CN103460072A - 具有改进的时间精度的利用时间数字转换的探测器阵列 - Google Patents

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Abstract

探测器（22）对事件进行探测。第一时间数字转换器（TDC）（70）和第二时间数字转换器（TDC）（72）针对所述事件的探测生成第一时间戳（TS1）和第二时间戳（TS2）。所述第一TDC和所述第二TDC均与公共时钟信号（62）同步，所述公共时钟信号（62）定义所述第二TDC与所述第一TDC之间的固定时间偏移。自动校准电路（120）调整所述第一TDC和所述第二TDC，以保持所述第二时间戳与所述第一时间戳之间的所述时间差异等于所述第二TDC与所述第一TDC之间的所述固定时间偏移。所述探测器可以是探测器阵列，所述触发电路（28）将触发信号从所述探测器阵列的触发探测器传播到所述第一TDC和第二TDC。偏斜校正电路（132、134、136、142、60、162）基于哪个探测器是所述触发探测器来调整时间戳（TS）。

Description

具有改进的时间精度的利用时间数字转换的探测器阵列
技术领域
以下涉及辐射探测领域。其具体涉及用于正电子发射断层摄影（PET）特别是飞行时间（TOF）PET的高速辐射探测器，并且将具体参考其加以描述。然而，以下更广泛地涉及用于其他类型放射成像的高速辐射探测器，并且涉及用于诸如天文学的其他应用的高速辐射探测器。
背景技术
在PET成像中，向人类患者或其他成像对象施予的放射性药物发射正电子，每个正电子继而与周围的成像对象的电子一起在电子-正电子湮灭事件中湮灭，以产生两个反向的511keV伽马射线。在常规PET成像中，由成像对象周围的辐射探测器来探测这两个反向的伽马射线，作为两个基本上同时的辐射探测事件，所述辐射探测事件定义这之间的响应线（LOR）。在飞行时间（TOF）PET中，在两个基本上同时的探测事件之间细微的时间差异（或没有差异）用于沿LOR进一步定位正电子。
为了提供有用的TOF定位，应当使用亚纳秒时间分辨率来探测511keV伽马射线。能够实现这些速度的辐射探测器包括光电倍增管（PMT）探测器和硅基单光子雪崩二极管（SPAC）探测器（有时也被称为在盖革模式下工作的雪崩光电二极管或APD）。这样的探测器通常结合闪烁体来执行511keV伽马射线的探测。SPAD探测有利地利用成熟的硅微电子加工技术来使得能够在硅基底上实现二维探测器阵列的单片集成。可以在与SPAD阵列相同的硅基底上单片集成时间戳电路，或者在与SPAD阵列操作性连接作为混合电路的单独的硅基底上形成时间戳电路。这么做是有利的，因为时间戳电子设备应当与SPAD阵列一起定位，例如，在PET探测器机架上，并且优选地在与SPAD阵列相同或靠近SPAD阵列的芯片上（例如，作为芯片的3D叠加）。在下列专利文献中公开了用于TOF-PET或其他高速应用的SPAD探测器阵列的某些例示性范例：Frach等人于2010年5月25日发表的专利号为7723694的美国专利，在此通过引用将其全文并入；Fiedler等人于2009年12月1日发表的专利号为7626389的美国专利，在此通过引用将其全文并入；以及Prescher等人于2010年7月22日发布的公开号为2010/0182011A1的美国专利，在此通过引用将其全文并入。
尽管诸如PMT或SPAD探测器的辐射探测器能够具有亚纳秒时间分辨率，但是实际上实现这一效果因所提供的包括时间戳电路的适当的电子设备而异。在一个方法中，触发电路在探测时生成信号脉冲或其他触发信号。在闪烁体/探测器阵列配置的情况下，单个511keV伽马射线产生包括在光学或其他波长范围内的很多光子的闪烁，并且探测器阵列的单个“像素”包括累积与511keV伽马射线相对应的光子计数的SPAD探测器的子阵列。在这样的情况下，触发电路被设计为在第一个探测到的光子时进行触发或以一些其他触发标准进行触发，例如在第十个探测到的光子时进行触发等。
不管怎样配置触发器，时间戳电路都将触发信号的时间与系统时钟相关，以提供时间戳。然而，系统时钟的时间分辨率对于TOF PET来说过于粗略。例如，以200MHz运行的系统时钟每5纳秒产生一个时钟脉冲，这不足以用于亚纳秒时间戳分辨率。在这样的情况下，将系统时钟看作粗略计数器，并且提供精细计数器用于评估触发器信号距离时钟的参考点（例如，时钟脉冲的上升边，或时钟脉冲的下降边）的时间偏移。
己经找到方法，用于在给定时间为给定的辐射探测器像素提供足够（例如，亚纳秒）的时间分辨率。然而，整个探测器阵列的空间变化，也被称为“偏斜”，能够产生明显的误差。另外，电压和/或温度变化能够造成精细计数器的输出随时间漂移。偏斜和时间漂移相组合能够明显降低PET探测器阵列的有效时间分辨率。
以下预期改进的装置和方法，其解决上述限制和其他限制。
发明内容
根据一个方面，一种方法包括：对事件进行探测；生成与事件的探测相关联的触发信号；使用第一时间数字转换器（TDC）针对触发信号生成第一时间戳；使用第二TDC针对触发信号生成第二时间戳，所述第二TDC相对于第一TDC具有固定时间偏移；以及，基于第一时间戳、第二时间戳、以及对（1）第二时间戳与第一时间戳之间的时间差异与（2）固定时间偏移之间的比较，将时间戳与事件相关联。在一些这样的方法中，第一TDC与公共时钟信号同步，第二TDC与公共时钟信号同步，并且同步操作确定第二TDC相对于第一TDC的固定时间偏移，作为公共时钟信号的周期，或者作为公共时钟信号的周期的固定分数或倍数。在一些这样的实施例中，探测包括使用正电子发射断层摄影（PET）探测器的阵列探测辐射粒子，并且所述方法还包括：重复探测、生成触发信号、生成第一和第二时间戳以及关联，以采集时间戳辐射探测事件的数据集；从时间戳辐射探测事件的数据集生成飞行时间（TOF）PET数据集；以及重建TOF PET数据集以生成PET图像。
