CN105022082B - 光子测量前端电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光子测量前端电路，包括积分模块、比较器、传输控制器、负反馈模块和光子测量模块。积分模块用于接收来自光电检测器的初始信号和来自负反馈模块的反馈信号，对初始信号和反馈信号的差进行积分并且输出积分信号。比较器用于将积分信号与参考电平进行比较并生成比较结果。传输控制器用于利用时钟信号控制比较结果的传输以输出数字信号。负反馈模块用于将数字信号转换为反馈信号并且将反馈信号反馈给积分模块。光子测量模块包括能量测量模块，能量测量模块用于利用数字信号对光电检测器所检测到的光子进行能量测量。本发明的光子测量前端电路，其电路结构简单，可以降低功耗并节约成本。此外，能量测量不受初始信号的起始时间的影响。

Description

光子测量前端电路

技术领域

本发明涉及电路领域，具体地，涉及一种光子测量前端电路。

背景技术

在高能光子(X射线、伽玛光子等)测量系统的前端检测器一般包含闪烁晶体、光电检测器和光子测量前端电路三部分。高能光子与闪烁晶体相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电检测器把可见光子群携带的光信号转换为电信号。光子测量前端电路的主要目的是通过测量光电检测器产生的电信号，来获取高能光子的能量和到达时间。例如，正电子发射成像(PET)及单光子发射成像(SPECT)系统中，伽玛光子与闪烁晶体(如LYSO晶体)相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电检测器(如PMT或者SiPM)把可见光子群携带的光信号转换为电信号。光子测量前端电路测量光电检测器产生的电信号，获取伽玛光子的能量和到达时间。

图1为现有技术中的例示性光子测量前端电路的框图。如图1所示，PET系统中的光子测量前端电路包含能量测量和时间测量两个部分。典型的能量测量电路包括一个脉冲整形滤波器(即图1所示的低通滤波器)，一个模数转换器(ADC)，以及用于能量计算的求和电路。该求和电路通常采用现场可编程逻辑阵列(FPGA)实现。典型的时间测量电路包括一个高速前置放大器，一个脉冲上升沿检测器(或恒比例检测器或过零检测器，即图1所示的比较器)，以及一个时间数字转换器(TDC)。在传统的光子测量前端电路中，一个通道需要至少3个放大器，一个TDC和一个ADC。这样的测量电路结构复杂，其成本和功耗都比较高。当采用硅光电倍增管(SiPM)阵列构成光电检测器时，情况更为复杂。一个8x8的阵列将需要64个通道。这在成本和功耗上都是不现实的。通常的做法是通过电阻阵列将信号通道进行缩减。但是这种方法不适用于需要读出SiPM每一路信号的应用，例如，由SiPM阵列和一整块晶体构成的光电检测器等。

另外，通常来说，在现有的光子测量前端电路中，对来自光电检测器的电流信号(下文称为初始信号)进行放大和滤波处理，随后采用ADC对经过放大和滤波的初始信号进行采样，并根据采样得到的初始信号的值来计算高能光子的能量。由于初始信号通常为脉冲电流信号，其起始时间是随机的，和ADC采样时钟不同步，因此通过ADC采样计算出来的能量受初始信号的起始时间的影响。

因此，需要提供一种光子测量前端电路，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供一种光子测量前端电路。该光子测量前端电路包括积分模块、比较器、传输控制器、负反馈模块和光子测量模块。积分模块连接光电检测器的输出端和负反馈模块的输出端，积分模块用于接收来自光电检测器的初始信号和来自负反馈模块的反馈信号，对初始信号和反馈信号的差进行积分并且输出积分信号。比较器的一个输入端连接积分模块的输出端并且比较器的另一输入端接入参考电平，比较器用于将积分信号与参考电平进行比较并生成比较结果。传输控制器的输入端连接比较器的输出端，传输控制器用于利用时钟信号控制比较结果的传输以输出数字信号，其中数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平。负反馈模块的输入端连接传输控制器的输出端，负反馈模块用于将数字信号转换为反馈信号并且将反馈信号反馈给积分模块。光子测量模块包括能量测量模块，能量测量模块的输入端连接传输控制器的输出端，能量测量模块用于利用数字信号对光电检测器所检测到的光子进行能量测量。

