CN105093258A - 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，包括与一个或多个传感器微元集合一一对应的一个或多个信号处理电路以及主处理电路。一个或多个信号处理电路中的每一个包括与对应传感器微元集合中的一个或多个传感器微元一一对应的一个或多个前级处理电路以及后级处理电路。前级处理电路用于接收来自对应传感器微元的初始电流信号并且当初始电流信号的幅值大于电流阈值时输出脉冲电流信号。后级处理电路用于对来自一个或多个前级处理电路中的每一个的脉冲电流信号进行处理以生成输出信号。主处理电路用于根据来自一个或多个信号处理电路中的每一个的后级处理电路的输出信号对一个或多个传感器微元集合所检测到的光子进行测量。本发明电路简单，易于扩展成阵列。

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装置一般包含闪烁晶体、光电检测器(或称光电传感器)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。光电传感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传感器产生的电信号，来获取高能光子的能量和到达时间。例如，在正电子发射成像(PET)及单光子发射成像(SPECT)系统中，伽玛光子与闪烁晶体，例如硅酸钇镥(LYSO)晶体，相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电传感器，例如光电倍增管(PMT)或者硅光电倍增管(SiPM)等，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传感器产生的电信号，获取伽玛光子的能量和到达时间。

下面以SiPM为例来描述光子测量前端电路的工作方式。SiPM是一种基于硅的光电传感器。SiPM由边长10～100微米左右的小的传感器微元(cell)组成。每个传感器微元都是工作在盖革(Geiger)模式下的雪崩式光电二极管。每个传感器微元每次都只能检测一个可见光子。成百上千的传感器微元组成传感器单元(pixel)。传感器单元的面积通常为1平方毫米至几十平方毫米。很多传感器单元组合在一起，又可以组成更大的传感器阵列(例如16x16个3毫米x3毫米的传感器单元组成的阵列)。SiPM阵列和闪烁晶体阵列通过光导层耦合在一起，就构成了基于SiPM的前端检测器。基于SiPM的前端检测器主要应用于PET系统的前端伽玛光子检测。相比于传统的PMT，SiPM具有尺寸小、偏置电压低、时间分辨率高、与核磁共振(MRI)磁场兼容等优点。SiPM的主要缺点是存在较大暗电流、增益受温度影响较大、通道数目多、读出电路复杂等。

成百上千的传感器微元组成传感器单元时，与其相连的光子测量前端电路通常采用两种方式实现，即模拟方式(可称为模拟SiPM)和数字方式(可称为数字SiPM)。模拟SiPM是将所有传感器微元的信号通过加法电路求和后，形成一路模拟信号输出。外部电路通过测量模拟信号的面积计算伽玛光子的能量，通过测量模拟信号的上升沿的时间，测量伽玛光子的到达时间。模拟SiPM的缺点是增益受温度影响较大、时间分辨率较低。在数字SiPM中，每个传感器微元检测到可见光子时，输出一个脉冲。后继数字电路对输出有效脉冲的传感器微元的个数进行计数，得到入射伽玛光子的能量。后继数字电路对传感器微元输出的脉冲的起始时间进行测量，得到伽玛光子的到达时间。这种方法的主要缺点是，需要后继数字电路读出数字化的能量和时间信号，光子测量前端电路与后继数字电路之间的接口较为复杂，例如其可能采用通用串行总线(USB)接口来实现。因此，当将光子测量前端电路扩展成阵列时，电路结构更加复杂，不易实现。

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与一个或多个传感器微元集合一一对应的一个或多个信号处理电路以及主处理电路。一个或多个信号处理电路中的每一个包括与对应传感器微元集合中的一个或多个传感器微元一一对应的一个或多个前级处理电路以及后级处理电路。一个或多个前级处理电路中的每一个的输入端连接对应传感器微元的输出端，前级处理电路用于接收来自对应传感器微元的初始电流信号并且当初始电流信号的幅值大于电流阈值时输出脉冲电流信号。后级处理电路的输入端连接一个或多个前级处理电路中的每一个的输出端，后级处理电路用于对来自一个或多个前级处理电路中的每一个的脉冲电流信号进行处理以生成输出信号。主处理电路连接一个或多个信号处理电路中的每一个的后级处理电路的输出端，主处理电路用于根据来自一个或多个信号处理电路中的每一个的后级处理电路的输出信号对一个或多个传感器微元集合所检测到的光子进行测量。

根据本发明提供的光子测量前端电路，采用了与传感器微元一一对应的前级处理电路来对各传感器微元输出的信号进行前级处理，使得来自不同传感器微元的信号被量化处理，从而使得针对传感器微元的光子测量和性能检测能够实现，并且计算出来的入射伽玛光子的能量不受温度的影响。此外，信号处理电路与主处理电路之间的接口简单，可以很方便地将信号处理电路扩展成阵列。

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2示出根据本发明一个实施例的信号处理电路的示意性框图；

图3示出根据本发明一个实施例的划分传感器微元集合的示意图；

图4示出根据本发明一个实施例的信号处理电路的示意性框图；

图5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；

图6示出根据本发明一个实施例的后级处理电路和主处理电路的电路示意图；以及

图7示出根据本发明另一个实施例的后级处理电路和主处理电路的电路示意图。

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。图1示出根据本发明一个实施例的光子测量前端电路100的示意性框图。

如图1所示，光子测量前端电路100包括与一个或多个传感器微元集合一一对应的一个或多个信号处理电路110以及主处理电路120。一个或多个信号处理电路110中的每一个包括与对应传感器微元集合中的一个或多个传感器微元一一对应的一个或多个前级处理电路111以及后级处理电路112。图1所示的信号处理电路110以及各信号处理电路110中的前级处理电路111的数目仅是示例而非限制。