根据另一方面，一种装置包括：探测器，其被配置为对事件进行探测；第一时间数字转换器（TDC），其被配置为针对事件的探测生成第一时间戳；第二TDC，其被配置为针对事件的探测生成第二时间戳，在第二TDC和第一TDC之间存在固定时间偏移；以及自动校准电路，其被配置为调整第一TDC和第二TDC，以保持第二时间戳与第一时间戳之间的时间差异等于第二TDC与第一TDC之间的固定时间偏移。在一些这样的装置中，第一TDC和第二TDC均与公共时钟信号同步，所述公共时钟信号定义第二TDC和第一TDC之间的固定时间偏移。在一些这样的装置中，第一TDC测量第一时间间隔，并且使用第一变换操作将第一时间间隔变换为第一时间戳，第二TDC测量第二时间间隔，并且使用第二变换操作将第二时间间隔变换为第二时间戳，并且自动校准电路调整第一变换操作和第二变换操作，以保持第二时间戳与第一时间戳之间的时间差异等于第二TDC与第一TDC之间的固定时间偏移。在一些这样的装置中，第一变换操作包括应用第一查找表，并且第二变换操作包括应用第二查找表。
根据另一方面，正电子发射断层摄影（PET）系统包括辐射探测器，所述辐射探测器包括处理器和紧邻的前一段中所述的装置，所述处理器被配置为从辐射探测器的输出生成飞行时间（TOF）PET数据，并且重建TOF PET数据以生成图像。
根据另一方面，一种装置包括：探测器阵列，其被配置为对事件进行探测；触发电路，其被配置为将与事件的探测相关联的触发信号从探测器阵列的触发探测器传播到时间戳电路，所述时间戳电路被配置为针对事件的探测生成时间戳；以及偏斜校正电路，其被配置为基于哪个探测器是触发探测器来调整时间戳。在一些这样的装置中，偏斜校正电路包括并入触发电路中的延迟元件，以基于哪个探测器是触发探测器来延迟触发信号向时间戳电路的传播。在一些这样的装置中，偏斜校正电路被配置为基于偏斜校正查找表来调整生成的时间戳，所述偏斜校正查找表汇总了针对探测器阵列的每个探测器的偏斜校正。
根据另一方面，在紧邻的前一段中所述的装置中，时间戳电路包括：第一时间数字转换器（TDC），其被配置为基于触发信号针对事件的探测生成第一时间戳，第二TDC，其被配置为基于触发信号针对事件的探测生成第二时间戳；以及自动校准电路，其被配置为调整第一TDC和第二TDC，以保持第二时间戳与第一时间戳之间的时间差异等于第二TDC与第一TDC之间的预定的固定时间偏移。
一个优势在于为辐射探测事件提供了改进的时间分辨率。
另一优势在于提供了更准确的飞行时间PET成像。
另一优势在于提供了时间数字转换器（TDC）设备的自动的自校准。
另一优势在于为辐射探测器阵列提供了改进的空间/时间分辨率。
对于本领域技术人员而言，通过阅读以下详细说明，本发明的很多其他优势和益处将是显而易见的。
附图说明
本发明可以采取各种部件和部件的布置以及各种处理操作和处理操作安排的形式。附图仅用于图示说明优选实施例的目的，而不应被解释为限制本发明。
图1图解地示出了飞行时间正电子发射断层摄影（TOF-PET）系统。
图2图解地示出了图1的TOF-PET系统的辐射探测器的时间戳子电路。
图3图解地示出了系统时钟以及第一和第二时间数字转换器（TDC）设备的时序脉冲。
图4图解地示出了针对第一和第二TDC的典型查找表（LUT）值。
图5图解地示出了利用图1的TDC的时间戳处理。
图6图解地示出了图1的TDC自动校准电路的说明性实施例。
图7和图8分别图解地示出了第一和第二说明性偏斜校正实施例。
图9图解地示出了将可调谐延迟元件纳入触发电路以提供偏斜校正的实施例。
具体实施方式
参考图1，飞行时间正电子发射断层摄影（TOF-PET）扫描机8包括被布置为观察成像区域12的多个辐射探测器10。在图1中，多个辐射探测器10被布置于沿轴向的几个探测器的圈中；然而，能够使用辐射探测器的其他布置。此外，应当意识到，图解地图示了多个辐射探测器10；通常，辐射探测器封装在扫描机8的外壳14中，并且因此从外部不可见，并且通常，每个辐射探测器的圈包括上百或上千个辐射探测器。在某些PET扫描机中，仅提供单个辐射探测器的圈，在其他PET扫描机中，提供二、三、四、五或更多个辐射探测器的圈。应当意识到，探测头能够代替在附图中所示的探测器圈结构。TOF-PET扫描机8包括用于将人类患者或其他成像对象放置在成像区域12中的卧榻16或其他支撑物。任选地，卧榻16在通常横向于辐射探测器的圈10的轴的方向上线性可移动，以便于采集三维成像数据。额外地或备选地，成像对象能够固定不动，并且多个辐射探测器的圈能够用于采集三维TOF-PET成像数据。在再另外的实施例中，仅提供单个探测器的圈，成像对象保持固定，并且得到的图像是二维的。
在TOF-PET成像开始之前，向患者或其他成像对象施予适当的放射性药物。放射性药物包括经历发射正电子的放射性衰变事件的放射性物质。正电子与成像对象的附近的电子一起快速地湮灭。导致的正电子-电子湮灭事件产生具有511keV能量的两个反向的伽马射线。伽马射线以光速行进，即，～3×108米/秒。由于成像区域12通常具有约一米或更小（并且更通常地对于人类成像对象来说约为30-40cm）的直径或其他特征尺寸，对于伽马粒子从正电子-电子湮灭事件的位置到多个辐射探测器10的其中一个探测器的飞行时间约为若干纳秒或更少。因此，这两个反向的伽马射线大体同时击中其中两个辐射探测器。
继续参考图1，在示意性地表示中示出了辐射探测器的环形圈10的单个探测器像素20，包括相关联的板载的电子设备。探测器像素20包括观察闪烁体24的硅基单光子雪崩二极管（SPAD）探测器阵列22，在（图解地指示的）511keV伽马射线γ击中闪烁体24时，闪烁体24产生光的闪烁或爆发。选择提供具有针对511keV伽马射线的高截止能量并具有闪烁爆发的快速时间衰减闪的烁体24。一些适当的闪烁体材料为LSO、LYSO、MLS、LGSO、LaBr及它们的混合物，但是也能够使用其他闪烁体材料。由探测器阵列22接收光的闪烁或爆发，作为说明性范例，可以在硅基底上单片加工所述探测器阵列22。可以在闪烁体24与探测器阵列22之间任选地插入平面光导管（未示出），以改善闪烁体24与探测器阵列22之间的光耦合。闪烁体24和任选的光导管任选地封入反射涂层中，所述反射涂层将闪烁光引向探测器阵列22。