根据本发明提供的光子测量前端电路，其电路结构简单，可以不使用或较少使用有源器件，从而可以降低功耗并节约成本。此外，与现有技术中通过ADC采样来进行能量测量的方法不同，本发明提供的光子测量前端电路对初始信号进行了积分，并对积分信号进行处理以获得光子的能量信息，因此能量测量不受初始信号的起始时间的影响。

在发明内容中引入了一系列简化的概念，这些概念将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1示出现有技术中的例示性光子测量前端电路的框图；

图2示出根据本发明一个实施例的光子测量前端电路的示意性框图；

图3示出根据本发明一个实施例的能量测量结果和来自光电检测器的初始信号的峰值之间的转换函数图；

图4示出根据本发明一个实施例的光子测量前端电路的示意性框图；

图5示出根据本发明一个实施例的时间测量结果和来自光电检测器的初始信号的峰值之间的关系图；

图6示出根据本发明一个实施例的利用暗电流测量结果对能量测量结果进行校正的方法的流程图；

图7示出根据本发明一个实施例的波形重建结果；

图8示出根据本发明一个实施例的光子测量前端电路的电路示意图；以及

图9示出根据本发明另一个实施例的光子测量前端电路的电路示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

根据本发明的一个方面，提供一种光子测量前端电路。下面结合图2-9描述本发明提供的光子测量前端电路。图2示出根据本发明一个实施例的光子测量前端电路200的示意性框图。

如图2所示，光子测量前端电路200包括积分模块210、比较器220、传输控制器230、负反馈模块240和光子测量模块250。

积分模块210连接光电检测器(未示出)的输出端和负反馈模块240的输出端。积分模块210用于接收来自光电检测器的初始信号和来自负反馈模块240的反馈信号，对初始信号和反馈信号的差进行积分并且输出积分信号。

可选地，上述光电检测器可以是任何合适的光电检测器，诸如SiPM，光电倍增管(PMT)，雪崩光电二极管(APD)等。本领域技术人员可以理解，在PET系统中，当发生正电子湮灭时，会产生一对伽玛光子。闪烁晶体受到伽玛光子的撞击时，光电检测器会输出初始信号，该初始信号通常是脉冲电流信号。光电检测器将该初始信号输出到光子测量前端电路200，以便由光子测量前端电路200通过测量该初始信号来获得伽玛光子的能量信息、时间信息等，进而获得关于正电子湮灭事件的信息。

光子测量前端电路200是包括负反馈环节的电路，反馈信号被输入到积分模块210。同时，积分模块210还接收来自光电检测器的初始信号。初始信号和反馈信号均为电流信号，它们的流动方向是相反的。例如，如果初始信号是从积分模块210流向光电检测器的，则可以将反馈信号设定为从负反馈模块240流向积分模块210。因此，对于积分模块210来说，实际上最终输入的是初始信号与反馈信号的差，积分模块210可以对二者的差进行积分。应该注意，图2中示出的箭头方向是信号的传输方向，而不一定是信号的流动方向。积分模块210可以采用模拟积分电路实现，例如通过电阻和电容组成的滤波器电路实现，下文将结合具体电路示例对积分模块210的实现方式进行详细描述，在此不再赘述。

如图2所示，比较器220的一个输入端连接积分模块210的输出端并且比较器220的另一输入端接入参考电平。比较器220用于将积分信号与参考电平进行比较并生成比较结果。例如，当积分信号的幅度大于参考电平时，比较器220可以输出高电平，当积分信号的幅度等于或小于参考电平时，比较器220可以输出低电平。因此，比较器220输出的比较结果中可以只存在高电平和低电平两种状态。通常，光电检测器输出的初始信号是随时间变化的脉冲电流信号，在这种情况下，积分信号也是随时间变化的信号。因此，比较器220输出的比较结果是随时间变化而在高电平和低电平两种状态之间切换的信号。