传感器微元可以是例如SiPM微元。传感器微元集合是若干传感器微元组成的集合。每个传感器微元集合对应着一个信号处理电路110。传感器微元集合和对应的信号处理电路110的数目相等，两者的数目可以根据需要而定，本发明不对此进行限制。每个传感器微元集合可以包括一个或多个传感器微元。不同的传感器微元集合所包括的传感器微元的数目可以相同，也可以不同。在任意传感器微元集合中，每个传感器微元对应着一个前级处理电路111。同样地，每个传感器微元集合中的传感器微元和对应的前级处理电路111的数目相等，两者的数目可以根据需要而定，本发明不对此进行限制。为了描述方便，在下文中，以S_i表示传感器微元集合，其中i是传感器微元集合的序号，i＝1,2…M，M是传感器微元集合的数目；以S_iC_j表示传感器微元集合S_i中的传感器微元，其中j表示传感器微元在该传感器微元集合S_i中的序号，j＝1,2…N_i，N_i是传感器微元集合S_i中包括的传感器微元的数目。

一个或多个前级处理电路111中的每一个的输入端连接对应传感器微元的输出端。前级处理电路111用于接收来自对应传感器微元的初始电流信号并且当初始电流信号的幅值大于电流阈值时输出脉冲电流信号。该脉冲电流信号具有特定脉冲宽度、特定幅值和特定方向。本领域技术人员可以理解，当有效脉冲事件发生时，若干传感器微元会检测到可见光子并输出一个电流信号。有效脉冲事件是指伽玛光子引起的在传感器微元中产生电流信号的事件。然而，在未发生有效脉冲事件时，由于噪声等干扰因素的存在，传感器微元仍然可能输出具有一定强度的电流信号。通常有效脉冲事件发生时输出的电流信号的强度较大，因此通过电流信号的强度可以甄别出有效脉冲事件。可以预先设定一个电流阈值，当初始电流信号的幅值大于电流阈值时，可以认为有效脉冲事件发生，此时前级处理电路111可以输出一个脉冲电流信号，以表示有效脉冲事件发生。相反，当初始电流信号的幅值小于或等于电流阈值时，可以认为有效脉冲事件未发生，此时前级处理电路111可以不输出任何信号。这样，可以在一定程度上起到防噪声的作用。电流阈值可以根据需要设定为任何合适的值。当然，电流阈值也可以是0。可以理解的是，对于光子测量前端电路100中的所有前级处理电路111来说，其输出的脉冲电流信号具有相同的脉冲宽度、相同的幅值以及相同的方向。应当注意的是，在现有的数字SiPM中，不同传感器微元输出的信号，经前端电路直接转换成数字脉冲信号，然后对数字脉冲信号的个数进行求和计算得出伽玛光子的能量。因此，这是一种直接对数字信号进行求和的方法，数字脉冲信号的宽度可以不相同，这与本发明不同。根据本发明的实施例，当传感器微元检测到可见光子时，前级处理电路输出具有特定脉冲宽度、特定幅值和特定方向的脉冲电流信号，使得后续的后级处理电路可以对脉冲电流信号进行诸如积分等处理，最终可据此计算得出伽玛光子的能量。所有前级处理电路111输出的脉冲电流信号相同，使得在主处理电路计算伽玛光子的能量时，可以将各传感器微元检测到的可见光子的能量视为是一致的。由于在类似SiPM的光电传感器中，传感器微元的数目很多，每个传感器微元的面积较小。因此，在有效脉冲事件发生时，可见光子群作用到大量的传感器微元上。传感器微元的个数远大于入射的可见光子的个数，每个传感器微元最多只能检测到一个可见光子。每个可见光子携带的能量是一样的。因此，检测到可见光子的各传感器微元所检测到的光信号的强度(或者能量)是相同的。

后级处理电路112的输入端连接一个或多个前级处理电路111中的每一个的输出端。后级处理电路112用于对来自一个或多个前级处理电路111中的每一个的脉冲电流信号进行处理以生成输出信号。输出信号可以是数字化脉冲信号。当有效脉冲事件未发生时，前级处理电路111可以不输出信号，而当有效脉冲事件发生时，前级处理电路111可以输出脉冲形式的电流信号，即上述脉冲电流信号。后级处理电路112对来自与其相连的所有前级比较电路111的脉冲电流信号进行处理，最后输出一个输出信号，该输出信号包含与该后级处理电路112对应的传感器微元集合所检测到的伽玛光子的能量和时间等信息。

主处理电路120连接一个或多个信号处理电路110中的每一个的后级处理电路112的输出端。主处理电路120用于根据来自一个或多个信号处理电路110中的每一个的后级处理电路112的输出信号对上述一个或多个传感器微元集合所检测到的光子进行测量。后级处理电路112可以与主处理电路120直接连接，例如当主处理电路120采用现场可编程门阵列(FPGA)实现时，后级处理电路112可以经由主处理电路120的管脚与主处理电路120相连。因此，后级处理电路112与主处理电路120之间(也就是信号处理电路110与主处理电路120之间)不需要通过诸如USB接口的复杂接口来连接。因此，信号处理电路110可以很方便地扩展成阵列。如上文所述，每个后级处理电路112所输出的输出信号包含与该后级处理电路112对应的传感器微元集合所检测到的伽玛光子的能量和时间等信息。因此，当存在多个传感器微元集合和与其对应的多个后级处理电路112时，主处理电路120可以根据来自所有后级处理电路112的输出信号来综合计算所有传感器微元集合所检测到的伽玛光子的能量、时间等信息。当然，可以理解的是，主处理电路120也可以不对来自所有后级处理电路112的输出信号进行综合，而是根据来自某一后级处理电路112的输出信号单独计算与该后级处理电路112对应的传感器微元集合所检测到的伽玛光子的能量、时间等信息。主处理电路120还可以根据需要对各路输出信号进行任意选择和组合，来综合考虑来自所选的后级处理电路112的输出信号，以获取进一步的信息，例如入射伽玛光子在闪烁晶体中发生作用时的中心位置等。

