光子測量前端電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電路領域，具體地，涉及一種光子測量前端電路。
【背景技術】
[0002]在高能光子(X射線、伽瑪光子等)測量系統的前端檢測裝置一般包含閃爍晶體、光電檢測器(或稱光電傳感器)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生能量較低的可見光子群。光電傳感器把可見光子群攜帶的光信號轉換為電信號。光子測量前端電路的主要目的是通過測量光電傳感器產生的電信號，來獲取高能光子的能量和到達時間。例如，在正電子發射成像(PET)及單光子發射成像(SPECT)系統中，伽瑪光子與閃爍晶體，例如硅酸釔镥(LYSO)晶體，相互作用后產生能量較低的可見光子群。光電傳感器，例如光電倍增管(PMT)或者硅光電倍增管(SiPM)等，把可見光子群攜帶的光信號轉換為電信號。光子測量前端電路測量光電傳感器產生的電信號，獲取伽瑪光子的能量和到達時間。
[0003]下面以SiPM為例來描述光子測量前端電路的工作方式。SiPM是一種基于娃的光電傳感器。SiPM由邊長10?100微米左右的小的傳感器微元(cell)組成。每個傳感器微元都是工作在蓋革(Geiger)模式下的雪崩式光電二極管。每個傳感器微元每次都只能檢測一個可見光子。成百上千的傳感器微元組成傳感器單元(pixel)。傳感器單元的面積通常為I平方毫米至幾十平方毫米。很多傳感器單元組合在一起，又可以組成更大的傳感器陣列(例如16x 16個3毫米X 3毫米的傳感器單元組成的陣列)。SiPM陣列和閃爍晶體陣列通過光導層耦合在一起，就構成了基于SiPM的前端檢測器。基于SiPM的前端檢測器主要應用于PET系統的前端伽瑪光子檢測。相比于傳統的PMT，SiPM具有尺寸小、偏置電壓低、時間分辨率高、與核磁共振(MRI)磁場兼容等優點。SiPM的主要缺點是存在較大暗電流、增益受溫度影響較大、通道數目多、讀出電路復雜等。
[0004]成百上千的傳感器微元組成傳感器單元時，與其相連的光子測量前端電路通常采用兩種方式實現，即模擬方式(可稱為模擬SiPM)和數字方式(可稱為數字SiPM)。模擬SiPM是將所有傳感器微元的信號通過加法電路求和后，形成一路模擬信號輸出。外部電路通過測量模擬信號的面積計算伽瑪光子的能量，通過測量模擬信號的上升沿的時間，測量伽瑪光子的到達時間。模擬SiPM的缺點是增益受溫度影響較大、時間分辨率較低。在數字SiPM中，每個傳感器微元檢測到可見光子時，輸出一個脈沖。后繼數字電路對輸出有效脈沖的傳感器微元的個數進行計數，得到入射伽瑪光子的能量。后繼數字電路對傳感器微元輸出的脈沖的起始時間進行測量，得到伽瑪光子的到達時間。這種方法的主要缺點是，需要后繼數字電路讀出數字化的能量和時間信號，光子測量前端電路與后繼數字電路之間的接口較為復雜，例如其可能采用通用串行總線(USB)接口來實現。因此，當將光子測量前端電路擴展成陣列時，電路結構更加復雜，不易實現。
[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有技術中存在的上述問題。
【發明內容】
[0006]為了至少部分地解決現有技術中存在的問題，根據本發明的一個方面，提供一種光子測量前端電路。該光子測量前端電路包括與一個或多個傳感器微元集合--對應的一個或多個信號處理電路以及主處理電路。一個或多個信號處理電路中的每一個包括與對應傳感器微元集合中的一個或多個傳感器微元一一對應的一個或多個前級處理電路以及后級處理電路。一個或多個前級處理電路中的每一個的輸入端連接對應傳感器微元的輸出端，前級處理電路用于接收來自對應傳感器微元的初始電流信號并且當初始電流信號的幅值大于電流閾值時輸出脈沖電流信號。后級處理電路的輸入端連接一個或多個前級處理電路中的每一個的輸出端，后級處理電路用于對來自一個或多個前級處理電路中的每一個的脈沖電流信號進行處理以生成輸出信號。主處理電路連接一個或多個信號處理電路中的每一個的后級處理電路的輸出端，主處理電路用于根據來自一個或多個信號處理電路中的每一個的后級處理電路的輸出信號對一個或多個傳感器微元集合所檢測到的光子進行測量。
[0007]根據本發明提供的光子測量前端電路，采用了與傳感器微元一一對應的前級處理電路來對各傳感器微元輸出的信號進行前級處理，使得來自不同傳感器微元的信號被量化處理，從而使得針對傳感器微元的光子測量和性能檢測能夠實現，并且計算出來的入射伽瑪光子的能量不受溫度的影響。此外，信號處理電路與主處理電路之間的接口簡單，可以很方便地將信號處理電路擴展成陣列。
[0008]在
【發明內容】
中引入了一系列簡化的概念，這些概念將在【具體實施方式】部分中進一步詳細說明。本
【發明內容】
部分并不意味著要試圖限定所要求保護的技術方案的關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。
[0009]以下結合附圖，詳細說明本發明的優點和特征。
【附圖說明】
[0010]本發明的下列附圖在此作為本發明的一部分用于理解本發明。附圖中示出了本發明的實施方式及其描述，用來解釋本發明的原理。在附圖中，
