光子測量前端電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電路領(lǐng)域，具體地，涉及一種光子測量前端電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在高能光子(X射線、伽瑪光子等)測量系統(tǒng)的前端檢測器一般包含閃爍晶體、光電檢測器和光子測量前端電路三部分。高能光子與閃爍晶體相互作用后產(chǎn)生能量較低的可見光子群。光電檢測器把可見光子群攜帶的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光子測量前端電路的主要目的是通過測量光電檢測器產(chǎn)生的電信號，來獲取高能光子的能量和到達(dá)時間。例如，正電子發(fā)射成像(PET)及單光子發(fā)射成像(SPECT)系統(tǒng)中，伽瑪光子與閃爍晶體(如LYSO晶體)相互作用后產(chǎn)生能量較低的可見光子群。光電檢測器(如PMT或者SiPM)把可見光子群攜帶的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光子測量前端電路測量光電檢測器產(chǎn)生的電信號，獲取伽瑪光子的能量和到達(dá)時間。
[0003]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的例示性光子測量前端電路的框圖。如圖1所示，PET系統(tǒng)中的光子測量前端電路包含能量測量和時間測量兩個部分。典型的能量測量電路包括一個脈沖整形濾波器(即圖1所示的低通濾波器)，一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以及用于能量計算的求和電路。該求和電路通常采用現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)實現(xiàn)。典型的時間測量電路包括一個高速前置放大器，一個脈沖上升沿檢測器(或恒比例檢測器或過零檢測器，即圖1所示的比較器)，以及一個時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)。在傳統(tǒng)的光子測量前端電路中，一個通道需要至少3個放大器，一個TDC和一個ADC。這樣的測量電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其成本和功耗都比較高。當(dāng)采用硅光電倍增管(SiPM)陣列構(gòu)成光電檢測器時，情況更為復(fù)雜。一個8x8的陣列將需要64個通道。這在成本和功耗上都是不現(xiàn)實的。通常的做法是通過電阻陣列將信號通道進(jìn)行縮減。但是這種方法不適用于需要讀出SiPM每一路信號的應(yīng)用，例如，由SiPM陣列和一整塊晶體構(gòu)成的光電檢測器等。
[0004]另外，通常來說，在現(xiàn)有的光子測量前端電路中，對來自光電檢測器的電流信號(下文稱為初始信號)進(jìn)行放大和濾波處理，隨后采用ADC對經(jīng)過放大和濾波的初始信號進(jìn)行采樣，并根據(jù)采樣得到的初始信號的值來計算高能光子的能量。由于初始信號通常為脈沖電流信號，其起始時間是隨機(jī)的，和ADC采樣時鐘不同步，因此通過ADC采樣計算出來的能量受初始信號的起始時間的影響。
[0005]因此，需要提供一種光子測量前端電路，以至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種光子測量前端電路。該光子測量前端電路包括積分模塊、比較器、傳輸控制器、負(fù)反饋模塊和光子測量模塊。積分模塊連接光電檢測器的輸出端和負(fù)反饋模塊的輸出端，積分模塊用于接收來自光電檢測器的初始信號和來自負(fù)反饋模塊的反饋信號，對初始信號和反饋信號的差進(jìn)行積分并且輸出積分信號。比較器的一個輸入端連接積分模塊的輸出端并且比較器的另一輸入端接入?yún)⒖茧娖?，比較器用于將積分信號與參考電平進(jìn)行比較并生成比較結(jié)果。傳輸控制器的輸入端連接比較器的輸出端，傳輸控制器用于利用時鐘信號控制比較結(jié)果的傳輸以輸出數(shù)字信號，其中數(shù)字信號中的、持續(xù)時間等于時鐘信號的周期的高電平代表第一邏輯電平，數(shù)字信號中的、持續(xù)時間等于時鐘信號的周期的低電平代表第二邏輯電平。負(fù)反饋模塊的輸入端連接傳輸控制器的輸出端，負(fù)反饋模塊用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為反饋信號并且將反饋信號反饋給積分模塊。光子測量模塊包括能量測量模塊，能量測量模塊的輸入端連接傳輸控制器的輸出端，能量測量模塊用于利用數(shù)字信號對光電檢測器所檢測到的光子進(jìn)行能量測量。
[0007]根據(jù)本發(fā)明提供的光子測量前端電路，其電路結(jié)構(gòu)簡單，可以不使用或較少使用有源器件，從而可以降低功耗并節(jié)約成本。此外，與現(xiàn)有技術(shù)中通過ADC采樣來進(jìn)行能量測量的方法不同，本發(fā)明提供的光子測量前端電路對初始信號進(jìn)行了積分，并對積分信號進(jìn)行處理以獲得光子的能量信息，因此能量測量不受初始信號的起始時間的影響。
[0008]在
【發(fā)明內(nèi)容】
中引入了一系列簡化的概念，這些概念將在【具體實施方式】部分中進(jìn)一步詳細(xì)說明。本
【發(fā)明內(nèi)容】
部分并不意味著要試圖限定所要求保護(hù)的技術(shù)方案的關(guān)鍵特征和必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護(hù)的技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
[0009]以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)點和特征。
【附圖說明】
[0010]本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實施方式及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，