传输控制器230的输入端连接比较器220的输出端。传输控制器230用于利用时钟信号控制比较结果的传输以输出数字信号。其中，数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，数字信号中的、持续时间等于时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平。如上所述，比较结果是随时间变化而在高电平和低电平两种状态之间切换的信号。在该比较结果中，高电平和低电平的持续时间可能是实时变化的，是无法确定的。所以可以通过传输控制器230对比较结果进行时间上的量化，使得每段连续的高电平或低电平的持续时间都是时钟信号的周期的整数倍。这种时间上的量化相当于模数转换过程中的时间离散化，因此，从功能性上来看，可以将比较器220和传输控制器230这二者视作一个1位的ADC。在传输控制器230输出的数字信号中，持续时间等于时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，持续时间等于时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平。在一个示例中，第一逻辑电平可以是逻辑电平“1”，第二逻辑电平可以是逻辑电平“0”，则数字信号是由逻辑电平“1”和“0”组成的序列。假设时钟信号的频率为100Hz，即周期为0.01s，则在数字信号中，单个“1”或“0”的持续时间是0.01s。另外，可以理解的是，当多个“1”或多个“0”连续出现时，该多个“1”或多个“0”的持续时间是0.01s的整数倍。传输控制器230可以是寄存器或受时钟信号控制的开关电路等，下文将对传输控制器230的电路原理和结构进行描述，在此不再赘述。

负反馈模块240的输入端连接传输控制器230的输出端。负反馈模块240用于将数字信号转换为反馈信号并且将反馈信号反馈给积分模块210。负反馈模块240可以包括数模转换器(DAC)，用于对数字信号进行数模转换以将其转换为模拟信号。具体地，该DAC可以是1位的DAC，以将传输控制器230输出的由“1”和“0”组成的序列转换为模拟信号，例如转换为幅度随时间变化的电压信号。负反馈模块240可以进一步包括电阻。DAC经由该电阻连接到积分模块210的输入端。因此，上述电压信号将产生流经该电阻的电流信号，即反馈信号。反馈信号可以抵消来自光电检测器的初始信号的一部分，避免积分模块210所输出的积分信号过大，以保持电路稳定。此外，由于反馈信号在不断抵消来自光电检测器的初始信号，所以初始信号引发的反馈信号的累加值可以视作来自光电检测器的初始信号的累加值。同时，反馈信号的幅度与数字信号的幅度成正比。因此，当初始信号的持续时间已经结束并且反馈信号的幅度稳定在零(即针对初始信号的负反馈作用已经停止)时，可以利用数字信号来计算光子的能量。应该注意，反馈信号不宜过大或过小。反馈信号过大会导致初始信号的抵消速度过快，使得数字信号包含的误差增大，影响测量精度。相反，反馈信号过小会导致初始信号的抵消速度过慢，使得无法及时减小积分信号的值，从而也会影响测量精度。反馈信号的幅度可以根据实际需要来确定，本发明不对此进行限制。

光子测量模块250包括能量测量模块251。能量测量模块251的输入端连接传输控制器230的输出端，用于利用数字信号对光电检测器所检测到的光子进行能量测量。数字信号中包含能量信息，该能量信息可以反映光电检测器所检测到的光子的能量大小。能量测量模块251通过对数字信号进行某些运算(如求和)，可以计算出或推测出光子的能量大小。可以理解的是，能量测量模块251可以通过数字信号获得光子的能量的确切值，也可以仅仅获得光子的能量的相对值。

根据本发明实施例提供的光子测量前端电路，其电路结构简单，可以不使用或较少使用放大器、ADC等有源器件。因此，本发明提供的技术方案所需要的电路资源较少，成本低廉，功耗低。此外，与现有技术中采用ADC直接对来自光电检测器的、经前期处理的初始信号进行采样的方法不同，本发明提供的光子测量前端电路对初始信号进行了积分，并对积分信号进行处理以获得光子的能量信息，因此能量测量不受初始信号的起始时间的影响。此外，可以理解的是，采用现有技术进行的能量测量和时间测量对ADC的精度和转换速度要求较高。而本发明中由于不使用或较少使用ADC，因此对ADC的精度和转换速度没有要求或要求较低。

可选地，能量测量模块251可以包括计数器(未示出)，用于通过对第一逻辑电平进行计数来对光子进行能量测量。也就是说，可以通过累计数字信号中“1”的个数来进行能量测量。例如，如果数字信号中包含500个“1”，则可以将光子的能量大小视作500。

可选地，能量测量模块251可以包括加法器(未示出)，用于通过对第一逻辑电平进行求和来对光子进行能量测量。也就是说，可以直接将数字信号中的“1”相加，将最后获得的和作为光子的能量大小。例如，如果最后获得的和为300，则可以将光子的能量大小视作300。