对于探测器像素20，使用探测器阵列22，而不是单个探测器，这是由于响应于闪烁体24吸收单个511keV伽马射线γ而生成光的闪烁或爆发。探测器阵列22的每个SPAD通常能够探测单个光子-此后，所述每个SPAD必须恢复，包括在雪崩二极管的p/n结上重建电场。通过使用探测器阵列22，计数累加器26累加单光子探测的计数，并且该计数与吸收的粒子（即，在说明性范例中的511keV伽马射线γ）的总能量相关联。更高能量粒子将预期产生更高计数，而更低能量粒子将预期产生更低计数。因此，在闪烁事件的时间间隔中光子探测的总数能够用于“能量窗”，以过滤出不大可能（基于总粒子能量）是与正电子-电子湮灭事件相关联的511keV伽马射线的探测事件。
探测器阵列22具有相关联的触发电路28，其目的是生成与探测事件相关联的触发信号。在典型方法中，触发电路包括与探测器阵列22的所有SPAD设备连接的触发网络，并且触发网络被配置为响应于单个SPAD探测光子从睡眠（或“关闭”）状态切换到触发（或“开启”）状态。备选地，切换能够在选定数量的光子探测之后发生，和/或能够包括验证电路，以便减少生成“伪”触发信号的可能性。通过时间戳电路30使用触发信号，用于为事件的探测生成数字时间戳。
在说明性方法中，可以在硅基底上单片加工包括SPAD设备的探测器阵列22。还能够在相同的硅基底上，在与SPAD设备相同的电路层中（即，在SPAD行/列之间交叉），单片地集成触发电路28，或者将触发电路28设置在单独的电路层中，例如，在SPAD设备阵列下方。还可以在与探测器阵列22相同的硅基底上单片地集成相关的计数累加和时间戳电子设备26、30，或者可以将相关的计数累加和时间戳电子设备26、30设置在与探测器阵列基底连接的单独的硅基底上。在任一情况下，可以通过各种方式来实现电子设备26、30（或其不同部分），例如，现场可编程门控阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、适当编程的微处理器或微控制器、前述的不同组合，等等。尽管通过说明性范例描述了单个图解地表示的探测器像素20，但是应当理解，PET探测器圈10包括数千、数万或更多这样的探测器像素。不同数量的探测器像素被集成到单个硅基底上，以形成N×M探测器像素（其中，每个探测器像素包括SPAD阵列22的实例）的探测器模块（不失一般性）。在下列专利文献中通过说明性范例列举了某些合适的探测器像素：Frach等人于2010年5月25日发表的专利号为7723694的美国专利，在此通过引用将其全文并入；Fiedler等人于2009年12月1日发表的专利号为7626389的美国专利，在此通过引用将其全文并入；以及Prescher等人于2010年7月22日发布的公开号为2010/0182011A1的美国专利，在此通过引用将其全文并入。
还应当意识到，所公开的探测器像素仅为说明性范例，还预期其他探测器像素配置。例如，在直接转换探测器像素中，单个探测器被配置为直接吸收并探测511keV伽马射线，而不使用介入的闪烁体。在这样的实施例中，省略闪烁体，由单个直接转换探测器代替探测器阵列22，并且将触发电路28简化为单个二进制开关，在激活单粒子探测器时所述单个二进制开关被激活。
继续参考图1，电路26、30为每个辐射粒子探测事件生成包括由时间戳电路30生成包括时间戳的“列表模式”数据集、由通过计数累加器累加的光子计数来表示的粒子能量以及探测器像素20的空间坐标。适当地将用于这些事件的列表模式数据从PET扫描机8传送到诸如图示的计算机40的适当的数据处理设备，并且存储在列表模式数据存储器42中。数据处理设备40实现适当的数据处理。对于PET数据，数据处理设备40适当地实现511keV并发检测器44，所述511keV并发检测器44搜索列表模式数据，以识别大体同时的511keV粒子探测事件。搜索适当地采用能量窗，以过滤出对应于具有远高于或远低于511keV能量的粒子的粒子探测事件，并且之后采用时间窗，以识别剩余的作为“大体同时”的一对发生的（至少近似于）511keV探测事件，即，在足够小的时间窗内发生的两个511keV探测事件，由此，两个探测到的511keV伽马射线可能源于单个正电子-电子湮灭事件。这样的探测到的一对定义连接到两个探测像素的“响应线”或LOR。在TOF PET的情况下，两个“大体同时的”探测事件之间的细微时间差异用于沿LOR进一步定位正电子-电子湮灭事件。
得到的能量过滤和并发过滤的511keV探测事件对，构成适当地存储在TOF PET数据存储器46中的TOF PET数据集。该TOF PET数据集任选地由TOF PET数据重建器48来重建，并且由计算机或其他数据处理设备40适当地实现，以便重建PET图像，所述PET图像适当地存储在TOF PET图像存储器50中或者显示在与数据处理设备40集成或有效通信的显示设备52上，或以其他方式加以利用。TOF PET数据重建器48基本上可以使用任何适当的重建算法，例如迭代前向/后向投影（包括投影的TOF定位）、过滤后向投影重建算法等。
继续参考图1,并且进一步参考图2和图3，描述了时间戳电路和相关时序部件的说明性实施例。时间戳处理参考粗略时钟60。为了在本文中提供某些定量范例，在本文中假设时钟60产生以200MHz（对应于5纳秒的时钟周期）循环的时钟信号62；然而，应当理解，能够采用更快或更慢的时钟周期。图示的时钟信号62是具有50%占空比的方波；然而，能够采用其他波形用于时钟信号。出于图示的简洁性，在图1中，时钟60被示为探测器像素20的部件；然而，更典型地，时钟位于其他位置，并且将时钟信号62输入到探测器像素20。