[0011]圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中的例示性光子測量前端電路的框圖；
[0012]圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光子測量前端電路的示意性框圖；
[0013]圖3示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的能量測量結(jié)果和來自光電檢測器的初始信號的峰值之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)圖；
[0014]圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光子測量前端電路的示意性框圖；
[0015]圖5示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的時間測量結(jié)果和來自光電檢測器的初始信號的峰值之間的關(guān)系圖；
[0016]圖6示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的利用暗電流測量結(jié)果對能量測量結(jié)果進(jìn)行校正的方法的流程圖；
[0017]圖7示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的波形重建結(jié)果；
[0018]圖8示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光子測量前端電路的電路示意圖；以及
[0019]圖9示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的光子測量前端電路的電路示意圖。
【具體實施方式】
[0020]在下文的描述中，提供了大量的細(xì)節(jié)以便能夠徹底地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解，如下描述僅涉及本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明可以無需一個或多個這樣的細(xì)節(jié)而得以實施。此外，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種光子測量前端電路。下面結(jié)合圖2-9描述本發(fā)明提供的光子測量前端電路。圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光子測量前端電路200的示意性框圖。
[0022]如圖2所示，光子測量前端電路200包括積分模塊210、比較器220、傳輸控制器230、負(fù)反饋模塊240和光子測量模塊250。
[0023]積分模塊210連接光電檢測器(未不出)的輸出端和負(fù)反饋模塊240的輸出端。積分模塊210用于接收來自光電檢測器的初始信號和來自負(fù)反饋模塊240的反饋信號，對初始信號和反饋信號的差進(jìn)行積分并且輸出積分信號。
[0024]可選地，上述光電檢測器可以是任何合適的光電檢測器，諸如SiPM，光電倍增管(PMT)，雪崩光電二極管(APD)等。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在PET系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生正電子煙滅時，會產(chǎn)生一對伽瑪光子。閃爍晶體受到伽瑪光子的撞擊時，光電檢測器會輸出初始信號，該初始信號通常是脈沖電流信號。光電檢測器將該初始信號輸出到光子測量前端電路200，以便由光子測量前端電路200通過測量該初始信號來獲得伽瑪光子的能量信息、時間信息等，進(jìn)而獲得關(guān)于正電子煙滅事件的信息。
[0025]光子測量前端電路200是包括負(fù)反饋環(huán)節(jié)的電路，反饋信號被輸入到積分模塊210。同時，積分模塊210還接收來自光電檢測器的初始信號。初始信號和反饋信號均為電流信號，它們的流動方向是相反的。例如，如果初始信號是從積分模塊210流向光電檢測器的，則可以將反饋信號設(shè)定為從負(fù)反饋模塊240流向積分模塊210。因此，對于積分模塊210來說，實際上最終輸入的是初始信號與反饋信號的差，積分模塊210可以對二者的差進(jìn)行積分。應(yīng)該注意，圖2中示出的箭頭方向是信號的傳輸方向，而不一定是信號的流動方向。積分模塊210可以采用模擬積分電路實現(xiàn)，例如通過電阻和電容組成的濾波器電路實現(xiàn)，下文將結(jié)合具體電路示例對積分模塊210的實現(xiàn)方式進(jìn)行詳細(xì)描述，在此不再贅述。
[0026]如圖2所示，比較器220的一個輸入端連接積分模塊210的輸出端并且比較器220的另一輸入端接入?yún)⒖茧娖?。比較器220用于將積分信號與參考電平進(jìn)行比較并生成比較結(jié)果。例如，當(dāng)積分信號的幅度大于參考電平時，比較器220可以輸出高電平，當(dāng)積分信號的幅度等于或小于參考電平時，比較器220可以輸出低電平。因此，比較器220輸出的比較結(jié)果中可以只存在高電平和低電平兩種狀態(tài)。通常，光電檢測器輸出的初始信號是隨時間變化的脈沖電流信號，在這種情況下，積分信號也是隨時間變化的信號。因此，比較器220輸出的比較結(jié)果是隨時間變化而在高電平和低電平兩種狀態(tài)之間切換的信號。
[0027]傳輸控制器230的輸入端連接比較器220的輸出端。傳輸控制器230用于利用時鐘信號控制比較結(jié)果的傳輸以輸出數(shù)字信號。其中，數(shù)字信號中的、持續(xù)時間等于時鐘信號的周期的高電平代表第一邏輯電平，數(shù)字信號中的、持續(xù)時間等于時鐘信號的周期的低電平代表第二邏輯電平。如上所述，比較結(jié)果是隨時間變化而在高電平和低電平兩種狀態(tài)之間切換的信號。在該比較結(jié)果中，高電平和低電平的持續(xù)時間可能是實時變化的，是無法確定的。所以可以通過傳輸控制器230對比較結(jié)果進(jìn)行時間上的量化，使得每段連續(xù)的高電平或低電平的持續(xù)時間都是