Transimpedance Amplifier for Early Detection of Breast Cancer

143 Pages·2014·2.32 MB·English

Diogo Telmo Cruz Dias
Licenciado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Transimpedance Amplifier for Early
Detection of Breast Cancer

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Orientador: Luís Augusto Bica Gomes de Oliveira,

Prof. Auxiliar, Universidade Nova de Lisboa

Júri:

Presidente: Prof. Doutor Pedro Miguel Ribeiro Pereira
Arguente: Prof. Doutor Rui Manuel Leitão Santos Tavares
Vogal: Prof. Doutor João Pedro Abreu de Oliveira

Setembro, 2014
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Transimpedance Amplifier for Early Detection of Breast Cancer
Copyright © Diogo Telmo Cruz Dias, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de
Lisboa.
A Faculdade de Ciências e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa têm o direito, perpétuo e
sem limites geográficos, de arquivar e publicar esta dissertação através de exemplares impressos
reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio conhecido ou que venha a
ser inventado, e de a divulgar através de repositórios científicos e de admitir a sua cópia e
distribuição com objectivos educacionais ou de investigação, não comerciais, desde que seja dado
crédito ao autor e editor.
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Acknowledgements
The work presented in this thesis was only made possible given the motivating environment
found in the Department of Electrical Engineering of the Faculty of Sciences and Technology. For
that, for providing the means necessary to the development of this work and for the high
institutional standards presented, I would like to address a truthful and deep word of appreciation.
I would also like to thank Professor Luís Oliveira, my thesis advisor, for the relentless
support, patience, dedication and availability demonstrated. Without any of these characteristics,
this work would have had become an exponentially harder feat to achieve, if achieved at all. I
would still like to mention that the trust he placed upon me have been crucial to the good
conclusion of this work. For all the mentioned, a sincere and ever unforgettable word of gratitude.
To Professor João Goes and Professor João Pedro Oliveira, I would like to address a special
appreciation for their support and interest demonstrated. Their motivational capability has kept
me in the right track countless times. To Professor Rui Tavares, I would like to issue a word of
appreciation regarding all the support provided with some technical issues that came by. I would
still like to address a very sincere and strong word of gratitude to Professor Manuel de Medeiros
Silva. His lectures and monitoring, in an early stage of my academic path, have been the main
driver for pursuing a specialization in electronics and, even though not being physically present,
his influence will always be an intellectual reference to me.
To all my office colleagues – Nuno Pereira, Diogo Inácio, Miguel Fernandes, Filipe Melo
and João Eusébio – I can only wish the best academic success. Thank you for the technical help
and suggestions, fun times and for providing a wonderful working environment. To my non-office
colleagues – Pedro Sardinha, Carlos Gaspar, Raúl Guilherme, Diogo Sousa and Hugo Serra – a
deep appreciation for the good times spent and for making me feel at home day after day.
Finally, for my better half, Marisa Esteves, I can undoubtedly state that without her none of
this would have been made possible. My gratitude to her, for sticking with me in these last five,
difficult, years is eternal. For being my safe haven, that kept me strong, when everything else
crumbled, for being an immense inspirational and motivational source, for all that she has lost
while helping me find myself and for her unconditional support, I am eternally grateful. No matter
what, this will always be present in me. Thank you, without you I could never be where I am
today.

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Universidade Nova de Lisboa
Resumo
Faculdade de Ciências e Tecnologia
Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores
por Diogo Telmo Cruz Dias

O cancro da mama é o tipo de cancro mais comum, à escala mundial. A eficácia do seu
tratamento depende, não só, de uma detecção atempada, mas também da precisão do seu
diagnóstico. Algumas técnicas de diagnóstico como a Ressonância Magnética, Sonogramas por
Ultra-som e Tomografia por Emissão de Positrões (PET) têm sofrido avanços consideráveis. O
trabalho aqui apresentado incide sobre o estudo de uma aplicação PET direccionada para a
Mamografia por Emissão de Positrões (PEM).
Um sistema PET/PEM opera sob o princípio no qual um cristal cintilante deverá detectar
um impulso de raios gama, originado nas células cancerígenas, convertendo-o num impulso de luz
visível. Este último deverá ser convertido num impulso de corrente eléctrica através de um
Dispositivo Fotossensível (PSD). Após o PSD, surge um Amplificador de Transimpedância
(TIA), cujo objectivo é o de converter o impulso de corrente numa tensão de saída num período
de tempo inferior a 40 ns.
No trabalho aqui apresentado é considerado um Fotomultiplicador de Silício (SiPM). A
utilização deste dispositivo é impraticável com as topologias de TIAs convencionais. Logo, o
projecto do amplificador será sujeito à utilização da topologia Porta Comum Regulada (RCG).
Serão apresentadas duas variações da referida topologia, consistindo numa melhoria da resposta
do ruído e possibilidade de operação em modo diferencial. A referida topologia irá ainda ser
testada no contexto de um receptor de Radiofrequência. Será também apresentado um estudo que
incluirá um TIA com realimentação auto-polarizado em tensão reduzida.
Os circuitos propostos são simulados com tecnologia CMOS padrão (UMC 130 nm),
alimentados a 1.2 V. Obteve-se um consumo de potência de 0.34 mW e uma relação sinal-ruído
de 43 dB.
Palavras-Chave: Tomografia por Emissão de Positrões, Detectores de Radiação, Amplificador de
Transimpedância, Fotomultiplicador de Silício, pulse shaping.
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Universidade Nova de Lisboa
Abstract
Faculdade de Ciências e Tecnologia
Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores
por Diogo Telmo Cruz Dias

Breast cancer is the most common type of cancer worldwide. The effectiveness of its
treatment depends on early stage detection, as well as on the accuracy of its diagnosis. Recently,
diagnosis techniques have been submitted to relevant breakthroughs with the upcoming of
Magnetic Resonance Imaging, Ultrasound Sonograms and Positron Emission Tomography (PET)
scans, among others. The work presented here is focused on studying the application of a PET
system to a Positron Emission Mammography (PEM) system.
A PET/PEM system works under the principle that a scintillating crystal will detect a
gamma-ray pulse, originated at the cancerous cells, converting it into a correspondent visible light
pulse. The latter must then be converted into an electrical current pulse by means of a Photo-
-Sensitive Device (PSD). After the PSD there must be a Transimpedance Amplifier (TIA) in order
to convert the current pulse into a suitable output voltage, in a time period lower than 40 ns.
In this Thesis, the PSD considered is a Silicon Photo-Multiplier (SiPM). The usage of this
recently developed type of PSD is impracticable with the conventional TIA topologies, as it will
be proven. Therefore, the usage of the Regulated Common-Gate (RCG) topology will be studied
in the design of the amplifier. There will be also presented two RCG variations, comprising a
noise response improvement and differential operation of the circuit. The mentioned topology will
also be tested in a Radio-Frequency front-end, showing the versatility of the RCG. A study
comprising a low-voltage self-biasing feedback TIA will also be shown.
The proposed circuits will be simulated with standard CMOS technology (UMC 130 nm),
using a 1.2 V power supply. A power consumption of 0.34 mW with a signal-to-noise ratio of 43
dB was achieved.

Keywords: Positron Emission Tomography, Radiation Detectors, Transimpedance Amplifiers,
Silicon Photo-Multipliers, pulse shaping.
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