通过对第一逻辑电平进行计数或求和来进行能量测量的方法简单快捷，效率高。

可选地，能量测量模块251可以包括控制单元(未示出)。该控制单元与负反馈模块相连接。控制单元用于控制负反馈模块240在不同时段内将数字信号转换为不同幅度的反馈信号。可选地，能量测量模块251可以进一步包括加法器和乘法器(未示出)。控制单元可以进一步用于根据反馈信号在特定时段内的幅度给在特定时段内的第一逻辑电平分配加权系数。加法器和乘法器用于通过根据加权系数对第一逻辑电平进行加权求和来对光子进行能量测量。例如，负反馈模块240可以在来自光电检测器的初始信号输入的开始一段时间(以第一时段表示)输出1.8mA的反馈信号，并在来自光电检测器的初始信号输入的随后一段时间(以第二时段表示)输出1mA的反馈信号。因此，对于传输控制器230来说，在第一时段内输出的数字信号中的“1”和在第二时段内输出的数字信号中的“1”所对应的光子能量大小不同。因此，可以为第一时段内的“1”分配大小为1.8的加权系数，并且为第二时段内的“1”分配大小为1的加权系数，并且根据加权系数对数字信号中的“1”进行加权求和。加权求和的结果可以作为能量测量结果。可以理解的是，加权系数的确定可以根据在不同时段内反馈信号的比例关系确定。例如，对于上面所举的例子来说，在第一时段和第二时段内的加权系数还可以分别是9和5等。可以理解的是，负反馈模块240中可以包括DAC和多个具有不同电阻值的电阻。根据一个示例，DAC可以在第一时段和第二时段内分别输出两路幅度相同的电压信号，但是可以使两路电压信号分别通过两个电阻值不同的电阻，或仅通过其中一路，从而使得负反馈模块240输入到积分模块210的反馈信号(其为电流信号)在第一时段和第二时段内不同。根据另一个示例，DAC还可以在第一时段内输出两路幅度相同的电压信号，但是可以使两路电压信号分别通过两个电阻值不同的电阻，而在第二时段内只输出第一时段所输出的两路信号之一，从而使得负反馈模块240输入到积分模块210的反馈信号(其为电流信号)在第一时段和第二时段内不同。在光子测量前端电路中，可以根据需求随着时间变化采用不同幅度的反馈信号，从而可以调整光子测量的速度和准确度，达到兼顾测量效率与测量精度的目的。

可选地，能量测量模块251可以进一步用于利用查找表对能量测量结果和初始信号的峰值之间的转换函数进行校正，并且利用经校正的转换函数对能量测量结果进行校正。初始信号的峰值与光子的实际能量成正比，因此能量测量结果与初始信号的峰值之间的转换函数反映的是能量测量结果与光子的实际能量之间的转换关系。图3示出根据本发明一个实施例的能量测量结果和来自光电检测器的初始信号的峰值之间的转换函数图。如图3所示，该转换函数图可能存在一定的非线性。因此，根据实际需要，可以采用FPGA的数字逻辑电路，例如查找表，来对能量测量结果和初始信号的峰值之间的转换函数进行校正(补偿或者校准)。随后，可以利用经校正的转换函数对能量测量结果进行校正。对上述转换函数进行校正并采用经校正的转换函数来校正能量测量结果的方法可以提高能量测量的准确性。

图4示出根据本发明一个实施例的光子测量前端电路400的示意性框图。图4所示的积分模块410、比较器420、传输控制器430、负反馈模块440和能量测量模块451与图2的积分模块210、比较器220、传输控制器230、负反馈模块240和能量测量模块251相同，在此不再赘述。

可选地，光子测量模块450可以进一步包括时间测量模块452，时间测量模块452的输入端连接传输控制器430的输出端，用于利用数字信号对光子进行时间测量。数字信号的上升沿发生的时间可以反映光子的时间信息。时间测量模块452可以测量来自传输控制器430的数字信号的上升沿发生的时间。其方法为使用数字系统的时钟直接记录上升沿发生的时间。这种方法比较简单快捷，易于实现。时间测量模块452也可以采用高精度的模拟TDC或者数字TDC(例如基于FPGA延迟线的数字TDC)，对数字信号的上升沿进行精确时间测量。这种方法可以提高时间测量的精度。

可选地，时间测量模块452的输入端还可以连接比较器420的输出端，用于利用比较结果对光子进行时间测量。比较结果是没有经过传输控制器430在时间上进行量化的信号，因此，直接测量比较结果的时间信息，可以获得更准确的光子的时间信息。时间测量模块452可以测量来自比较器420的比较结果的上升沿发生的时间。其方法为使用数字系统的时钟直接记录上升沿的发生的时间。时间测量模块452也可以采用高精度的模拟TDC或者数字TDC(例如基于FPGA延迟线的数字TDC)，对比较结果的上升沿进行精确时间测量。