时钟信号62具有5纳秒的周期，所述5纳秒周期过于粗略，以至于不能提供511keV伽马射线探测事件的时间戳所需的亚纳秒分辨率。为了提供更精细的分辨率，提供两个时间数字转换器（TDC）设备70、72。第一TDC70在本文中还被表示为“TDC1”或“精细计数器1”或“FC1”，而第二TDC72在本文中还被表示为“TDC2”或“精细计数器2”或“FC2”。尽管在原理上单个TDC将是足够的，但是如在本文中所公开，采用图示的两个TDC70、72存在显著的优势。这些优势包括消除TDC70、72的其中一个提供不可靠的结果的“盲区”，并且提供两个TDC70、72的自动校准，以补偿由于电压和/或温度变化的精细计数器的输出随时间漂移。
具体参考图2，每个TDC70、72从触发电路28接收相同的输入。每个TDC70、72与公共时钟信号62同步，每个TDC70、72用于与各自的精细计数器74、76同步，所述各自的精细计数器74、76用于测量探测到的事件（由通过触发电路28生成的触发信号表示）与第一精细计数器74（用于TDC170）或第二精细计数器76（用于TDC272）的参考特征之间的时间差异。参考特征可以是上升边，或下降边，或精细计数器74、76的其他适当特征。在图示的范例中，锁存将对应精细计数器74、76的上升边ER。由每个TDC70、72执行的时间差异测量适当地基于根据分接线路、游标、脉冲收缩和恒定电流电容器放电等中的一个的时间距离测量。通过说明性范例，在Frach等人于2009年9月24日公布的美国专利公布号2009/0236532A1的专利文献中公开了某些适当的TDC配置，在此通过引用将其全文并入。
在每个TDC70、72的输入部，当出现触发信号时，锁存相应的存储元件80、82（例如触发器、锁存器等）。如果输入稳定，开关将在相应的精细计数器74、76的后续的上升边ER处锁存。然而，如果在亚稳定区域期间，即，在开始或持续时间期间，在输入部接收触发信号，开关可以变为亚稳定，并且将不会锁存触发信号，直到精细计数器74、76的下一个上升边ER，导致时间戳误差的显著增加。
如果仅提供单个TDC，则将无法容纳该时间戳误差。然而，在图示的方法中，提供两个TDC70、72。为了减少来源于输入部处的亚稳定的时序误差，每个TDC70、72以确保至少一个存储元件80、82将在任何时间进行适当地锁存的方式与不同的精细计数器74、76同步。
具体参考图3，在图示的范例中，TDC272的精细计数器76对应于TDC170的精细计数器74具有180°的“相位差”。这意味着，精细计数器74的上升边ER在精细计数器76的上升边ER“之间”，反之亦然。正因如此，TDC170的不稳定或亚稳定区域90位于TDC272的稳定区域92内，并且相反地，TDC272的不稳定或亚稳定区域94位于TDC170的稳定区域96内。从时钟信号62容易地生成两个180°相位差的精细计数器74、76，作为通过频率除以2电路（未示出）的100MHz计数器。
图3的方法是说明性范例，并且其他方法能够用于提供具有固定时间偏移的成对TDC。例如，能够在两个精细计数器之间使用不同于180°的相移，或者两个TDC能够锁存不同的参考特征。（作为后者方法的范例，两个TDC能够使用相同（同相）的精细计数器，但其中一个TDC锁存上升边，并且另一TDC锁存下降边）。
返回参考图2，第一TDC70计算探测到的事件（由通过触发电路28生成的触发信号表示）与第一精细计数器74的参考特征（例如，上升边）之间的时间差异100。类似地，第二TDC72计算探测到的事件与第二精细计数器76的参考特征之间的时间差异102。这些时间差异100、102通常不直接等于所需的时间戳。而是，执行第一变换操作，用于将时间差异100变换为第一时间戳TS1，并且执行第二变换操作，用于将时间差异102变换为第二时间戳TS2。变换操作确定在时间单位中的偏移，并且将所述偏移增加到由时钟信号62提供的参考时间。在图示的实施例中，在执行生成第一时间戳TS1的变换中，第一TDC70应用第一查找表LUT1，而在执行生成第二时间戳TS2的变换中，第二TDC72应用第二查找表LUT2。可选地，查找表LUT1、LUT2还识别各自的选择位104、106，所述选择位104、106指示探测到的事件是否位于不稳定或亚稳定区域90、94中的一个。代替查找表，可以采用适当校准的经验变换函数。另一数据处理电路108基于由成对TDC70、72生成的第一和第二时间戳TS1、TS2为探测事件生成精细时间戳TS。在一个适当的方法中，如果TDC的输出的选择位指示探测到的事件位于对于所述TDC而言的不稳定或亚稳定区域，那么电路108丢弃所述TDC的输出——必然地，探测到的事件将位于对于其他TDC来说的稳定区域，并且由此使用TDC读数。如果TDC70、72均稳定，那么电路108可以计算第一和第二时间戳TS1、TS2的平均值，或以其他方式合计第一和第二时间戳TS1、TS2，以生成最终时间戳TS。
参考图4和图5，描述了TDC70、72和时间戳电路30的操作的定量的说明性范例。如在图3中所示，该范例使用具有200MHz频率的时钟信号62，并且使用具有100MHz频率和180°相位偏移的两个精细计数器74、76。因此，精细计数器74、76具有10纳秒的周期（即，时钟信号62的5纳秒周期的两倍）。每个TDC的分箱宽度（bin width）是变化的。因此，查找表LUT1、LUT2用于将相对时间单位的精细计数器的值转化为200MHz系统时钟信号62的绝对时间参考。图4图解地图示了分别用于TDC1、TDC270、72的可能的查找表值。在该范例中，TDC的精度为在10纳秒的周期上9位，由此，每个“分箱”具有宽度10纳秒/512～19.5皮秒。能够以多种方式生成查找表LUT1、LUT2，诸如使用延迟线测量或随机命中测量等。