根据本发明提供的光子测量前端电路，采用了与传感器微元一一对应的前级处理电路来对各传感器微元输出的信号进行前级处理，使得来自不同传感器微元的信号被量化处理，从而使得针对传感器微元的光子测量和性能检测能够实现，并且计算出来的入射伽玛光子的能量不受温度的影响。根据本发明实施例的信号处理电路与主处理电路之间的接口简单，可以很方便地将信号处理电路扩展成阵列。此外，本发明的电路结构简单，易于在专用集成电路中实现，功耗小。

可选地，一个或多个前级处理电路中的每一个可以包括转换电路、前级比较电路、单稳态触发器和脉冲输出电路。图2示出根据本发明一个实施例的信号处理电路200的示意性框图。为了简洁，图2仅示出图1所示的与传感器微元集合S₁对应的信号处理电路的结构框图，其他信号处理电路的结构均与其类似，不再赘述。信号处理电路200包括N₁个前级处理电路210和后级处理电路220。其中，每个前级处理电路210包括转换电路211、前级比较电路212、单稳态触发器213和脉冲输出电路214。

转换电路211的输入端连接对应传感器微元的输出端。转换电路211用于接收初始电流信号并且将初始电流信号转换为初始电压信号。例如，转换电路211可以简单地由一个电阻组成。初始电流信号流经该电阻，在电阻上形成压降，因此，在电阻两端可得到所需的初始电压信号。将初始电流信号转换为初始电压信号以方便后续的比较操作。

前级比较电路212的一个输入端连接转换电路211的输出端并且前级比较电路212的另一输入端接入第一参考电平。前级比较电路212用于将初始电压信号与第一参考电平相比较，并输出前级比较信号。第一参考电平等于参考电流信号经由转换电路211的转换所获得的电压信号的电压值，参考电流信号的电流值为上述电流阈值。前级比较电路212可以包括电压比较器。前级比较电路212所输出的前级比较信号是一个由低电平(例如逻辑电平“0”)和高电平(例如逻辑电平“1”)组成的数字信号。例如，前级比较电路212可以在初始电压信号的电平值高于或等于第一参考电平时，输出低电平，其余时候输出高电平，反之亦然。由于第一参考电平等于参考电流信号经由转换电路211的转换所获得的电压信号的电压值，因此上述过程相当于将初始电流信号与电流阈值进行比较。假设初始电压信号是负电压，则初始电压信号的电平值高于或等于第一参考电平相当于初始电流信号的幅值小于或等于电流阈值，也就是说，此时有效脉冲事件未发生。初始电压信号的电平值低于第一参考电平相当于初始电流信号的幅值大于电流阈值，也就是说，此时有效脉冲事件发生。因此，前级比较信号的低电平和高电平之间的切换标志着有效脉冲事件的发生。前级比较信号的、在有效脉冲事件发生期间输出的电平(低电平或高电平)的持续时间与初始电流信号的幅值大于电流阈值的时间相关。由于检测到光信号的每个传感器微元的性能差异，各初始电流信号的波形可能不完全一致。此外，温度的变化也会导致每个传感器微元检测到相同光信号时，输出不一致的波形。因此，不同前级比较电路212所输出的前级比较信号的、在有效脉冲事件发生期间输出的电平(低电平或高电平)的持续时间也可能有所不同。

单稳态触发器213的输入端连接前级比较电路212的输出端。单稳态触发器213用于基于前级比较信号生成脉冲电压信号。如上文所述，前级比较电路212所输出的前级比较信号是数字信号。在一个示例中，当前级比较信号从“0”跳转(即切换)到“1”时，单稳态触发器213可以输出一个短脉冲(即脉冲电压信号)。注意，所有传感器微元对应的单稳态触发器213输出的短脉冲长度是完全一致的。如上所述，不同的前级比较电路212所输出的前级比较信号的、在有效脉冲事件发生期间输出的电平(低电平或高电平)的持续时间可能有所不同，然而，所期望的是将每个传感器微元所检测到的光信号的强度视为一致，并不受温度等因素的影响。因此，可以简单地基于前级比较信号的高电平与低电平之间的切换，即基于每次有效脉冲事件的发生，输出一个脉冲长度一致的短脉冲，而不考虑不同的前级比较电路212所输出的前级比较信号的、在有效脉冲事件发生期间输出的电平(低电平或高电平)的持续时间的差异。因此，单稳态触发器213每次输出的脉冲电压信号均可视为一次有效脉冲事件的发生。在每个有效脉冲事件中，检测到可见光子的传感器微元对应的单稳态触发器213输出的脉冲电压信号的信号强度是一致的。

脉冲输出电路214的输入端连接单稳态触发器213的输出端。脉冲输出电路214用于基于脉冲电压信号生成脉冲电流信号。脉冲输出电路214可以视作一个“受控电流源”，单稳态触发器213输出的短脉冲可以控制脉冲输出电路214产生的脉冲电流信号。例如，当单稳态触发器213的输出为0时，脉冲输出电路214可以不输出电流。当单稳态触发器213的输出为1时，脉冲输出电路214可以输出电流。注意，所有传感器微元对应的脉冲输出电路214产生的脉冲电流信号的大小和方向完全一致。

