一種獲取光子到達探測器時間的電路及探測器的制作方法

本發明涉及醫療設備技術領域，尤其涉及一種獲取光子到達探測器時間的電路及探測器。

背景技術：

在正電子發射型計算機斷層顯像(PET，Positron Emission Computed Tomography)系統中，注入體內的放射性核素所發射出的正電子在人體內移動大約lmm后將會與人體內的負電子結合發生湮滅輻射，正負電子湮滅時產生兩個能量相同(511keV)但方向相反的γ光子。如圖1所示為正電子湮滅過程示意圖。

這兩個方向相反的γ光子用相對放置的兩個探測器來測量。由于兩個γ光子在人體內的路徑不同，到達兩個探測器的時間也有一定差別，如果在規定的時間窗內，探測器系統探測到兩個互成180度的γ光子，則這個事件被稱之為符合事件。通過對符合事件進行處理及計算，最終形成診斷需要的PET圖像。

在新型的飛行時間(TOF，Time of Flight)的PET中，兩個湮滅輻射的γ光子到達探測器的時間可被測量和記錄，利用兩個光子到達探測器的時間差，來確定湮滅輻射的位置。

現有技術中，利用延遲芯片和時間數字轉換器來獲取光子到達探測器的時間信息，但是，這兩個獨立的芯片價格比較昂貴，而且所占用的電路面積比較大。如果一個芯片故障，將導致不能準確獲得光子到達探測器的時間。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的以上技術問題，本發明提供一種獲取光子到達探測器時間的電路及探測器，能夠準確獲取光子到達探測器的時間，而且成本較低。

本發明實施例提供一種獲取光子到達探測器時間的電路，包括：第一比較器、第二比較器和時間確定芯片；

所述第一比較器的第一輸入端和第二比較器的第一輸入端均連接輸入信號，所述第一比較器的第二輸入端連接第一電壓閾值，所述第二比較器的第二輸入端連接第二電壓閾值，所述第一電壓閾值大于所述第二電壓閾值；

所述第一比較器的輸出端連接時間確定芯片的第一管腳，所述第二比較器的輸出端連接所述時間確定芯片的第二管腳，所述時間確定芯片的時鐘端連接同步時間信號；

所述時間確定芯片，用于在所述同步時間信號下對所述第一比較器的輸出信號和第二比較器的輸出信號進行邏輯運算獲得時間信息。

優選地，所述時間確定芯片為現場可編程門陣列FPGA。

優選地，所述時間確定芯片包括：與門、第一D觸發器和以下至少兩個用于實現延時的D觸發器：第二D觸發器和第三D觸發器；

所述第一比較器的輸出端連接所述第二D觸發器的D輸入端，所述第二D觸發器的輸出端連接所述第三D觸發器的D輸入端；

所述第三D觸發器的輸出端連接所述第一D觸發器的重置端，所述第一比較器的輸出端連接所述第一D觸發器的時鐘端；所述第一D觸發器的D輸入端連接高電平；

所述第二D觸發器和第三D觸發器的時鐘端均連接同步時鐘信號；

所述第二比較器的輸出端連接所述與門的第一輸入端，所述第一D觸發器的輸出端連接所述與門的第二輸入端；

所述與門的輸出信號作為所述時間信息。

優選地，所述第一D觸發器、第二D觸發器和第三D觸發器的觸發方式為上升沿觸發。

優選地，所述第一比較器和第二比較器由現場可編程門陣列FPGA實現。

優選地，所述第一比較器的第一輸入端為正相輸入端，所述第一比較器的第二輸入端為反相輸入端；所述第二比較器的第一輸入端為正相輸入端，所述第二比較器的第二輸入端為反相輸入端。

本發明實施例提供一種探測器，包括所述的獲取光子到達探測器時間的電路。

與現有技術相比，本發明至少具有以下優點：

時間確定芯片在同步時間信號下，利用D觸發器對所述第一比較器的輸出信號進行延遲，使延遲后的第一比較器的輸出信號和第二比較器的輸出信號同步，并對同步后的第一比較器的輸出信號和第二比較器的輸出信號進行“與”運算獲得時間信息。現有技術中是利用延遲芯片進行延遲，利用時間數字轉換器獲得時間信息，本實施例中利用一個時間確定芯片通過邏輯運算就可以獲得時間信息，節省了硬件成本和電路的空間，另外，由于第一比較器和第二比較器的輸出信號直接輸入該時間確定芯片，即使光電子脈沖信號的上升沿存在干擾信號，也不影響獲取時間的精確度。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為正電子湮滅過程示意圖；

圖2為現有技術提供的獲取時間的電路；

圖3為Vth和Vtl的示意圖；

圖4為Sin存在干擾時的波形圖；

圖5為本發明提供的獲取光子到達探測器時間的電路實施例一示意圖；

圖6為本發明提供的時間確定芯片的示意圖；

圖7為圖5和圖6對應的時序圖。

具體實施方式

現有技術中，為了獲得γ光子到達探測器的時間，利用圖2所示的獲取時間的電路來實現。下面結合圖2詳細描述現有技術中獲取光子到達探測器的時間的原理。

輸入信號Sin同時輸入兩個比較器U2和U3的第一輸入端，其中U2的第二輸入端2連接第一電壓閾值Vth，U3的第二輸入端2連接第二電壓閾值Vtl，Sin、Vth和Vtl的示意圖參見圖3所示。