图5图示了使用具有查找表LUT1、LUT2的TDC70、72，用于时间戳测量。CC1和CC2指示每个以100MHz运行的TDC70、72的精细计数器74、76的时钟周期。时钟周期CC的每个增量指示10纳秒的增量512。由CC1+LUT（FC1）给出由第一TDC70生成的第一时间戳TS1，其中，LUT（FC1）指示查找表LUT1的输出，用于指定用“FC1”表示的精细计数器输入。类似地，由CC2+LUT（FC2）+256给出由第二TDC72生成的第二时间戳TS2，其中，偏移256对应5纳秒。电路108是选择由TDC170的第一时间戳TS1输出，还是由TDC272的第二时间戳TS2输出，或者这两者的平均值，取决于时间轴上的位置。例如，当TDC170无有效时间戳生成时（在图3中指示的区域90，在图5的范例中0纳秒左右），选择由TDC272的第二时间戳TS2输出，作为输出时间戳TS。当TDC70、72均稳定时，取两个时间戳TS1、TS2的平均值有益于减少抖动。
返回参考图1，本文中认识到的使用两个TDC70、72的另一优势在于，这能够提供用于校准TDC70、72的自动TDC校准电路120，以补偿由于电压和/或温度变化，精细计数器74、76的输出随时间漂移。在本文中公开的TDC自动校准方法利用两个发现。首先，能够预期两个TDC70、72的漂移相同或几乎相同。这是两个TDC70、72处于相同环境（并且因此处于相同温度、经历相同环境湿度等）并且由公共电压源驱动（由此，任何电压变化对于TDC70、72来说应当是相同的）的结果。
在本文中做出的第二个观察是，第二TDC72应当相对于第一TDC70总是具有相同的固定时间偏移。（或者，反过来，第一TDC70应当相对于第二TDC72总是具有相同的固定时间偏移）。这是两个TDC70、72与公共时钟信号同步的结果。如在图3中清楚地看到的，在图示的实施例中，两个TDC70、72之间的固定时间偏移应当精确地为5纳秒，其对应于时钟信号62的一个周期；然而，根据两个精细计数器的相位偏移，或者在两个TDC中利用的参考特征的（备选地不同的）选择，固定时间偏移可以不同。
第二TDC72应当总具有相对于第一TDC70的相同的固定时间偏移。因此，由此得出，如果第二时间戳TS2与第一时间戳TS1之间的时间差异不同于该固定时间偏移，则该差异是由于两个TDC随时间的漂移。此外，容易确定漂移的方向。如果第二时间戳TS2与第一时间戳TS1之间的时间差异小于固定时间偏移，则精细计数器74、76具有过短的周期-这能够通过在变换中加入大于1的乘法因数来校正。另一方面，如果第二时间戳TS2与第一时间戳TS1之间的时间差异大于固定时间偏移，则精细计数器74、76具有过长的周期-这能够通过在变换中加入小于1的乘法因数来校正。
考虑以上内容，TDC自动校准电路120采用以下算法：在探测到事件时，生成与事件的探测相关联的触发信号，使用第一TDC70生成针对触发信号的第一时间戳TS1，并且使用第二TDC72生成针对触发信号的第二时间戳TS2。之后，响应于不同于预先已知的固定时间偏移的第二时间戳TS2与第一时间戳TS1之间的时间差异，计算两个TDC70、72的时间校准。
在适当的方法中，通过测量第一时间间隔100（使用精细计数器74）并且使用第一变换操作（在图示的实施例中，包括应用查找表LUT1）将第一时间间隔100变换为第一时间戳TS1，由第一TDC70生成第一时间戳TS1。类似地，通过测量第二时间间隔102（使用精细计数器76）并且使用第二变换操作（在图示的实施例中，包括应用查找表LUT2）将第二时间间隔102变换为第二时间戳TS2，由第二TDC72生成第二时间戳TS2。调整则包括响应于不同于固定时间偏移的第二时间戳TS2与第一时间戳TS1之间的时间差异来调整第一和第二变换操作。在一个适当的方法，这通过将乘法因数加入到第一变换操作中并且将（相同的）乘法因数加入到第二变换操作中来完成。调整则包括如果第二时间戳TS2与第一时间戳TS1之间的时间差异小于固定时间偏移则增大乘法因数，并且如果第二时间戳TS2与第一时间戳TS1之间的时间差异大于固定时间偏移则减小乘法因数。
参考图6，描述了TDC自动校准电路120的说明性实施例。图6的电路被配置用于在本文中所公开的定量范例，其中，时钟信号62具有200MHz频率，每个精细计数器74、76具有100MHz频率，并且两个精细计数器74、76在相位上偏移180°，并且每个TDC70、72的精度为在10纳秒周期内9位，由此，每个“分箱”具有10纳秒/512～19.5皮秒宽度。由TDC170的查找表LUT1输出的时间戳TS1与由TDC272的查找表LUT2输出的时间戳TS2之间的差异应当总是256（其对应于5纳秒）。这是该定量范例中的固定时间偏移。然而，如果精细计数器74、76的斜率漂移（例如由于电压和/或温度变化），那么第二时间戳TS2与第一时间戳TS1之间的实际时间差异将改变。能够基于第一和第二时间戳TS1、TS2之间的时间差异和先前已知的固定时间偏移（例如，256或5纳秒）来生成用于校正斜率的乘法校正因数M。
每当处理事件以为其分配时间戳时，激活图6的TDC校准电路120。TDC70、72生成各自的输出100、120，其乘以乘法因数M（在本文中也被表示为“mul_factor”），将所述乘法因数M初始设置为1.0（对应于无校正）。将结果100、102输入到各自的查找表LUT1、LUT2中。导致的时间戳TS1、TS2在比较器122中进行比较，并且决策模块124生成用于调整乘法因数M（如果需要调整）的反馈信号126。如果由比较器122确定的距离超过256（意味着斜率过于陡峭），则反馈信号126适当是使乘法因数M减小选定的量的“do_decr”信号（例如，如果乘法因数M或“mul_factor”具有12位的精度，并且以十六进制表示法表示，则可以从0x800减小到0x7FF）。
相反地，如果斜率过于平缓，则反馈信号126是使乘法因数M增大选定的量的“do_incr”信号，以便补偿过于平缓的斜率。另外，如果校正斜率，使TS1、TS2差异等于256，则“保持”反馈信号126，这使得乘法因数M不会变化。
