Positronenemissions-Tomografie Hochgenaue Zeitauflösung mit Standard-Komponenten

Mit Standard Komponenten wurde an der TU München in Zusammenarbeit mit Mixed Mode der Prototyp eines Tomographen für die Bildgebung an kleinen Tieren entwickelt. Das System basiert auf dem Detektorprinzip. 450 MHz Kerntakt und 128 MByte SD-RAM reichten aus, um die geforderte Leistungsfähigkeit zu erreichen.

Anbieter zum Thema

Heitec AG

E.E.P.D. Electronic Equipment Produktion & Distribution GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Mixed Mode GmbH

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin, das Schnittbilder von lebenden Organismen erzeugt. Eine schwach radioaktive Substanz (Radiopharmakon) im Organismus macht biochemische und physiologische Funktionen sichtbar (funktionelle Bildgebung) [3]. Bis zur Jahrtausendwende konnten PET-Systeme keine hochgenaue Zeitauflösung leisten. Sie waren lediglich in der Lage, Ort und Energie eines einzelnen Ereignisses in einem Detektorvolumen aufzeichnen. Bilder von aktiven Organen wie Herz oder Lunge waren unscharf. [1], [2] In den letzten Jahren wurde PET weiterentwickelt, und genauere Zeitauflösungen waren erforderlich, die aber bislang nicht ohne weiteres erreicht wurden.

Die Abteilung Nuklearmedizin der TU München entwickelte den Prototypen eines Tomographen für die Bildgebung an kleinen Tieren, der auf einem neuen Detektorprinzip basiert. Es beruhte auf Detektormodulen mit zwei radialen Kristall-APD-Lagen (APD = Avalanche- (Lawinen-) Photodioden). Dadurch konnte der Parallaxeneffekt am Rande des Gesichtsfelds minimiert und eine Ortsauflösung von <2 mm mit statischen Rekonstruktionsverfahren innerhalb ca. 90 % des Detektordurchmessers [4] erreicht werden.

Mixed Mode war für den gesamten Digitalteil des Systems inklusive Server (Backend) zur Verwirklichung der hochgenauen Zeitmessung und die TUM für den Detektorteil, sowie die Analog ASICs verantwortlich.

Funktionsweise des PET-Systems

Das Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau eines PET-Systems: Die Ereignisse in einem Detektorvolumen werden erfasst und mit einem Zeitstempel versehen. Die erfassten Daten werden anschließend zwischengespeichert und dem Server zur Verfügung gestellt. Die Raw-Daten werden mit einer Auswertungssoftware in der im Medizinbereich üblichen Form dargestellt.

Die zu messenden Ereignisse werden vom Frontend mit den Analog-ASICs (Teil der PET-Boards) erfasst und digitalisiert. Das Backend erreicht die hohen Anforderungen an den Datendurchsatz und konnte unter Verwendung handelsüblicher Komponenten realisiert werden. Der Zeitpunkt, der Pegel und der Kanal eines jeden Ereignisses werden erfasst und dem Server zur Aufzeichnung in einer Datenbank gesendet.

Die Komponenten des Systems in der Reihenfolge des Datenflusses sind im einzelnen:

• PET-Boards: sie erfassen mit ADCs den Pegel und mit TDCs den genauen Zeitpunkt eines Ereignisses auf 32 parallelen Kanälen,
• Pro Crate (19"-9HE-Rack mit 20 Steckplätzen) werden die aufgezeichneten Ereignisse mit einem zentralen CCI-Board (Crate Control Interface) von den einzelnen PET-Boards abgeholt (18 × 32 Kanäle), gesammelt und per Gigabit Ethernet an einen Server gesendet und
• Der Server speichert die Daten zweier Creates auf ein performantes RAID0-Festplatten-Array in einer Datenbank.

Maßnahmen zur Entwicklung und schnellen Bereitstellung eines Systemprototypen:

• Einsatz eines handelsüblichen 100Base-T-Netzwerkes zwischen Server und den beiden Crates zum Übertragen von Steuer- und Konfigurationsdaten,
• Separate Point-to-Point Gigabit-Ethernet-Verbindungen zum schnellen Übertragen der Ereigniswerte und
• Absichern der Testbarkeit des Gesamtsystems durch Live-Zuschaltbarkeit von Datengeneratoren und Analysatoren an mehreren zentralen Stellen des Datenpfades innerhalb der verschiedenen FPGAs auf PET-Board und CCI-Board.

Hohe Datenraten mit Standard-Komponenten verarbeiten

Bei den Datenraten muss zwischen den Datenraten in einem Detektorkanal und denen eines Teilsystems mit Server unterschieden werden. Bei einem Detektorkanal lag die maximal zu erwartende Ereignisrate zwischen 5 bis 10 kHz (Ereignisse/Sekunde). Bei 1152 Detektorkanälen im gemeinsamen Betrieb müssen Ereignisraten von 11,5 MHz verarbeitet werden. Dies führt zu Datenraten von >700 MBit/s.

Das Systemkonzept sollte möglichst schnell und kostengünstig sein und bestehende Hardwarekomponenten größtenteils nutzen. Die Verarbeitung der zu erwartenden Datenrate sowie das in vorangegangenen Universitätsentwürfen eingesetzte VME-System als Verbindung der einzelnen PET-Datenerfassungskarten stellten die Haupthindernisse für die Weiterentwicklung dar.

Datenakquise mit TDC ermöglicht exakte Zeiten

Ein wesentlicher Unterschied des neuen Systems besteht in der Erfassung des genauen Zeitpunkes für jedes detektierte Ereignis (Event). Diese Anforderung konnte mit einem TDC [6] von der ACAM-Messelectronic gelöst werden, indem eine Auflösung von 333 ps für die Zeitstempelfunktion erreicht wurde. Ein TDC versieht vier Detektor-Kanäle mit der Zeitstempelfunktion.

Die Aufgabe der Steuerung der einzelnen PET-Boards, die Pufferung der Daten sowie das Clock Management übernimmt das CCI-Board. Es sorgt für die Synchronisation der einzelnen PET-Boards und damit des ganzen Systems durch Einsatz von programmierbaren Takttreibern. Durch Kalibrierung der Takttreiber entsprechend der vorher gemessenen Clock Skews der einzelnen Taktleitungen konnte das System synchron gestaltet werden. Im Gesamtsystem werden die zwei vorhandenen CCI jeweils in Master und Slave Mode benutzt und synchronisieren sich somit während das System gebootet wird.

Das System könnte die Auflösung der Zeitstempelfunktion durch Einsatz weiterentwickelter TDCs deutlich unter 100 ps verbessern. Standardisierte Hardware-/Softwarekomponenten können viel Entwicklungszeit und vor allem Entwicklungskosten eingesparen. Das sind entscheidende Kriterien für die Produktneuentwicklung.

*Dervis Günaydin ist Hardwareentwickler und Thomas Schüler ist Director Embedded Systems bei Mixed Mode in Gräfelfing.

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