.  O módulo desenvolvido explora os recursos internos da FPGA para implementar uma arquitetura em pipeline, de latência muito baixa (de poucas dezenas do nanosegundo) e é capaz de processar eventos a taxas muito elevadas (da ordem da centena de milhão de eventos por segundo por canal) com tempo morto nulo.  Fez-se uso da intercalação temporal a nível das entradas da FPGA para ultrapassar as limitações impostas pela frequência de relógio máxima de 550 MHz da família Xilinx Virtex-5 e alcançar uma frequência equivalente de amostragem que ultrapassa os 2.5 GHz, o que se traduziu na possibilidade de implementar janelas de coincidências sub-nanosegundo, na prática múltiplas do período do relógio de amostragem. Possibilita-se o conhecimento da taxa de eventos por canal e a taxa de coincidências entre pares de canais. Possibilita-se a rejeição de coincidências múltiplas. Implementa-se diretamente o conceito de campo de visão (FOV, acrónimo do inglês Field Of View), permitindo selecionar os pares de canais aceites por um determinado FOV de entre todos os pares de canais possíveis para o tomógrafo. Tal pode ser feito programando um dos FOV já previstos ou, alternativamente, selecionando uma combinação aleatória de pares de canais.  Permite-se a sincronização dos sinais provenientes dos diferentes canais temporais do tomógrafo, através da programação interna, na FPGA, de atrasos temporais individuais para cada canal com uma granularidade de 390 ps, até um valor máximo de aproximadamente 40 ns. Os valores dos atrasos a programar podem ser obtidos recorrendo a histogramas de coincidências adquiridos automaticamente com o próprio módulo. A arquitetura do módulo é facilmente adaptável para poder ser utilizada em tomógrafos de maiores dimensões, com um número grande de canais. De facto, o seu desenho encontra-se completamente parametrizado, nomeadamente em termos do número de canais e do grau de intercalação temporal, tendo sido verificado o seu funcionamento para os diferentes parâmetros por simulação lógica.  Na sua implementação atual, com 6 canais, foram realizados com sucesso testes de validação experimental com o tomógrafo para pequenos animais em desenvolvimento pela equipa das RPCs do Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas de Coimbra (LIP-Coimbra).

Área científica: Ciências Exactas e Naturais