在探测到下一个事件并且它的触发信号传播到时间戳电路30用于时间戳记时，启用TDC校准电路120，此时，乘法因数M略小于1.0。输出100、102现在乘以稍低于1.0的mul_factor，以便为“过于陡峭”的斜率提供校正。这将继续用于每个事件探测/时间戳记，由此，调整乘法因数M（mul_factor），以补偿任何漂移，来保持固定时间偏移为（在该定量范例中）256（或5纳秒）。
如果TDC70、72中的一个处于不稳定或亚稳定状态（例如，如在图3中指示的用于TDC70的状态90或用于TDC72的状态94，所述状态由在图2中所示的选择位104、106的适当值来指示），则任选地跳过TDC校准电路120的相应的迭代操作。
图6的TDC自动校准电路120的方法采用固定大小的增量“do_incr”或减量“do_decr”，并且反馈信号126仅识别乘法因数M的调整“方向”。假设TDC漂移相对比较缓慢（如对于由温度和/或电压变化导致的漂移所期望的），则该方法是适当的，使得乘法因数M的迭代递增或递减能够维持缓慢的漂移。在另一预期的方法中，基于时间戳TS1、TS2差异的大小来计算反馈信号126的方向和大小，以便提供乘法因数M的单个调整，所述乘法因数M的单个调整应当在单个调整中校正漂移（亦即，非递增地）。该方法需要修改决策模块124，以基于时间戳TS1、TS2之间的差异的大小来计算反馈信号126的大小。
具体参考图1和图6描述的TDC自动校准电路120提供对于TDC的时间漂移的补偿。在探测器阵列包括探测器的二维阵列（例如，SPAD的二维阵列）的实施例中，像素还任选地包括对于偏斜的校正。偏斜误差的来源是：对应于事件的探测（例如，在PET成像的情况下511keV粒子探测）的触发信号由探测器阵列的单个触发探测器生成的。如果，这种触发的时间特征在探测器阵列的探测器之中变化，则触发信号定时取决于哪个探测器作为触发探测器。能够通过在“平衡”形式中配置触发电路28来减少这样的变化，使得从探测器阵列的任意探测器到时间戳电路30的传播路径长度总是相同。例如，请见Prescher等人于2009年2月12日公布的WO2009/019660A2，在此通过引用将其全文并入，用作被设计为减少偏斜的某些说明性触发电路。然而，即便在探测器阵列设计期间使用了触发电路28的平衡，还是预期处理的变化可以导致在探测器阵列中观察的显著偏斜。
在本文中公开的用于偏斜校正的方法基于通过测量触发信号从每个探测器到时间戳电路30的传播时间来评估偏斜以及基于这些测量结果来校正偏斜。测量步骤能够采用多种手动、自动或半自动测量程序。在光学方法中，将生成皮秒光脉冲的激光应用于探测器阵列的独立SPAD单元中，并且整个探测器阵列的激光脉冲与时间戳之间的延迟的映射提供用于评估探测器阵列的偏斜的数据。不同于光激活的独立SPAD单元，可以在探测器阵列中提供专用的电流注入电路。在某些实施例中，探测器阵列包括能够“关闭”选定的SPAD单元的触发能力的禁止逻辑电路，由此，能够孤立地表征独立SPAD单元的触发特性。例如，参见Frach等人于2010年5月25日发表的美国专利号为7723694的专利文献，在此通过引用将其全文并入。
参考图7，一旦表征了探测器阵列22的每个SPAD130的偏斜特征，那么就将该信息用于创建偏斜校正查找表132。存储探测到第一个光子的触发SPAD单元的位置。在图7的实施例中，如果触发SPAD单元位于像素探测器阵列22的边缘，这由共同存储（行，列）指数的行触发器的集合134和列触发器的集合136来完成。将（行，列）坐标输入到偏斜校正查找表132，所述偏斜校正查找表132将用于触发SPAD单元的偏斜校正输出到时间戳电路30（见图1），用于校正时间戳。在典型的方法中，偏移校正查找表132存储时间偏移，并且将其加入时间戳TS（或者，在某些实施例中，并且对于某些触发SPAD单元，可能从时间戳TS中减去）用于触发SPAD单元的时间偏移，以生成偏斜校正的时间戳。
参考图8，在备选的实施例中，在独立SPAD单元上存储触发SPAD单元的位置。将主触发信号410（用于开启TDC）反馈到每个SPAD，以最小延迟来使多个探测的数量最小化，并且然后将该信号140用于经由触发器142锁存所述单元的状态。与图7中（在图8中未示出）一样，将该信息输入到偏斜校正查找表132的输入，以生成偏斜校正。
参考图9，在另一方法中，通过增加可调谐延迟元件来修改触发电路28，以便校正偏斜。如在图9中所示，触发电路28适当地包括信号组合节点的网络，其中，图9通过说明性范例示出了信号组合节点150、152、154。触发信号源于包括探测器阵列22的SPAD单元的集合的触发SPAD单元，并且触发信号传播经过触发电路28的节点150、152、154，以到达时间戳电路30。任选地平衡节点的网络，使得不管哪个SPAD单元130作为触发SPAD单元，触发信号到达时间戳电路30都穿过相同数量的节点。尽管如此，根据哪个SPAD单元是触发SPAD单元，可能出现整个触发信号传播中的某些差异。
为此，选择的节点，例如图示的节点150、152，包括可调谐的用于校正任何偏斜的各自的延迟元件160、162。例如，延迟元件160、162可以包括数控延迟元件，例如，Maymandi-Nejad等人的文章“A DigitallyProgrammable Delay Element:Design and Analysis”，IEEE Trans.on VeryLarge Scale Integration(VLSI)System vol.11no.5，第871-878页（2003）中所描述的，通过引用将其全文并入。可以使用其他类型的延迟元件，诸如设计的缓冲电路或具有可变负载的缓冲器。
