Circuiti di front-end per applicazioni di timing in sistemi di imaging medicale

Il presente lavoro di tesi riguarda lo studio dei circuiti elettronici di front-end per la rivelazione di fotoni ad alta energia (gamma), con particolare riferimento alle loro implementazioni nel campo dell’imaging medicale. In ambito di diagnosi medica di patologie, le tecniche di imaging hanno acquisito sempre maggiore rilevanza in tutto il mondo e si stima che nei soli USA, vengano effettuate annualmente oltre un milione di ricerche. Dopo una breve rassegna delle varie tecniche di imaging medicale, viene presa in considerazione la Time-of-Flight PET (ToF-PET), che è una delle più promettenti dal punto di vista della risoluzione spaziale ottenibile. Essa sfrutta le informazioni temporali relative agli istanti di arrivo dei fotoni gamma, prodotti dall’annichilazione dei positroni generati dal decadimento radioattivo di un radiofarmaco, su un ring di rivelatori a stato solido per migliorare il rapporto segnale-disturbo sulle immagini ricostruite. Nel corso del lavoro di tesi, viene analizzato il funzionamento di un tipico canale di lettura dei segnali prodotti dai rivelatori. Più in particolare, viene analizzato il funzionamento dei principali blocchi circuitali di uso comune nei percorsi di timing quali, ad esempio, il leading edge discriminator, il constant fraction discriminator (CFD), ed il Time-over-Treshold (ToT). Di notevole importanza risultano le prestazioni ottenibili dai suddetti circuiti in termini di risoluzione temporale ai fini di ridurre l’incertezza sui tempi di arrivo dei singoli fotoni ad alta energia. In particolare, nella ToF-PET assume rilevanza il Coincidence Resolving Time (CRT) associato agli istanti di arrivo delle coppie di fotoni generate dall’annichilazione di una coppia elettrone-positrone. Allo stato attuale, tale parametro è dell’ordine di alcune centinaia di picosecondi, ma si stima che si potranno raggiungere in futuro valori inferiori ai cento picosecondi. Il lavoro si conclude con una prospettiva dei circuiti di front-end di nuova concezione per il miglioramento delle prestazioni di timing.