可以理解的是，可以在光子测量模块450中实现时间测量模块452，以对光子的时间信息进行测量。另外，也可以将光电检测器输出的初始信号分为两路，一路采用本发明提供的光子测量前端电路来测量光子的能量信息。另外一路可以仍旧采用现有技术中的时间测量电路来测量光子的时间信息。本发明不对此进行限制。

可选地，时间测量模块452可以进一步用于根据能量测量模块451的能量测量结果对时间测量结果进行校正。图5示出根据本发明一个实施例的时间测量结果和来自光电检测器的初始信号的峰值之间的关系图。如图5所示，同一起始时间的初始信号，在峰值不同的情况下，测量得到的时间有所不同。例如，当初始信号的峰值在4～6mA范围内时，测量得到的时间波动范围为200ps左右。初始信号的峰值可以根据能量测量结果计算出来，例如可以通过如上所述的能量测量结果与初始信号的峰值之间的转换函数计算出来。因此，可以利用能量测量模块451的能量测量结果对时间测量结果进行校准，以进一步提高时间测量的精度。

可选地，光子测量模块450可以进一步包括暗电流测量模块453。暗电流测量模块453的输入端连接传输控制器430的输出端，用于利用数字信号进行暗电流测量。暗电流测量模块453可以通过对来自传输控制器430的数字信号进行运算来进行暗电流测量。例如，可以通过计算在未发生有效脉冲事件时单位时间内数字信号中的“1”的个数，来测算暗电流的大小。暗电流的大小正比于单位时间内数字信号中的“1”的个数。上述有效脉冲事件是指伽玛光子引起的在光电检测器中产生脉冲电流信号的事件。

可选地，能量测量模块451可以进一步用于根据暗电流测量模块453的暗电流测量结果对能量测量结果进行校正。光电检测器(尤其是SiPM)的增益受温度影响很大。以SiPM为例，温度升高时，SiPM的增益和暗电流事件的个数(暗电流的大小)同步增大。因此，可以通过暗电流测量结果来校准能量测量结果。例如，可以根据SiPM的增益-暗电流的关系曲线来对能量测量结果进行加权运算，达到补偿温度造成的增益变化之目的。

在采用SiPM作为前端的光电检测器时，检测器暗电流的存在会造成间歇性的低幅值脉冲电流。有效脉冲事件和暗电流事件在传输控制器430的输出端处所产生的数字信号存在不同的特征。有效脉冲事件的能量较大，输出的数字信号的序列中“1”的数目较多，而暗电流事件的能量较小，输出的数字信号的序列中“1”的数目较少。因此，通过数字信号的序列特征可以计算暗电流事件的个数。通过在两个相邻有效脉冲事件的间隙中，计算单位时间内传输控制器430输出的短“1”序列的个数(即短“1”序列的频率)，并随后根据该单位时间内的短“1”序列的个数估算出暗电流的大小。然后，再根据暗电流的大小与温度的对应关系得到光电检测器的温度，并通过温度与SiPM的增益之间的关系，对温度变化造成的增益变化进行补偿。

下面结合图6描述暗电流的测量方法以及通过暗电流测量结果对能量测量结果进行校正的方法。图6示出根据本发明一个实施例的利用暗电流测量结果对能量测量结果进行校正的方法600的流程图。方法600始于步骤S610。在步骤S620，判断是否存在有效脉冲事件。如果存在有效脉冲事件，方法600前进到步骤S630；否则，方法600前进到步骤S660。在步骤S630，对数字信号中的第一逻辑电平(“1”)进行累加，以获得当存在有效脉冲事件时的能量测量结果。接下来，在步骤S640，根据能量测量结果得到有效脉冲事件的能量E。接下来，在步骤S650，利用增益补偿系数k对能量E进行补偿，以得到补偿后的能量kE，即为所需的光子的能量。应当理解的是，可以为增益补偿系数k设定初始值。接下来，方法600可以结束或者可以返回步骤S620，以继续对随后的有效脉冲事件的能量测量结果进行校正。如果在步骤S620确定不存在有效脉冲事件，则方法600前进到步骤S660，计算两个相邻有效脉冲事件之间的时间段内的数字信号中的第一逻辑电平(即“1”)的个数。接下来，在步骤S670，根据以下公式计算暗电流的大小：Id＝If*T*N/t。在上式中，Id为暗电流的平均值，If为反馈信号(其为电流信号)的值，T为反馈信号的周期(即单个第一逻辑电平的持续时间)，t为两个相邻有效脉冲事件之间的时间段，N为在时间段t内的第一逻辑电平的个数。接下来，在步骤S680，根据暗电流和温度的对应关系计算光电检测器的温度TEM。接下来，在步骤S690，根据温度TEM与光电检测器的增益之间的关系，更新增益补偿系数k。随后，返回步骤S620。