本发明将信号处理电路实现为数字电路，使得最终的能量计算的误差小、精度高，计算出来的入射伽玛光子的能量不受温度的影响(模拟电路的增益受温度影响较大)。

可选地，前级比较信号由高电平和低电平组成。在一个示例中，前级比较电路212可以进一步用于当初始电压信号的电平值高于或等于第一参考电平时输出高电平，当初始电压信号的电平值低于第一参考电平时输出低电平。单稳态触发器213是基于前级比较信号的下降沿触发的。例如，前级比较电路212可以包括电压比较器。电压比较器的同相输入端连接转换电路211的输出端，电压比较器的反相输入端接入第一参考电平，使得当初始电压信号的电平值高于或等于第一参考电平时输出高电平，当初始电压信号的电平值低于第一参考电平时输出低电平。在另一示例中，前级比较电路可以进一步用于当初始电压信号的电平值高于或等于第一参考电平时输出低电平，当初始电压信号的电平值低于第一参考电平时输出高电平。单稳态触发器是基于前级比较信号的上升沿触发的。可选地，前级比较电路可以包括电压比较器。电压比较器的同相输入端连接转换电路的输出端，所述电压比较器的反相输入端接入所述第一参考电平。例如，前级比较电路212可以包括电压比较器。电压比较器的同相输入端连接第一参考电平，电压比较器的反相输入端连接转换电路211的输出端，使得当初始电压信号的电平值高于或等于第一参考电平时输出低电平，当初始电压信号的电平值低于第一参考电平时输出高电平。如上文所述，前级比较信号可以由低电平(例如逻辑电平“0”)和高电平(例如逻辑电平“1”)组成。前级比较信号的高电平与低电平之间的切换可以指示有效脉冲事件的发生，而每次有效脉冲事件发生时，单稳态触发器213可以被触发并从稳态翻转成暂稳态。单稳态触发器213的稳态可以是高电平(例如0V)，暂稳态可以是低电平(例如-5V)。因此，单稳态触发器213输出的脉冲电压信号同样由高电平和低电平组成。可以理解，脉冲电压信号的高电平和低电平的电平值不一定与前级比较信号的高电平和低电平的电平值一致。采用单稳态触发器来生成脉冲电压信号的实现方式较简单，单稳态触发器能够稳定地输出脉冲宽度一致的脉冲电压信号。

可选地，单稳态触发器213还可以连接主处理电路，如图1所示的主处理电路120。主处理电路可以进一步用于向单稳态触发器发出使能信号，以利用使能信号控制单稳态触发器启用或禁用。可以利用分开的使能信号来单独控制每个单稳态触发器。可以根据需要利用使能信号来控制某个或某些单稳态触发器禁用以及其余的单稳态触发器启用，从而能够隔断与包括这个或这些单稳态触发器在内的前级处理电路对应的传感器微元，不再对来自这样的传感器微元的初始电流信号进行处理。例如，如果由于工艺原因，某些传感器微元不能正常工作(如暗电流太大)，则可以很方便地利用针对每个单稳态电路的使能信号，来隔断不能正常工作的传感器微元。

可选地，主处理电路可以进一步用于利用针对一个或多个传感器微元集合中的待测试传感器微元的使能信号控制与待测试传感器微元对应的前级处理电路中的单稳态触发器启用，并根据与待测试传感器微元对应的输出信号测试待测试传感器微元的工作性能。如上所述，当某些传感器微元不能正常工作时可以隔断这些传感器微元，因此，在正式开始进行光子测量之前，还可以首先测试各传感器微元的工作性能。在测试传感器微元的工作性能时，同样可以利用使能信号来实现测试过程。例如，如果待测试传感器微元是传感器微元S₁C₁，则可以利用使能信号仅启用传感器微元S₁C₁，并且禁用其余传感器微元，此时主处理电路接收来自每个后级处理电路的输出信号，对输出信号进行处理，并根据处理结果判断该传感器微元S₁C₁的工作性能，例如判断其暗电流是否较大。当然，也可以利用使能信号一次性禁用多个传感器微元，并且启用其余传感器微元，以测试多个传感器微元的整体工作性能。由于每个单稳态触发器使用单独的使能性能来控制，因此可以方便地根据需要对任意的待测试传感器微元进行单独测试或组合测试。

可选地，一个或多个传感器微元集合是按照传感器单元来划分的。可选地，一个或多个传感器微元集合属于同一传感器单元。根据本发明的实施例，可以把所有的传感器微元按照邻域关系，分割成不同的区域。不同区域的传感器微元可以使用不同的信号处理电路，从而可以实现例如所谓的位置敏感数字SiPM(positionsensitiveSiPM)。可以以传感器单元为单位来划分传感器微元集合，也就是说，每个传感器单元为一个传感器微元集合。针对每个传感器单元，可以配置一套信号处理电路。因此，在这种情况下，存在多少个传感器单元，则可以配置多少套信号处理电路。另外，还可以将传感器单元进一步细分。也就是说，可以将每个传感器单元分成多个分区，每个分区为一个传感器微元集合。针对每传感器单元的每个分区，配置一套单独的信号处理电路。

下面参考图3来进一步描述上述实施例。图3中的64个传感器微元按照邻域关系，分割成ABCD四个区域。每个区域对应一个信号处理电路，每个信号处理电路使用一条数字线，向主处理电路输出各自的脉冲电流信号。主处理电路可以很方便地计算四个区域检测到的伽马光子的能量，并根据四个区域的能量分布，计算入射伽玛光子在闪烁晶体上作用的中心位置。计算入射伽玛光子在闪烁晶体上作用的中心位置的方式与常规技术相同，不再赘述。具体地，图3所示的为一个具有64个传感器微元的传感器单元，每个小方块代表一个传感器微元。在这个具有64个传感器微元的传感器单元内，将64个传感器微元按照邻域关系，分割成ABCD四个区域。将每个区域中的传感器微元连接至上述的光子测量前端电路，每个传感器微元对应一个通道(即上述的前级处理电路)。每个区域对应一套上述的信号处理电路。每个信号处理电路(共4个)能够独立输出脉冲电流信号。如下文所述，主处理电路可以包括能量测量模块以及时间测量模块等，可以同信号处理电路一起在专用集成电路中实现，也可以单独在外部数字电路(如FPGA)中实现。主处理电路可以独立地测量ABCD四个区域的四路脉冲电流信号包含的能量以及时间等信息，并对各路测量结果进行组合或者比较，达到更准确地计算入射伽玛光子在闪烁晶体上作用的位置和时间的目的。这种方法，与使64个传感器微元共享一套信号处理电路的方法相比，空间分辨率可以提高一倍。当然，每个传感器单元内的区域划分不一定是4个。可以根据实际需要，将传感器单元内的传感器微元划分成更少(例如2个)或者更多的分区。每个分区内包含的传感器微元的数目也不一定要一样。

