CN106443757B - 一种获取湮灭事件发生时间的装置及探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种获取湮灭事件发生时间的装置及探测器，装置包括：触发器、时间测量电路、求和器和用于高阀值比较的第一比较器；所述求和器，用于对光子产生的多路光电子脉冲信号进行求和，将求和的结果输入所述第一比较器的第一输入端，所述第一比较器的第二输入端连接高阀值；所述第一比较器的输出结果作为湮灭事件的甄别；该装置还包括时间甄别通路；所述时间甄别通路用于分别甄别每路光子脉冲信号对应的湮灭时间，最先甄别到湮灭时间的甄别信号和所述第一比较器的输出信号联合触发触发器；所述触发器，用于触发所述时间测量电路输出时间信息。能够更精确地获取湮灭事件发生时间，时间分辨率更高。

Description

一种获取湮灭事件发生时间的装置及探测器
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种获取湮灭事件发生时间的装置及探测器。
背景技术
正电子发射断层成像术(PET，Positron Emission Tomography)是利用正电子衰变核素类放射性药物显像的一种核物理学探测技术。通过探测正负电子湮灭(Annihilation)所产生的511keV能量的向相反方向发射的γ光子对，把湮灭事件按符合线统计投影分布而重建图像。
随后，飞行时间法(TOF，Time-Of-Flight)开始应用在PET上，它测量γ光子对到达探测器的时间差，根据光速估计出湮灭事件在符合线上的位置。
在PET系统中，探测器由晶体阵列和多个光电倍增管(如真空管或硅光半导体颗粒)构成。γ光子击中晶体而产生可见光，光电倍增管接收光子并产生光电子脉冲信号。前端电子电路读取光电子脉冲信号，获得湮灭事件的能量信息和时间信息，用于重建图像。随着技术的发展，PET系统对时间分辨特性的要求越来越高，利用现有技术的方案很难获得正负电子湮灭的准确时间。
现有PET系统中，为提高分辨率，探测器前端的晶体阵列由大量小截面晶体像素点组成，后面装有若干个光电倍增管。通过分光技术，由光导将晶体发出的光子耦合到光电倍增管的感光面上，一个晶体发光可以被探测器中多个光电倍增管检测到，如图1所示的具有光导的探测器结构图。
该晶体阵列对应四个光电倍增管，一般晶体的数量大于光电倍增管的数量，如图1所示一个光电倍增管对应多个晶体，其中A、B、C和D是四个光电倍增管对应的四部分晶体。晶体产生的可见光通过光导耦合到光电倍增管上。
对探测器上的每个光电倍增管输出的光电子脉冲积分，读取该光电倍增管输出的能量信息，通过重心法可以确定发光晶体像素点的位置。对多个光电倍增管输出的光电子脉冲求和后用时间甄别器进行时间甄别，可以测量出湮灭事件发生的时间信息。
现有技术中无法精确获取湮灭事件发生时间，对于时间的分辨性较差，从而影响PET成像的效果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的以上技术问题，本发明提供一种获取湮灭事件发生时间的装置及探测器，能够更精确地获取湮灭事件发生时间，时间分辨率更高。
本发明提供一种获取湮灭事件发生时间的装置，包括：触发器、时间测量电路、求和器和用于高阀值比较的第一比较器；
所述求和器，用于对光子产生的多路光电子脉冲信号进行求和，将求和的结果输入所述第一比较器的第一输入端，所述第一比较器的第二输入端连接高阀值；所述第一比较器的输出结果作为湮灭事件的甄别；
该装置还包括时间甄别通路；所述时间甄别通路用于分别甄别每路光子脉冲信号对应的湮灭时间，最先甄别到湮灭时间的甄别信号和所述第一比较器的输出信号联合触发触发器；
所述触发器，用于触发所述时间测量电路输出时间信息。
优选地，所述多路光电子脉冲信号包括至少四路光电子脉冲信号。
优选地，所述时间甄别通路包括：或门、延迟器和以下至少四个用于低阀值比较的：第二比较器、第三比较器、第四比较器和第五比较器；
所述四路光电子脉冲信号分别输入所述第二比较器、第三比较器、第四比较器和第五比较器的第一输入端，所述第二比较器、第三比较器、第四比较器和第五比较器的第二输入端连接低阀值；
所述第二比较器、第三比较器、第四比较器和第五比较器的输出端分别连接所述或门的四个输入端；