延迟元件160、162是可调谐的，在这一点上，由每个延迟元件160、162引入的延迟是独立可配置的。基于偏斜测量，由延迟元件160、162施加的延迟被设置用于校正偏斜。延迟元件能够被放置在每个节点上，或者备选地，在节点的子集上（如在图9中，其中，节点150、152包括各自的延迟元件160、162，但节点154不包括延迟元件）。能够基于每个延迟元件160、162在触发网络上的位置来选择每个延迟元件160、162的范围和最小可调节的延迟步进。
图9的方法具有某些优势，其中延迟元件160、162包括在触发电路28中。偏斜校正不依赖于探测到的光子数量。另外，由于触发网络中的任何失衡都能够通过调节延迟元件160、162来补偿，因而能够放宽触发网络的平衡的设计条件。
如在图1中图解地图示的，通过图示参考TOF PET，描述了具有时间戳的公开的探测器，其具有抗时间漂移和空间偏斜的增强鲁棒性。然而，公开的探测器将得到更广泛的应用，例如，用于多种仪器和天文学、物理学等领域的单光子探测器阵列。
已经参考优选实施例描述了本发明。显然，他人在阅读和理解以上具体实施方式后可能想到修改或变型。目的是将本发明解释为包括所有这样的修改和变型，只要它们落入权利要求及其等价方案的范围之内。

Claims (26)

1.一种方法，包括：
对事件进行探测；
生成与所述事件的探测相关联的触发信号；
使用第一时间数字转换器（TDC）（70）针对所述触发信号生成第一时间戳（TS1）；
使用第二TDC（72）针对所述触发信号生成第二时间戳（TS2），所述第二TDC（72）相对于所述第一TDC具有固定时间偏移；
基于所述第一时间戳、所述第二时间戳、以及对（1）所述第二时间戳和所述第一时间戳之间的时间差异与（2）所述固定时间偏移的比较，将时间戳与所述事件进行关联。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述关联包括：
响应于所述第二时间戳与所述第一时间戳之间的所述时间差异不同于所述固定时间偏移而调整所述第一TDC的时间校准和所述第二TDC的时间校准。
3.如权利要求1-2中任一项所述的方法，还包括：
（i）将所述第一TDC（70）与公共时钟信号（62）同步；以及
（ii）将所述第二TDC（72）与所述公共时钟信号（62）同步；
其中，所述同步的操作（i）和（ii）确定所述第二TDC相对于所述第一TDC的所述固定时间偏移，作为所述公共时钟信号的周期，或者作为所述公共时钟信号的所述周期的固定分数或倍数。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中：
使用所述第一TDC（70）生成所述第一时间戳（TS1）包括测量第一时间间隔（100）并且使用第一变换操作将所述第一时间间隔变换为所述第一时间戳；
使用所述第二TDC（72）生成所述第二时间戳（TS2）包括测量第二时间间隔（102）并且使用第二变换操作将所述第二时间间隔变换为所述第二时间戳；并且
所述关联包括响应于所述第二时间戳与所述第一时间戳之间的所述时间差异不同于所述固定时间偏移而调整所述第一变换操作和所述第二变换操作。
5.如权利要求4所述的方法，其中：
所述第一变换操作包括乘以乘法因数（M）；
所述第二变换操作包括乘以所述乘法因数（M）；并且
所述关联包括：如果所述第二时间戳与所述第一时间戳之间的所述时间差异小于所述固定时间偏移则增大所述乘法因数（M），并且，如果所述第二时间戳与所述第一时间戳之间的所述时间差异大于所述固定时间偏移则减小所述乘法因数（M）。
6.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中：
使用所述第一TDC（70）生成所述第一时间戳（TS1）包括测量第一时间间隔（100）并且使用第一变换操作将所述第一时间间隔变换为所述第一时间戳，所述第一变换操作包括乘以乘法因数（M）；
使用所述第二TDC（72）生成所述第二时间戳（TS2）包括测量第二时间间隔（102）并且使用第二变换操作将所述第二时间间隔变换为所述第二时间戳，所述第二变换操作包括乘以所述乘法因数（M）；并且
所述关联包括增大或减小所述乘法因数（M）以降低（1）所述第二时间戳和所述第一时间戳之间的所述时间差异与（2）所述固定时间偏移之间的任何差异。
7.如权利要求4-6中任一项所述的方法，其中，所述第一变换操作包括应用第一查找表（LUT1），并且所述第二变换操作包括应用第二查找表（LUT2）。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述探测使用探测器阵列（22）执行，所述触发信号由所述探测器阵列的触发探测器生成，并且所述方法还包括：
将所述触发信号延迟基于所述触发探测器选择的延迟时间。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述延迟包括：
在与所述探测器阵列（22）相关联的触发信号网络（28）中提供能够调谐的延迟元件（160、162）；以及
为所述能够调谐的延迟元件设置延迟时间，以补偿探测器阵列的阵列的偏斜。
10.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述探测使用探测器阵列（22）执行，所述触发信号由所述探测器阵列的触发探测器生成，并且所述方法还包括：
基于所述触发探测器来调整所述第一时间戳（TS1）和所述第二时间戳（TS2）。
11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，所述关联包括：
将所述事件与以下中的一项相关联：（i）所述第一时间戳（TS1）、（ii）所述第二时间戳、以及（iii）所述第一时间戳与所述第二时间戳的聚合；
其中，所述关联基于所述第一时间戳和所述第二时间戳的可靠性的评估在（i）、（ii）和（iii）之间进行选择。
12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其中，所述探测包括使用正电子发射断层摄影（PET）探测器（10）阵列来探测辐射粒子，并且所述方法还包括：