可选地，后级处理电路可以包括积分电路、后级比较电路、传输控制电路和负反馈电路。图4示出根据本发明一个实施例的信号处理电路400的示意性框图。与图2类似地，图4仅示出图1所示的与传感器微元集合S₁对应的信号处理电路的结构框图，其他信号处理电路的结构与其类似，不再赘述。图4示出了信号处理电路400中的后级处理电路420的内部结构。图4所示的后级处理电路420包括积分电路421、后级比较电路422、传输控制电路423和负反馈电路424。另外，图4还示出了信号处理电路400中的前级处理电路410的内部结构，前级处理电路410与图2所示的前级处理电路210类似，不再赘述。

积分电路421连接一个或多个前级处理电路410中的每一个的输出端和负反馈电路424的输出端。积分电路421用于接收来自一个或多个前级处理电路410中的每一个的脉冲电流信号和来自负反馈电路424的反馈信号，对脉冲电流信号的总和与反馈信号之间的差进行积分并且输出积分信号。后级处理电路420是包括负反馈环节的电路，反馈信号被输入到积分电路421。同时，积分电路421还接收来自N₁个脉冲输出电路414的脉冲电流信号。脉冲电流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，如果脉冲电流信号是从积分电路421流向脉冲输出电路414的，则可以将反馈信号设定为从负反馈电路424流向积分电路421。因此，对于积分电路421来说，实际上最终输入的是N₁个脉冲电流信号的和与反馈信号之间的差，积分电路421可以对该差进行积分。应该注意，本文附图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。积分电路421可以采用模拟积分电路实现，例如通过电阻、电容、运算放大器等元器件组成的电路实现。

后级比较电路422的一个输入端连接积分电路421的输出端并且后级比较电路422的另一输入端接入第二参考电平。后级比较电路422用于将积分信号与第二参考电平进行比较并生成后级比较信号。例如，当积分信号的电平值高于第二参考电平时，后级比较电路422可以输出高电平，当积分信号的电平值等于或小于第二参考电平时，后级比较电路422可以输出低电平。因此，后级比较电路422输出的后级比较信号中可以只存在高电平和低电平两种状态。通常，后级比较电路422输出的后级比较信号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。可选地，第二参考电平可以是地电平。第二参考电平可以具有任何合适的电平值。第二参考电平是低电平的实现方式较简单，最终获得的测量结果较准确。

传输控制电路423的输入端连接后级比较电路422的输出端。传输控制电路423用于利用时钟信号控制后级比较信号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，后级比较信号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。在后级比较信号中，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电路423对后级比较信号进行时间上的量化，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，可以将后级比较电路422和传输控制电路423这二者视作一个1位的ADC。在传输控制电路423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。传输控制电路423可以是寄存器或受时钟信号控制的开关电路等。

负反馈电路424的输入端连接传输控制电路423的输出端，负反馈电路424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电路421。负反馈电路424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，以将传输控制电路423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。负反馈电路424可以进一步包括电流输出电路(可视作一个“受控电流源”)，例如由一个电阻组成的电流输出电路。DAC经由电流输出电路连接到积分电路421的输入端。电流输出电路基于上述电压信号产生一个电流信号，即反馈信号。所述DAC和电流输出电路也可以简单地由一个电阻实现，传输控制电路423所输出的数字信号是一种电压信号，其经过该电阻即可转换为电流信号，即反馈信号。所述反馈信号与脉冲电流信号方向相反，其与脉冲电流信号在积分电路421上的累积作用互相抵消，能够避免积分电路421所输出的积分信号过大，以保持电路稳定。可选地，负反馈电路424连接主处理电路。主处理电路进一步用于调整负反馈电路424输出的反馈信号的幅值。通过负反馈电路424的延迟及其产生的反馈信号的幅值，可以方便的设定和调整在后级比较电路422处的触发电平，使其能够在指定的入射伽玛光子的到达时间进行触发(即输出后级比较信号)，取得最佳的时间分辨率。负反馈电路424的延迟可以起到防噪声的作用。由于反馈信号与来自N₁个脉冲输出电路414的N₁个脉冲电流信号在积分电路421上的累积作用正负相消，所以当所有脉冲电流信号的持续时间已经结束并且反馈信号的幅度稳定在零(即针对所有脉冲电流信号的负反馈作用已经停止)时，脉冲电流信号引发的反馈信号的累加值可以视作脉冲电流信号的累加值。又由于，反馈信号的累加值与数字信号中“1”的个数成正比。因此，可以利用数字信号来计算伽玛光子的能量。当然，也可以利用后级比较电路422输出的后级比较信号来计算伽玛光子的能量，只需在后续的主处理电路的能量测量模块中加入与传输控制电路424相同的电路。因此，可选地，输出信号可以包括后级比较信号和/或数字信号。应该注意，反馈信号不宜过大或过小。反馈信号过大会导致脉冲电流信号的抵消速度过快，使得输出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脉冲电流信号的抵消速度过慢，使得无法及时减小积分信号的值，从而造成饱和失真，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。

根据本发明实施例提供的后级处理电路的电路结构简单，可以不使用或较少使用放大器、ADC等有源器件。因此，这样的后级处理电路的成本低廉，功耗低。此外，本发明提供的后级处理电路对脉冲电流信号进行了积分，并对积分信号进行处理以获得伽玛光子的能量信息，因此能量测量不受脉冲电流信号的起始时间的影响。