[0011]圖1示出根據本發明一個實施例的光子測量前端電路的示意性框圖；
[0012]圖2示出根據本發明一個實施例的信號處理電路的示意性框圖；
[0013]圖3示出根據本發明一個實施例的劃分傳感器微元集合的示意圖；
[0014]圖4示出根據本發明一個實施例的信號處理電路的示意性框圖；
[0015]圖5示出根據本發明一個實施例的光子測量前端電路的電路示意圖；
[0016]圖6示出根據本發明一個實施例的后級處理電路和主處理電路的電路示意圖；以及
[0017]圖7示出根據本發明另一個實施例的后級處理電路和主處理電路的電路示意圖。
【具體實施方式】
[0018]在下文的描述中，提供了大量的細節以便能夠徹底地理解本發明。然而，本領域技術人員可以了解，如下描述僅涉及本發明的較佳實施例，本發明可以無需一個或多個這樣的細節而得以實施。此外，為了避免與本發明發生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進行描述。
[0019]根據本發明的一個方面，提供一種光子測量前端電路。圖1示出根據本發明一個實施例的光子測量前端電路100的示意性框圖。
[0020]如圖1所示，光子測量前端電路100包括與一個或多個傳感器微元集合一一對應的一個或多個信號處理電路110以及主處理電路120。一個或多個信號處理電路110中的每一個包括與對應傳感器微元集合中的一個或多個傳感器微元一一對應的一個或多個前級處理電路111以及后級處理電路112。圖1所示的信號處理電路110以及各信號處理電路110中的前級處理電路111的數目僅是示例而非限制。
[0021]傳感器微元可以是例如SiPM微元。傳感器微元集合是若干傳感器微元組成的集合。每個傳感器微元集合對應著一個信號處理電路110。傳感器微元集合和對應的信號處理電路110的數目相等，兩者的數目可以根據需要而定，本發明不對此進行限制。每個傳感器微元集合可以包括一個或多個傳感器微元。不同的傳感器微元集合所包括的傳感器微元的數目可以相同，也可以不同。在任意傳感器微元集合中，每個傳感器微元對應著一個前級處理電路111。同樣地，每個傳感器微元集合中的傳感器微元和對應的前級處理電路111的數目相等，兩者的數目可以根據需要而定，本發明不對此進行限制。為了描述方便，在下文中，以Si表示傳感器微元集合，其中i是傳感器微元集合的序號，i = 1，2…M，M是傳感器微元集合的數目；以S1Cj表示傳感器微元集合S 1中的傳感器微元，其中j表示傳感器微元在該傳感器微元集合Si中的序號，j = 1,2…Ni, Ni是傳感器微元集合S ;中包括的傳感器微元的數目。
[0022]—個或多個前級處理電路111中的每一個的輸入端連接對應傳感器微元的輸出端。前級處理電路111用于接收來自對應傳感器微元的初始電流信號并且當初始電流信號的幅值大于電流閾值時輸出脈沖電流信號。該脈沖電流信號具有特定脈沖寬度、特定幅值和特定方向。本領域技術人員可以理解，當有效脈沖事件發生時，若干傳感器微元會檢測到可見光子并輸出一個電流信號。有效脈沖事件是指伽瑪光子引起的在傳感器微元中產生電流信號的事件。然而，在未發生有效脈沖事件時，由于噪聲等干擾因素的存在，傳感器微元仍然可能輸出具有一定強度的電流信號。通常有效脈沖事件發生時輸出的電流信號的強度較大，因此通過電流信號的強度可以甄別出有效脈沖事件。可以預先設定一個電流閾值，當初始電流信號的幅值大于電流閾值時，可以認為有效脈沖事件發生，此時前級處理電路111可以輸出一個脈沖電流信號，以表示有效脈沖事件發生。相反，當初始電流信號的幅值小于或等于電流閾值時，可以認為有效脈沖事件未發生，此時前級處理電路111可以不輸出任何信號。這樣，可以在一定程度上起到防噪聲的作用。電流閾值可以根據需要設定為任何合適的值。當然，電流閾值也可以是O。可以理解的是，對于光子測量前端電路100中的所有前級處理電路111來說，其輸出的脈沖電流信號具有相同的脈沖寬度、相同的幅值以及相同的方向。應當注意的是，在現有的數字SiPM中，不同傳感器微元輸出的信號，經前端電路直接轉換成數字脈沖信號，然后對數字脈沖信號的個數進行求和計算得出伽瑪光子的能量。因此，這是一種直接對數字信號進行求和的方法，數字脈沖信號的寬度可以不相同，這與本發明不同。根據本發明的實施例，當傳感器微元檢測到可見光子時，前級處理電路輸出具有特定脈沖寬度、特定幅值和特定方向的脈沖電流信號，使得后續的后級處理電路可以對脈沖電流信號進行諸如積分等處理，最終可據此計算得出伽瑪光子的能量。所有前級處理電路ill輸出的脈沖電流信號相同，使得在主處理電路計算伽瑪光子的能量時，可以將各傳感器微元檢測到的可見光子的能量視為是一致的。由于在類似SiPM的光電傳感器中，傳感器微元的數目很多，每個傳感器微元的面積較小。因此，在有效脈沖事件發生時，可見光子群作用到大量的傳感器微元上。傳感器微元的個數遠大于入射的可見光子的個數，每個傳感器微元最多只能檢測到一個可見光子。每個可見光子攜帶的能量是一樣的。因此，檢測到可見光子的各傳感器微元所檢測到的光信號的強度(或者能量)是相同的