返回参考图4。可选地，光子测量模块450可以进一步包括波形测量模块454。波形测量模块454的输入端连接传输控制器430的输出端，用于利用数字信号对初始信号进行波形重建和波形测量。波形测量模块454可以通过对来自传输控制器430的数字信号进行数字信号处理，来对来自光电检测器的初始信号进行波形重建及测量。例如，波形测量模块454可以通过数字低通滤波的方法来对初始信号进行波形重建。波形的测量取决于具体应用。例如，在某些情况下，希望通过波形的下降沿的坡度来测量伽玛光子在光电检测器的闪烁晶体中的响应深度。这种情况下，可以通过测量单位时间内重建波形的下降沿下行的幅度来测量其坡度。图7示出根据本发明一个实施例的波形重建结果。如图7所示，幅度在0和1之间转变的波形是传输控制器430所输出的数字信号的波形，幅度低于0.3的波形是重建波形。这里使用的数字低通滤波器是5阶巴特沃斯数字滤波器。应当理解，5阶巴特沃斯数字滤波器仅是数字低通滤波器的一个示例，其不构成对本发明的限制，本发明还可以采用任何其他合适的数字低通滤波器。

下面结合图8和图9进一步描述本发明的电路结构和原理。图8示出根据本发明一个实施例的光子测量前端电路800的电路示意图。

在图8所示的实施例中，光子测量前端电路800中的积分模块是由电阻R1和电容C1组成的低通滤波器。可选地，低通滤波器可以进一步包括与电阻R1串联连接的单向导通二极管(即具有单向导电性的二极管)。在低通滤波器中加入单向导通二极管可以改善光子测量前端电路800的性能。由PMT、SiPM等光电检测器产生的初始信号(模拟信号)经由电阻R1接入该低通滤波器。负反馈模块由DAC 830和电阻R2组成。DAC 830经由电阻R2将反馈信号输入该低通滤波器。可选地，负反馈模块可以进一步包括与电阻R2串联连接的单向导通二极管(即具有单向导电性的二极管)。在负反馈模块中加入单向导通二极管可以改善光子测量前端电路800的性能。反馈信号的初始值是0。初始信号和反馈信号是反向的，因此在低通滤波器的输出端得到的是初始信号与反馈信号的差的积分，即积分信号。在光子测量前端电路800中，比较器810、传输控制器820、DAC 830和光子测量模块840可以由FPGA实现。当然，可以理解的是，比较器810、传输控制器820、DAC 830也可以用单独的模拟电路或数字电路来实现。

在图8中，光子测量前端电路800的数字部分是一个具有差分输入引脚的FPGA。上述低通滤波器的输出接入至FPGA的数字差分引脚的同相端。同时，数字差分引脚的反相端接一个参考电平。参考电平可以根据光电检测器输出的初始信号的特征来进行调整，以取得最佳的能量、时间、暗电流和波形测量结果。在FPGA内部，传输控制器820为寄存器，其以一定频率对比较器810输出的比较结果进行锁存。寄存器所输出的数字信号通过FPGA的一个数字引脚，即DAC 830之后，转换成模拟信号。该模拟信号经由电阻R2反馈至低通滤波器的输入端。同时寄存器所输出的数字信号传送至FPGA中的光子测量模块840中进行能量、时间、暗电流或波形测量。

如上所述，在初始信号开始输入积分模块时，反馈信号的初始值是0。这相当于仅存在初始信号这一输入，积分信号等于该初始信号的积分。随着时间进展，积分信号越来越大。当积分信号的幅度大于参考电平时，比较器810输出逻辑电平“1”。传输控制器820是寄存器，例如D触发器，其受系统时钟控制。当系统时钟的上升沿到来时，寄存器的输出端跟随输入端，输出逻辑电平“1”。逻辑电平“1”由DAC 830转变为模拟信号，例如转变为1.8V的电压，之后反馈给积分模块的输入端，形成反馈信号。由于负反馈作用，积分信号开始减小，当减小到参考电平以下时，比较器810输出逻辑电平“0”。当系统时钟的后续上升沿到来时，寄存器的输出端将输出“0”，从而使得反馈信号也为0。积分模块810将继续对来自光电检测器的初始信号进行积分。