图4所示的信号处理电路400是类似全数字SiPM的电路，利用其获得的能量测量结果误差小、精度高，并且计算出的入射伽玛光子的能量不受温度的影响。其与后继的主处理电路之间的接口简单，使得只需要一条数字线就可以很方便的从成百上千的传感器微元组成传感器单元中读出入射伽玛光子的能量和时间等信息。

此外，值得注意的是，在现有的数字SiPM中，基于来自传感器微元的电流信号生成数字信号，然后以计数方式对数字信号进行求和，运算速度较慢。在数字求和运算完成之前，不允许新的事件测量。因此，这段时间被称为死区时间(读出时间)。这种方法的死区时间较长，事件处理率较低。然而，在根据本发明实施例的光子测量前端电路中，基于来自传感器微元的电流信号生成脉冲电流信号，对脉冲电流信号进行诸如积分等处理，其运算速度很快，死区时间短，事件处理率高。

可选地，主处理电路可以包括能量测量模块、时间测量模块、暗电流测量模块和波形测量模块中的至少一个(未示出)。能量测量模块用于利用输出信号对一个或多个传感器微元集合所检测到的光子进行能量测量。时间测量模块用于利用输出信号对一个或多个传感器微元集合所检测到的光子进行时间测量。暗电流测量模块用于利用输出信号进行暗电流测量。波形测量模块用于利用输出信号对脉冲电流信号的总和进行波形重建和波形测量。

可选地，主处理电路连接一个或多个信号处理电路中的每一个的后级处理电路中的后级比较电路的输出端和/或一个或多个信号处理电路中的每一个的后级处理电路中的传输控制电路的输出端，输出信号包括后级比较信号和/或数字信号。上述能量测量模块可以连接到传输控制电路的输出端并利用数字信号直接测量伽玛光子的能量。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伽玛光子的能量大小。能量测量模块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伽玛光子的能量大小。可以理解的是，能量测量模块可以通过数字信号获得伽玛光子的能量的相对值，该相对值可以代表伽马光子的能量的确切值。另外，能量测量模块可以包括与传输控制电路相同的电路，并将该电路连接到后级比较电路的输出端，该电路对后级比较信号进行处理之后，将输出与数字信号相同的信号，能量测量模块再利用该信号测量伽玛光子的能量，其计算过程与直接利用数字信号进行计算的过程相同，不再赘述。

可选地，能量测量模块可以包括计数器(未示出)，用于通过对第一逻辑电平进行计数来对伽玛光子进行能量测量。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”，则可以将伽玛光子的能量大小视作500。可选地，能量测量模块可以包括加法器(未示出)，用于通过对第一逻辑电平进行求和来对伽玛光子进行能量测量。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伽玛光子的能量大小。例如，如果最后获得的和为300，则可以将伽玛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，时间测量模块可以连接传输控制电路的输出端并利用数字信号测量伽玛光子的到达时间。数字信号的上升沿发生的时间可以反映伽玛光子的时间信息。时间测量模块可以测量数字信号的第一个上升沿发生的时间。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，时间测量模块还可以连接后级比较电路的输出端，用于利用后级比较信号对伽玛光子进行时间测量。后级比较信号是没有经过传输控制电路在时间上进行量化的信号，因此，直接测量后级比较信号的时间信息，可以获得更准确的伽玛光子的时间信息。

与能量测量模块类似地，暗电流测量模块可以连接后级比较电路或传输控制电路的输出端，以利用后级比较信号或数字信号进行暗电流测量。例如，暗电流测量模块可以通过对来自传输控制电路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。

与能量测量模块和暗电流测量模块类似地，波形测量模块可以连接后级比较电路或传输控制电路的输出端，以利用后级比较信号或数字信号对脉冲电流信号的总和进行波形重建和波形测量。例如，波形测量模块可以通过数字低通滤波的方法来对脉冲电流信号的总和进行波形重建。在某些应用中，重建的波形可以用于实现高级的测量(如入射伽玛光子的DOI反应深度的测量)。

本领域技术人员可以理解，在现有的数字SiPM中，需要额外的电路来控制有效脉冲事件触发的触发逻辑，确保真正的有效脉冲事件发生时，能够启动数字信号求和运算。现有的数字SiPM需要额外的电路来测试每个传感器微元的电流信号的产生时间，并通过比较这些时间，来确定一次有效脉冲事件的发生时间。现有的数字SiPM的后继电路的电路结构复杂，需要把求和运算所需数据和有效脉冲事件的发生时间通过数字信号传输，以发送给后继电路进行处理。然而，根据本发明的实施例，不需要额外的电路来控制有效脉冲事件触发的触发逻辑。本发明不需要测试每个传感器微元的电流信号的产生时间。主处理电路可以使用一个TDC来测试很多传感器微元组合起来的总电流信号的产生时间。在某些情况下，与现有的数字SiPM中采用的方法相比，本发明的时间分辨率更高(与针对每个信号单独计算时间之后再选取最早的几个信号的产生时间的方式相比，对很多信号进行组合之后再计算时间的方式的统计噪声有可能更小)。本发明提供的用于计算伽玛光子的能量和时间等信息的主处理电路的结构以及实现方式都比较简单。

下面结合图5至图7进一步描述本发明的电路结构和原理。图5示出根据本发明一个实施例的光子测量前端电路500的电路示意图。作为示例，图5中仅示出了与传感器微元集合S₁对应的信号处理电路的电路图，与其他传感器微元集合对应的信号处理电路的电路结构可以与其相同，也可以与其不同。

如图5所示，与每个传感器微元对应的转换电路510可以简单地由一个电阻R构成，来自传感器微元的初始电流信号I流经电阻R后在电阻R上产生的电压差为V，三者满足关系V＝IR。也就是说，初始电流信号I通过该转换电路510被转换为初始电压信号V。

