Conception et intégration en technologie CMOS d'un circuit de lecture et d'identification de coïncidences à résolution temporelle de l'ordre de la nanoseconde destiné à l'imagerie biomédicale

par Ndeye Awa Mbow

Thèse de doctorat en Électronique, électrotechnique, automatique. Instrumentation et microélectronique

Sous la direction de Yann Hu.

Soutenue en 2009

à Strasbourg .


  • Résumé

    Les séquençages du génome humain et du génome de la souris ont montré que parmi les 30000 gènes que possèdent l'homme et la souris, seuls 300 diffèrent. Cette remarquable similitude rend possible l'étude du développement de certaines maladies sur des souris telles que les maladies cardio-vasculaires, le cancer, les maladies neurodégénératives à savoir les maladies d'Alzheimer ou de Parkinson entre autres. Ainsi des modèles murins représentant les pathologies humaines se sont multipliés. L'imagerie moléculaire permettant de coupler à la fois les informations fonctionnelles et anatomiques est devenue un outil indispensable à la recherche biomédicale. A cet effet, un des axes de recherche du groupe ImaBio de l'Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC) est le développement d'un système d'imagerie multimodale préclinique dénommé AMISSA (A Multimodality Imaging System for Small Animal) dédié au petit animal. Cette voie de recherche technologique multimodale constitue une solution innovante aux problèmes posés par la biologie. Le nombre de voies du système envisagé (6144) pour la modalité TEP (Tomographie à Emission de Positons) qui devra s'intégrer dans la plate-forme AMISSA ainsi que la taille de l'objet à imager qui tient dans un diamètre de 6 cm nécessitent une électronique de lecture intégrée. L'imageur TEP est conçu de manière à atteindre les objectifs de résolution spatiale de 1 mm3 avec une efficacité de détection supérieure à 15%. Du fait de la géométrie envisagée pour le détecteur, cette électronique doit conditionner une large gamme de fonctionnement allant de quelques femto coulombs à 104 pC pour la mesure de charges. Pour minimiser les coïncidences fortuites, une résolution temporelle inférieure à la nanoseconde permettant d'obtenir une fenêtre temporelle étroite est indispensable. La participation au développement de cette électronique dédiée au module de détection du micro TEP et aussi à sa caractérisation font l'objet de cette thèse. Un prototype d'ASIC (Circuit Intégré à Application Spécifique) de 10 voies nommé IMOTEPA pour la mesure de charges et un autre de 16 voies nommé IMOTEPD dédié au marquage en temps des photons pour la recherche de coïncidences ont été développés en technologie CMOS 0,35μm d'AMS. Ces deux microcircuits nous ont permis de valider séparément les parties analogique et numérique de l'électronique de lecture du photodétecteur. L'objectif final est d'arriver à un ASIC unique réalisant simultanément ces deux fonctions. Les résultats obtenus, notamment une Non-Linéarité Intégrale (NLI) et une diaphonie inférieures respectivement à 3 et 0,2% pour IMOTEPA de même qu'un « jitter » de 120 ps RMS et une Non-Linéarité Différentielle (NLD) de ±0,35LSB pour IMOTEPD, répondent aux spécifications du cahier des charges. Ces mesures ont permis d'envisager un prototype mixte de 64 voies nommé IMOTEPAD qui est en cours de développement. Ce manuscrit donne une description des ASICs IMOTEPA et IMOTEPD et présente les résultats de mesure qui leur sont associés.

  • Titre traduit

    Design of a front-end readout circuit with temporal resolution of one nanosecond dedicated to biomedical imaging


  • Résumé

    The sequencing of the human genome and the genome of the mouse has shown that among the 30,000 genes that have human and mouse, only 300 are different. This remarkable similarity makes possible to study the development of diseases such as cardiovascular disease, cancer, neurodegenerative diseases, namely Alzheimer's or Parkinson's disease on mice. Thus, mouse models representing the human diseases have been multiplied. Molecular imaging which couples both anatomical and functional information has become an indispensable tool in biomedical research. One of the main researches of ImaBio's group of the Hubert Curien Pluridisciplinary Institute (IPHC) is developing a preclinical multimodal imaging system named AMISSA (A Multimodality Imaging System for Small Animal) and dedicated to small animal. This multimodal technology research is an innovative solution to biology issues. For the PET (Positron Emission tomography) modalities that should be integrated in the platform AMISSA, the number of channels (6144) of the proposed system and the size of the object imaged that will be fit on a diameter of 6 cm require an integrated electronic readout. The PET imaging system is designed to achieve a spatial resolution of 1 mm3 with detection efficiency better than 15%. Due to the geometry considered for the detector, its readout electronic should be able to achieve a large dynamic range from a few femto Coulombs to 104 pC for the measure of charges and an accurate measurement of the arrival time of signal with a precision better than 1 ns to make a narrow time coincidence window in order to reduce random coincidences. My contribution in this project is to participate in the development of this dedicated electronic module detection of the micro PET and also to characterize it. An ASIC prototype of 10 channels named IMOTEPA for the charge measurement and another of 16 channels named IMOTEPD dedicated to time stamp the photons have been developed in AMS CMOS 0. 35 µm. These two chips allowed us to validate separately the analogue part and the digital one of the photodetector's readout electronic. The final objective is to reach a single ASIC performing simultaneously both of these functions. Measured Integral Non-Linearity (INL) less than 3%, a crosstalk around 0. 2% for IMOTEPA and also jitter of about 120 ps RMS and Differential Non-Linearity of about ±0. 35 LSB for IMOTEPD, meet the specifications. These measures allow integrating a 64 channels prototype named IMOTEPAD which is under development in the laboratory. This manuscript provides a description of the ASICs IMOTEPA and IMOTEPD and presents the measurement results associated to them.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (X-158 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 151-157

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Blaise Pascal.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2009;0001
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.