图8所示的实现方案具有以下优点。电路结构简单，不需要放大器、ADC等有源器件。需要的FPGA内部资源少。因此，该光子测量前端电路成本低廉，功耗低。此外，该光子测量前端电路的能量测量不受脉冲起始时间的影响。

图9示出根据本发明另一个实施例的光子测量前端电路900的电路示意图。光子测量前端电路900中的积分模块910包括电阻R1、R2、R3，电容C1以及运算放大器910。可选地，该积分模块910可以进一步包括与电阻R1、R2、或R3串联连接的单向导通二极管。电路的数字部分是一个具有差分输入引脚的FPGA。滤波器的输出接入至FPGA的数字差分引脚的同相端。数字差分引脚的反相端接一个参考电平。参考电平根据光电检测器输出的初始信号的特征来调整，以取得最佳的能量、时间、暗电流和波形测量结果。在FPGA内部，传输控制器930为寄存器，其以一定频率对比较器920输出的比较结果进行锁存。寄存器所输出的数字信号通过FPGA的一个数字引脚，即模数转换器940之后，转换成模拟信号。该模拟信号经由电阻R4反馈至低通滤波器的输入端。同时寄存器所输出的数字信号传送至FPGA中的光子测量模块950中进行能量、时间、暗电流或波形测量。

图9所示的光子测量前端电路900与图8所示的光子测量前端电路800的工作方式类似，本领域技术人员根据对图8所示的实现方案的描述可以理解图9所示的实现方案，在此不再赘述。

需要说明的是，图9所示的电阻R1的电阻值可以根据光电检测器输出的初始信号的特征来调整。电阻R1可以移除(短路)。电阻R1可以用具有隔绝直流作用的电容来取代。电阻R1还可以用单向导通二极管来取代。图9所示的电阻R3的电阻值可以根据需要调整。电阻R3可以移除(断路)。同样的，图9所示的电阻R4的电阻值也可以根据光电检测器输出的初始信号的特征来调整。电阻R4可以移除(断路)。电容C1的值可以根据初始信号的幅度范围进行调整。此外，在图9所示的电阻R1、R2、R3、R4及参考电平所在的路线上，均可根据实际需要添加单向导通二极管来改善电路的性能。

图9所示的实现方案具有以下优点。电路结构简单，需要的FPGA内部资源少。因此，该光子测量前端电路成本低廉，功耗低。此外，能量的转换精度高，线性度好。能量测量不受脉冲起始时间的影响。时间测量精度高。暗电流测量准确度高。抗噪能力强。对元件尤其是电容器精度要求低，适于大规模生产。

根据图8所示的实现方案，本领域技术人员可以用一片普通低功耗、低价格的FPGA及一些无源器件(电阻、电容二极管)实现对上百通道的光电检测器信号的测量。根据图9所示的实现方案，本领域技术人员可以用一片普通低功耗、低价格的FPGA，一些有源放大器(每通道一个)及一些无源器件(电阻、电容二极管)实现对上百通道的光电检测器信号的高精度测量。

对于具有多个信号通道的光电检测器来说，在某些情况下，需要对不同通道的信号进行组合。本文提供如下缩减信号通道的方法。可以采用两种方法：(1)以图9所示的实现方案为例，可以通过将多路初始信号通过电阻接入同一运算放大器的反相端，来直接对信号通道数进行缩减；(2)对于很多应用，可以在FPGA内部对多路积分信号通过或门电路进行合并。这样可以实现多个信号通道共用一个高精度的模拟TDC或者数字TDC(例如基于FPGA延迟线的数字TDC)。

上文采用FPGA来举例说明本发明的具体实施方法。需要说明的是，FPGA不是本发明的必需构建。本发明所述的采用FPGA实现的功能模块还可以通过分立元件构成的数字电路来实现。本发明所述的采用FPGA实现的功能模块还可以通过专用集成电路(ASIC)来实现。