前级比较电路520可以由模拟电子技术当中常用的电压比较器构成。转换电路510输出的初始电压信号接入电压比较器的反相端，以与同相端的第一参考电平Vref作比较。前级比较电路输出的为由“0”和“1”组成的前级比较信号。

当单稳态触发器530为上升沿触发的单稳态触发器时，每次前级比较电路520输出的前级比较信号从“0”跳转到“1”时，单稳态触发器530都会输出一个具有固定脉冲宽度的短脉冲(即脉冲电压信号)，其在本示例中采用负脉冲的形式。脉冲电压信号具有高电平(例如零电位“0”，0V)和低电平(例如负电位“-1”，-5V)两种状态，在未被触发时单稳态触发器530输出高电平，在被触发时输出具有固定持续时间的低电平。单稳态触发器530具有使能端，该使能端连接至主处理电路590(该连接未示出)。当使能端输入高电平(也可以是低电平，取决于使能信号的定义，这里不做限制)时，单稳态触发器530能够被前级比较信号触发，进而做出上述响应，反之，单稳态触发器530的输出端将保持初始状态，不受前级比较信号的影响。与传感器微元集合S₁中的每个传感器微元相对应的通道中的单稳态触发器530具有各自的使能信号En1～EnN₁，可以利用这些使能信号分别使能或禁用各单稳态触发器530。可选地，也可以使多个单稳态触发器530共用同一使能信号，以同时使能或禁用该多个单稳态触发器530。

与单稳态触发器530连接的脉冲输出电路540可以简单地由电阻构成，单稳态触发器530的输出值经过该电阻转换为具有固定脉冲宽度的负的脉冲电流信号。

来自传感器微元的多个通道(即前级处理电路)的脉冲电流信号以及来自负反馈电路580的负反馈信号接入同一积分电路550。在本示例中，积分电路550由运算放大器以及电容C构成。

后级比较电路560由电压比较器构成，积分电路550输出的积分信号输入到该电压比较器的同相端，电压比较器的反相端接地。

传输控制电路570是寄存器电路，其由DQ触发器构成。后级比较电路560输出的在“0”和“1”状态之间切换的后级比较信号输入至该DQ触发器的D输入端。每次时钟信号Clock的上升沿(也可以是下降沿，或是采用上升沿下降沿都触发的方式，即DDR方式)到来时，D输入端的“0”和“1”状态信号将被输出到Q输出端。因此，Q输出端输出的数字信号为经过时钟同步的“0”和“1”组成的序列，可称为“0”“1”序列。

DQ触发器的Q输出端经由负反馈电路580连接到积分电路550的输入端。负反馈电路580包括电阻Rf。Q输出端输出的“0”“1”序列是包括高电平和低电平两种状态的电压信号。该电压信号经过电阻Rf转换为电流信号，该电流信号的方向与脉冲输出电路540输出的脉冲电流信号的方向相反，因此可以构成负反馈。

DQ触发器输出的“0”“1”序列可以连接至主处理电路590中的能量测量模块，以计算伽玛光子的能量。后级比较电路560输出的后级比较信号可以同时连接至主处理电路590中的TDC(即时间测量模块)，以计算伽玛光子的到达时间。能量测量模块的输入和TDC的输入可以共用寄存器电路的输出，或者共用后级比较电路的输出。能量测量模块以及时间测量模块可以同信号处理电路一起在专用集成电路中实现，也可以单独在外部数字电路(如FPGA)中实现。

根据本发明的实施例，可以直接对每个传感器微元进行数字化的读出操作。考虑到传感器微元的尺寸(10～100微米边长)和数目，可以采用专用集成芯片(ASIC)来实现与传感器微元对应的读出电路(即信号处理电路)，并且可以将传感器微元和读出电路集成在一个ASIC上。

可以采用下面两种方案实现光子测量前端电路中的至少部分电路。

图6示出根据本发明一个实施例的后级处理电路和主处理电路的电路示意图。图6所示的一路脉冲电流信号仅是示例，可以存在多路脉冲电流信号。如图6所示，可以将后级处理电路中的积分电路和负反馈电路的一部分采用ASIC实现，其可以与前级处理电路以及传感器微元集成在一个ASIC上。后级处理电路中的后级比较电路、传输控制电路和负反馈电路的另一部分以及主处理电路可以采用FPGA实现。这种方法非常简单。每个传感器单元可以仅使用一个运算放大器、一个电容和一个负反馈电路。在ASIC上，可以很方便的实现多个传感器单元的读出电路。在本实施例中，每个传感器单元的读出电路需要3个FPGA引脚。

图7示出根据本发明另一个实施例的后级处理电路和主处理电路的电路示意图。这种方法也比较简单。与图6所示的方法不同，在本实施例中将后级比较电路和传输控制电路也集成到了ASIC中。每个传感器单元的读出电路只需要1个FPGA引脚。与图6所示的实施例相比，在采用同样的FPGA的情况下，可以读出的传感器单元的数目增加了三倍。

可选地，在后级处理电路中，可以在积分电路前面加入预放大器，以对脉冲电流信号进行预防大，之后将经预放大的脉冲电流信号输入积分电路。

根据本发明实施例的主处理电路中的计算伽玛光子的能量及到达时间的电路可以采用简单方式实现，例如只需要简单的计数器和TDC即可。主处理电路中的事件触发逻辑简单灵活。主处理电路可以根据需要，很方便地对来自不同的传感器单元的信号进行任意的组合来触发和计算能量和时间。根据本发明实施例的光子测量前端电路的可扩展性好。一个传感器单元可以仅使用一条数字线连接至主处理电路。另外，可以采用FPGA来实现后级处理电路和主处理电路中的至少一部分电路。一个低成本低功耗的FPGA可以支持几百个传感器单元组成的阵列，因此这样的电路成本较低。主处理电路可以对每个传感器单元的能量进行单独计算，并可以实现很复杂的解码功能。