重复所述探测、所述触发信号的生成、所述第一时间戳（TS1）和第二时间戳（TS2）的生成以及所述关联，以采集带时间戳的辐射探测事件的数据集；
从所述带时间戳的辐射探测事件的数据集生成飞行时间（TOF）PET数据集；并且
重建所述TOF PET数据集以生成PET图像。
13.一种装置，包括：
探测器（22），其被配置为对事件进行探测；
第一时间数字转换器（TDC）（70），其被配置为针对所述事件的所述探测生成第一时间戳（TS1）；
第二TDC（72），其被配置为针对所述事件的所述探测生成第二时间戳（TS2），所述第二TDC与所述第一TDC之间存在固定时间偏移；以及
自动校准电路（120），其被配置为调整所述第一TDC和所述第二TDC，以保持所述第二时间戳与所述第一时间戳之间的所述时间差异等于所述第二TDC与所述第一TDC之间的所述固定时间偏移。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述第一TDC（70）和所述第二TDC（72）均与公共时钟信号（62）同步，所述公共时钟信号（62）定义所述第二TDC与所述第一TDC之间的所述固定时间偏移。
15.如权利要求13-14中任一项所述的装置，其中：
所述第一TDC（70）测量第一时间间隔（100）并且使用第一变换操作将所述第一时间间隔变换为所述第一时间戳（TS1）；
所述第二TDC（72）测量第二时间间隔（102）并且使用第二变换操作将所述第二时间间隔变换为所述第二时间戳（TS2）；以及
所述自动校准电路（120）调整所述第一变换操作和所述第二变换操作，以保持所述第二时间戳与所述第一时间戳之间的所述时间差异等于所述第二TDC与所述第一TDC之间的所述固定时间偏移。
16.如权利要求15所述的装置，其中：
所述第一变换操作包括乘以乘法因数（M）；
所述第二变换操作包括乘以所述乘法因数（M）；并且
所述自动校准电路（120）被配置为调整所述乘法因数（M）以保持所述第二时间戳（TS2）与所述第一时间戳（TS1）之间的所述时间差异等于所述第二TDC与所述第一TDC之间的所述固定时间偏移。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述自动校准单元（120）被配置为：如果所述第二时间戳（TS2）与所述第一时间戳（TS1）之间的所述时间差异小于所述固定时间偏移则增大所述乘法因数（M），并且，如果所述第二时间戳（TS2）与所述第一时间戳（TS1）之间的所述时间差异大于所述固定时间偏移则减小所述乘法因数（M）。
18.如权利要求15-17中任一项所述的装置，其中，所述第一变换操作包括应用第一查找表（LUT1），并且所述第二变化操作包括应用第二查找表（LUT2）。
19.如权利要求13-18中任一项所述的装置，其中，所述探测器包括探测器阵列（22），并且所述装置还包括：
触发电路（28），其被配置为将与所述事件的探测相关联的触发信号从所述探测器阵列的触发探测器传播到所述第一TDC（70）和所述第二TDC（72），所述触发电路包括延迟元件（160、162），所述延迟元件（160、162）被配置为基于哪个探测器是所述触发探测器来延迟所述触发信号的传播。
20.如权利要求13-18中任一项所述的装置，其中，所述探测器包括探测器阵列（22），并且所述装置还包括：
触发电路（28），其被配置为将与所述事件的探测相关联的触发信号从所述探测器阵列的触发探测器传播到所述第一TDC（70）和所述第二TDC（72）；以及
偏斜校正电路（132、134、136、142、160、162），其被配置为基于哪个探测器是所述触发探测器来调整从所述第一时间戳（TS1）和所述第二时间戳（TS2）生成的时间戳（TS）。
21.如权利要求13-20中任一项所述的装置，其中，所述探测器（22）包括硅基单光子雪崩探测器（SPAD）单元（130）阵列。
22.一种正电子发射断层摄影（PET）系统，包括：
辐射探测器（10），其包括如权利要求13-21中任一项所述的装置；以及
处理设备（40），其被配置为从所述辐射探测器的输出生成飞行时间（TOF）PET数据并且重建所述TOF PET数据以生成图像。
23.一种装置，包括：
探测器阵列（22），其被配置为对事件进行探测；
触发电路（28），其被配置为将与所述事件的探测相关联的触发信号从所述探测器阵列的触发探测器传播到时间戳电路（30），所述时间戳电路（30）被配置为针对所述事件的探测生成时间戳（TS）；以及
偏斜校正电路（132、134、136、142、160、162），其被配置为基于哪个探测器是所述触发探测器来调整所述时间戳。
24.如权利要求23所述的装置，其中，所述偏斜校正电路包括并入所述触发电路（28）的延迟元件（160、162），以基于哪个探测器是所述触发探测器来延迟所述触发信号向所述时间戳电路（30）的传播。
25.如权利要求23所述的装置，其中，所述偏斜校正电路（132、134、136、142）被配置为基于汇总了针对所述探测器阵列（22）的每个探测器的所述偏斜校正的偏斜校正查找表（132）来调整所生成的时间戳（TS）。
26.如权利要求23-25中任一项所述的装置，其中，所述时间戳电路（30）包括：
第一时间数字转换器（TDC）（70），其被配置为基于所述触发信号来针对所述事件的探测生成第一时间戳（TS1）；
第二TDC（72），其被配置为基于所述触发信号来针对所述事件的探测生成第二时间戳（TS2）；以及
自动校准电路（120），其被配置为调整所述第一TDC和所述第二TDC，以保持所述第二时间戳与所述第一时间戳之间的所述时间差异等于所述第二TDC和所述第一TDC之间的预定的固定时间偏移。
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