虽然本文以PET系统为例描述了本发明的原理和应用，但是应该理解的是，本发明并不局限于此。本发明所提供的光子测量前端电路还可以应用于SPECT系统、X射线计算机断层扫描成像(X-CT)系统或任何其他合适的高能光子测量系统。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (19)

1.一种光子测量前端电路，包括积分模块、比较器、传输控制器、负反馈模块和光子测量模块，

所述积分模块连接光电检测器的输出端和所述负反馈模块的输出端，所述积分模块用于接收来自所述光电检测器的初始信号和来自所述负反馈模块的反馈信号，对所述初始信号和所述反馈信号的差进行积分并且输出积分信号；

所述比较器的一个输入端连接所述积分模块的输出端并且所述比较器的另一输入端接入参考电平，所述比较器用于将所述积分信号与所述参考电平进行比较并生成比较结果；

所述传输控制器的输入端连接所述比较器的输出端，所述传输控制器用于利用时钟信号控制所述比较结果的传输以输出数字信号，其中所述数字信号中的、持续时间等于所述时钟信号的周期的高电平代表第一逻辑电平，所述数字信号中的、持续时间等于所述时钟信号的周期的低电平代表第二逻辑电平；

所述负反馈模块的输入端连接所述传输控制器的输出端，所述负反馈模块用于将所述数字信号转换为所述反馈信号并且将所述反馈信号反馈给所述积分模块；

所述光子测量模块包括能量测量模块，所述能量测量模块的输入端连接所述传输控制器的输出端，所述能量测量模块用于利用所述数字信号对所述光电检测器所检测到的光子进行能量测量。

2.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述能量测量模块进一步用于利用查找表对能量测量结果和所述初始信号的峰值之间的转换函数进行校正，并且利用经校正的转换函数对所述能量测量结果进行校正。

3.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述光子测量模块进一步包括时间测量模块，所述时间测量模块的输入端连接所述比较器的输出端，用于利用所述比较结果对所述光子进行时间测量。

4.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述光子测量模块进一步包括时间测量模块，所述时间测量模块的输入端连接所述传输控制器的输出端，用于利用所述数字信号对所述光子进行时间测量。

5.根据权利要求3或4所述的光子测量前端电路，其中，所述时间测量模块进一步用于根据所述能量测量模块的能量测量结果对时间测量结果进行校正。

6.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述光子测量模块进一步包括暗电流测量模块，所述暗电流测量模块的输入端连接所述传输控制器的输出端，用于利用所述数字信号进行暗电流测量。

7.根据权利要求6所述的光子测量前端电路，其中，所述能量测量模块进一步用于根据所述暗电流测量模块的暗电流测量结果对能量测量结果进行校正。

8.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述光子测量模块进一步包括波形测量模块，所述波形测量模块的输入端连接所述传输控制器的输出端，用于利用所述数字信号对所述初始信号进行波形重建和波形测量。

9.根据权利要求8所述的光子测量前端电路，其中，所述波形测量模块通过数字低通滤波的方式来对所述初始信号进行波形重建。

10.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述能量测量模块包括计数器，用于通过对所述第一逻辑电平进行计数来对所述光子进行能量测量。

11.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述能量测量模块包括加法器，用于通过对所述第一逻辑电平进行求和来对所述光子进行能量测量。

12.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述能量测量模块包括控制单元，所述控制单元与所述负反馈模块相连接，所述控制单元用于控制所述负反馈模块在不同时段内将所述数字信号转换为不同幅度的反馈信号。

13.根据权利要求12所述的光子测量前端电路，其中，所述能量测量模块进一步包括加法器和乘法器，所述控制单元进一步用于根据所述反馈信号在特定时段内的幅度给在所述特定时段内的所述第一逻辑电平分配加权系数，所述加法器和所述乘法器用于通过根据所述加权系数对所述第一逻辑电平进行加权求和来对所述光子进行能量测量。

14.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述积分模块是包括电阻和电容的低通滤波器。

15.根据权利要求14所述的光子测量前端电路，其中，所述低通滤波器进一步包括与所述电阻串联连接的单向导通二极管。

16.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述积分模块包括电阻、电容和运算放大器。

17.根据权利要求16所述的光子测量前端电路，其中，所述积分模块进一步包括与所述电阻串联连接的单向导通二极管。

18.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述传输控制器是寄存器。

19.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其中，所述比较器、所述传输控制器和所述光子测量模块由现场可编程逻辑阵列实现。