上文采用FPGA来举例说明本发明的实施方法。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。

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 (13)

1.一种光子测量前端电路，包括与一个或多个传感器微元集合一一对应的一个或多个信号处理电路以及主处理电路，所述一个或多个信号处理电路中的每一个包括与对应传感器微元集合中的一个或多个传感器微元一一对应的一个或多个前级处理电路以及后级处理电路，

所述一个或多个前级处理电路中的每一个的输入端连接对应传感器微元的输出端，所述前级处理电路用于接收来自所述对应传感器微元的初始电流信号并且当所述初始电流信号的幅值大于电流阈值时输出脉冲电流信号；

所述后级处理电路的输入端连接所述一个或多个前级处理电路中的每一个的输出端，所述后级处理电路用于对来自所述一个或多个前级处理电路中的每一个的脉冲电流信号进行处理以生成输出信号；

所述主处理电路连接所述一个或多个信号处理电路中的每一个的后级处理电路的输出端，所述主处理电路用于根据来自所述一个或多个信号处理电路中的每一个的后级处理电路的输出信号对所述一个或多个传感器微元集合所检测到的光子进行测量。

2.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述一个或多个前级处理电路中的每一个包括转换电路、前级比较电路、单稳态触发器和脉冲输出电路，其中，

所述转换电路的输入端连接所述对应传感器微元的输出端，所述转换电路用于接收所述初始电流信号并且将所述初始电流信号转换为初始电压信号；

所述前级比较电路的一个输入端连接所述转换电路的输出端并且所述前级比较电路的另一输入端接入第一参考电平，所述前级比较电路用于将所述初始电压信号与所述第一参考电平相比较，并输出前级比较信号，其中，所述第一参考电平等于参考电流信号经由所述转换电路的转换所获得的电压信号的电压值，所述参考电流信号的电流值为所述电流阈值；

所述单稳态触发器的输入端连接所述前级比较电路的输出端，所述单稳态触发器用于基于所述前级比较信号生成脉冲电压信号；

所述脉冲输出电路的输入端连接所述单稳态触发器的输出端，所述脉冲输出电路用于基于所述脉冲电压信号生成所述脉冲电流信号。

3.根据权利要求2所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述前级比较信号由高电平和低电平组成，所述前级比较电路进一步用于当所述初始电压信号的电平值高于或等于所述第一参考电平时输出高电平，当所述初始电压信号的电平值低于所述第一参考电平时输出低电平，所述单稳态触发器是基于所述前级比较信号的下降沿触发的。

4.根据权利要求2所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述前级比较信号由高电平和低电平组成，所述前级比较电路进一步用于当所述初始电压信号的电平值高于或等于所述第一参考电平时输出低电平，当所述初始电压信号的电平值低于所述第一参考电平时输出高电平，所述单稳态触发器是基于所述前级比较信号的上升沿触发的。

5.根据权利要求2所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述单稳态触发器还连接所述主处理电路，所述主处理电路进一步用于向所述单稳态触发器发出使能信号，以利用所述使能信号控制所述单稳态触发器启用或禁用。

6.根据权利要求5所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述主处理电路进一步用于利用针对所述一个或多个传感器微元集合中的待测试传感器微元的使能信号控制与所述待测试传感器微元对应的前级处理电路中的单稳态触发器启用，并根据与所述待测试传感器微元对应的输出信号测试所述待测试传感器微元的工作性能。

7.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述一个或多个传感器微元集合是按照传感器单元来划分的。

8.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述一个或多个传感器微元集合属于同一传感器单元。

9.根据权利要求1所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述后级处理电路包括积分电路、后级比较电路、传输控制电路和负反馈电路，

所述积分电路连接所述一个或多个前级处理电路中的每一个的输出端和所述负反馈电路的输出端，所述积分电路用于接收来自所述一个或多个前级处理电路中的每一个的脉冲电流信号和来自所述负反馈电路的反馈信号，对所述脉冲电流信号的总和与所述反馈信号之间的差进行积分并且输出积分信号；

所述后级比较电路的一个输入端连接所述积分电路的输出端并且所述后级比较电路的另一输入端接入第二参考电平，所述后级比较电路用于将所述积分信号与所述第二参考电平进行比较并生成后级比较信号；

所述传输控制电路的输入端连接所述后级比较电路的输出端，所述传输控制电路用于利用时钟信号控制所述后级比较信号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；

所述负反馈电路的输入端连接所述传输控制电路的输出端，所述负反馈电路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电路。

10.根据权利要求9所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述负反馈电路连接所述主处理电路，所述主处理电路进一步用于调整所述负反馈电路输出的所述反馈信号的幅值。

11.根据权利要求9所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述主处理电路连接所述一个或多个信号处理电路中的每一个的后级处理电路中的后级比较电路的输出端和/或所述一个或多个信号处理电路中的每一个的后级处理电路中的传输控制电路的输出端，所述输出信号包括所述后级比较信号和/或所述数字信号。

12.根据权利要求9所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述主处理电路包括能量测量模块、时间测量模块、暗电流测量模块和波形测量模块中的至少一个，

所述能量测量模块用于利用所述输出信号对所述一个或多个传感器微元集合所检测到的光子进行能量测量；

所述时间测量模块用于利用所述输出信号对所述一个或多个传感器微元集合所检测到的光子进行时间测量；

所述暗电流测量模块用于利用所述输出信号进行暗电流测量；

所述波形测量模块用于利用所述输出信号对所述脉冲电流信号的总和进行波形重建和波形测量。

13.根据权利要求9所述的光子测量前端电路，其特征在于，所述第二参考电平是地电平。