由于Vtl小于Vth，因此，U3先輸出高電平，U2后輸出高電平，在U3的輸出端連接延遲芯片U4。U4的輸入端連接D觸發器U1的時鐘CLK端，U2的輸出端連接D觸發器U1的D。

當D觸發器U1輸出高電平時，判斷為有效事件，此時D觸發器U1輸出脈沖信號給時間數字轉換器(TDC，Time-to-Digital Converter)U5和FPGA芯片U6。

U5用于獲取時間信息，U6用于產生邏輯復位信號給D觸發器U1復位，使下一有效事件能夠到達。同時，U6還用于讀取U5的時間信息并上傳給上位機。

但是，時間信息經過U4延時和U1鎖存，兩個分立器件會產生時間誤差，從而影響獲得的時間的精度。同時由于U4的存在會造成如圖4所示的干擾信號。該干擾信號會導致U3輸出高電平，誤認為這是一個有效事件。U4的延時時間越長，造成這種誤判的可能性會越大。另外，延遲芯片U4和時間數字轉換器芯片的價格也比較昂貴。

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

參見圖5，提供的獲取光子到達探測器時間的電路實施例一示意圖。

本實施例提供的獲取光子到達探測器時間的電路，包括：第一比較器U8、第二比較器U9和時間確定芯片U12；

所述第一比較器U8的第一輸入端和第二比較器U9的第一輸入端均連接輸入信號，所述第一比較器U8的第二輸入端連接第一電壓閾值Vth，所述第二比較器U9的第二輸入端連接第二電壓閾值Vtl，所述第一電壓閾值Vth大于所述第二電壓閾值Vtl；

輸入信號為光電子脈沖信號，該信號存在上升沿，因此，該信號首先會超過第二電壓閾值Vtl，即第二比較器U9先被觸發，隨后上升沿會達到第一電壓閾值Vth，即第一比較器U8被觸發。第二電壓閾值Vtl用于光電子脈沖前沿時刻的甄別。第一電壓閾值Vth用于濾除低能和噪聲。

所述第一比較器U8的輸出端連接時間確定芯片U12的第一管腳，所述第二比較器U9的輸出端連接所述時間確定芯片U12的第二管腳，所述時間確定芯片的時鐘端連接同步時間信號；

所述時間確定芯片U12，用于在所述同步時間信號下對所述第一比較器U8的輸出信號和第二比較器U9的輸出信號進行邏輯運算獲得時間信息。

其中，所述時間確定芯片U12具體可以用于：在所述同步時間信號下，利用D觸發器對所述第一比較器U8的輸出信號進行延遲，使延遲后的第一比較器U8的輸出信號和第二比較器U9的輸出信號同步，并對同步后的第一比較器U8的輸出信號和第二比較器U9的輸出信號進行“與”運算獲得時間信息。

需要說明的是，所述第一比較器U8的第一輸入端為正相輸入端，所述第一比較器U8的第二輸入端為反相輸入端；所述第二比較器U9的第一輸入端為正相輸入端，所述第二比較器U9的第二輸入端為反相輸入端。這樣可以保證當比較器的輸入信號大于電壓閾值時，比較器輸出高電平。

可以理解的是，現有技術中是利用延遲芯片進行延遲，利用時間數字轉換器獲得時間信息，本實施例中利用一個時間確定芯片通過邏輯運算就可以獲得時間信息，節省了硬件成本和電路的空間，另外，由于第一比較器和第二比較器的輸出信號直接輸入該時間確定芯片，即使光電子脈沖信號的上升沿存在干擾信號，也不影響獲取的時間的精確度。

下面結合具體實例對本發明提供的方案進行進一步介紹。可以理解的是，本發明提供的時間確定芯片U12可以由現場可編程門陣列(FPGA，Field Programmable Gate Array)來實現。這樣本實施例可以由FPGA一個芯片完成延遲和時間確定兩個功能，而現有技術中需要延遲芯片時間數字轉換器兩個分立器件才能實現。因此，本實施例可以節省硬件成本和電路板的空間。

參見圖6，為本發明提供的時間確定芯片的示意圖。

圖6中的U8和U9為圖5中U8和U9的輸出端。

本實施例提供的時間確定芯片包括：與門LE～0、第一D觸發器tLe和以下至少兩個用于實現延時的D觸發器：第二D觸發器和第三D觸發器；

需要說明的是，第二D觸發器和第三D觸發器用于實現延時，用于延時的D觸發器的個數可以實際需要延時的時間來選擇，不局限于選擇兩個D觸發器，如圖6所示，用于延時的D觸發器為6個，即t[5:0]。6個D觸發器級聯實現延時的功能，即前一個D觸發器的輸出端連接下一個D觸發器的輸入端。所有D觸發器的時鐘端連接同一個時鐘信號。

所述第一比較器U8的第一輸入端和第二比較器U9的第一輸入端均連接輸入信號Sin，所述第一比較器U8的第二輸入端連接第一電壓閾值Vth，所述第二比較器U9的第二輸入端連接第二電壓閾值Vtl，所述第一電壓閾值Vth大于所述第二電壓閾值Vtl；

以下第二D觸發器用t[0]表示，第三D觸發器用t[1]表示。

所述第一比較器U8的輸出端連接所述第二D觸發器t[0]的D輸入端，所述第二D觸發器t[0]的輸出端連接所述第三D觸發器t[1]的D輸入端；

所述第三D觸發器t[1]輸出端連接所述第一D觸發器tLe的重置端，所述第一比較器U8的輸出端連接所述第一D觸發器tLe的時鐘端；所述第一D觸發器tLe的D輸入端連接高電平；

所述第二D觸發器t[0]和第三D觸發器t[1]的時鐘端均連接同步時鐘信號clk；

需要說明的是，同步時鐘信號clk是PET系統中的時鐘信號，由于PET系統包括多個探測器，多個探測器的時鐘信號需要同步，由PET系統提供統一的同步時鐘信號clk。

所述第二比較器U9的輸出端連接所述與門LE～0的第一輸入端，所述第一D觸發器tLe的輸出端連接所述與門LE～0的第二輸入端；

所述與門LE～0的輸出信號作為有效事件的鎖存信號。

下面說明圖5和圖6的工作原理。

只有U8和U9同時輸出高電平，才認為是一個有效事件。但是由于Sin上升沿斜率的存在，U8輸出高電平的時間比U9輸出高電平的時間晚，并且U8輸出高電平的寬度小于U9輸出高電平的寬度。確認有效事件后需要輸出有效事件的鎖存信號，直到讀取完這次光電子脈沖信號對應的時間數據。這樣可以避免Sin的下一個光電子脈沖進入。具體實現過程如下：

U8一旦輸出高電平，則tLe的時鐘端被高電平觸發，由于tLe的D輸入端一直連接高電平，因此，當tLe的時鐘端被高電平觸發時則輸出端Q為高電平。tLe輸出高電平的時間是一次有效事件的時間，一次有效事件的時間經過D觸發器使用同步時鐘clk進行延時。tLe輸出信號和U9輸出信號通過LE～0相與作為有效事件的鎖存信號，以防止下一事件的到達，此時間應滿足讀取時間標定的信息，同時滿足略小于U9的信號時間，以同時防止下一事件的不丟失。

為了進一步直觀地了解本實施例提供的技術方案，下面結合時序圖進行進一步的說明。

參見圖7，該圖為圖5和圖6對應的時序圖。

可以看出，U9先于U8輸出高電平，而且U9高電平結束的時間也比U8晚。經過級聯的D觸發器延遲以后，目的是把U8高電平的結束時間延遲到與U9同時結束。即t[5]的下降沿與U9的下降沿同步。

本實施例提供的獲取光子到達探測器時間的電路，利用D觸發器級聯實現信號的延遲，這樣節省了成本高的延遲芯片，并且利用與門實現有效事件的鎖存，節省了成本高的時間數字轉換器。同時D觸發器和與門都可以利用FPGA來實現，這樣利用FPGA直接對第一比較器和第二比較器的信號進行處理，而不是由延遲芯片和時間數字轉換器兩個分立器件進行延遲和鎖存，由兩個分立器件實現容易造成時間誤差，影響時間精度。本實施例提供的電路可以保證獲取有效事件的時間精度。

需要說明的是，第一比較器和第二比較器可以由普通的比較器來實現，也可以由FPGA來實現。當第一比較器和第二比較器由FPGA來實現時，更加節省了電路的硬件成本和空間，完全由FPGA一個芯片來實現即可。

隨著FPGA技術的發展，越來越多的總線標準出現的引腳功能上。如

GTL+:Vref＝1.0V；

HSTL Class I:Vref＝0.75V；

HSTL Class III:Vref＝0.9V；

HSTL Class IV:Vref＝0.9V；

SSTL2Class I:Vref＝1.25V；

SSTL3Class I:Vref＝1.5V。

需要說明的是，GTL+、HSTL Class I、HSTL Class III、HSTL Class IV、SSTL2Class I和SSTL3Class I均為電平標準。

可以通過模擬信號偏移并放大的方法，來匹配管腳電平，利用FPGA實現比較器的功能。

例如：可以將模擬信號偏移0.95V，將信號接入到GTL管腳，替代Vtl比較器，同樣再將模擬信號接入SSTL2管腳，替代Vth的比較器。相當于Vtl和Vth閾值分別為0.05V和0.3V。

基于以上實施例提供的獲取光子到達探測器時間的電路，本發明還提供一種探測器，該探測器包括以上實施例所述的電路，可以準確獲取光子到達探測器的時間。從而有效形成圖像。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。