所述或门的输出端连接所述延迟器的输入端；
所述第一比较器的输出端和所述延迟器的输出端均连接所述触发器。
优选地，所述时间甄别通路包括：或门和以下至少四个用于低阀值比较的：第一恒比甄别器、第二恒比甄别器、第三恒比甄别器和第四恒比甄别器；
所述四路光电子脉冲信号分别输入所述第一恒比甄别器、第二恒比甄别器、第三恒比甄别器和第四恒比甄别器的输入端；
第一恒比甄别器、第二恒比甄别器、第三恒比甄别器和第四恒比甄别器的输出端分别连接所述或门的四个输入端；
所述或门的输出端和所述第一比较器的输出端均连接所述触发器。
优选地，所述触发器为D触发器。
优选地，所述第一比较器的输出端连接所述D触发器的D端，所述或门的输出端连接所述D触发器的时钟端。
优选地，所述时间测量电路为时间数字转换器。
本发明实施例还提供一种探测器，包括所述的获取湮灭事件发生时间的装置。
优选地，还包括能量测量电路，用于获取光电子脉冲信号的能量信息，通过重心法获得发光晶体像素点的位置。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
对于每路光电子脉冲信号单独设置了时间甄别通路，由于光子到达离发光晶体最近的光电倍增管的传播路径最短，最直接，所以其分光获得的光子数最多，输出的光电子脉冲信号幅度最大，传播时延最小，最先超过低阀值，这样可以最先获得湮灭时间，从而与第一比较器输出的结果联合触发触发器，从而使时间测量电路输出时间信息。这样获得的湮灭事件发生时间更准确，以避免多路光电子脉冲信号求和后再获得的湮灭时间的不准确。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为具有光导的探测器结构图；
图2为现有技术提供的前沿甄别器示意图；
图3为时间分散示意图之一；
图4为时间分散示意图之二；
图5为时间分散示意图之三；
图6为本发明提供的获取湮灭事件发生时间的装置实施例一示意图；
图7为本发明提供的获取湮灭事件发生时间的装置实施例二示意图；
图8为本发明提供的获取湮灭事件发生时间的装置实施例三示意图；
图9a为现有技术中的求和后的半高宽波形图；
图9b为本发明中的求和后的半高宽波形图。
具体实施方式
已有的时间甄别器(LED，leading-edge timing discriminator)，即前沿甄别器，其原理框图如图2所示。
将探测器的多路光电子脉冲信号利用求和器100进行求和后，分成两路信号。一路信号输入第一比较器200的第一输入端，第一比较器200的第二输入端连接高阀值，利用该高阀值滤除低能和噪声。当光电子脉冲信号超过高阀值时，第一比较器200输出跳变，并输入触发器500。而另一路信号输入第二比较器300的第一输入端，第二比较器300的第二输入端连接低阀值，该低阀值用于光电子脉冲前沿时刻的甄别。当光电子脉冲信号超过低阀值时，第二比较器300输出跳变，再经过延迟器400延时处理后输入触发器500，同时使触发器500输出定时脉冲，时间测量单元600对定时脉冲进行测量可以获得湮灭事件发生的时间信息。因为光电子脉冲信号在时间上会先超过低阀值，滞后一段时间再超过高阀值，所以需要将高阀值通道的第一比较器200输出的事件甄别脉冲直接输入到触发器500，而将低阀值通道的第二比较器300输出的脉冲经过延时一段时间后，再输入到触发器500。
但是，一个晶体发光可以被探测器中多个光电倍增管检测到。再对多个光电倍增管输出的光电子脉冲求和后用时间甄别器进行时间甄别。当一个晶体发光时，光子会在光导中发生多次的折射与反射，最终到达探测器上的多个光电倍增管的感光面。光子到达离发光晶体最近的光电倍增管的传播路径最短，最直接，该光电倍增管输出的光电子脉冲的时间分散最小，表征的时间信息最精确，如图3所示。光子到达离发光晶体最远的光电倍增管的传播路径最长，最复杂，该光电倍增管输出的光电子脉冲的时间分散最大，表征的时间信息最不精确，如图4所示。对多个光电倍增管输出的光电子脉冲求和，只能得到多个光电子脉冲的时间分散叠加，如图5所示，所以采用分光技术并通过求和测量时间的系统中存在的缺点是时间分辨特性较差。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图6，该图为本发明提供的获取湮灭事件发生时间的装置实施例一示意图。
本实施例提供的获取湮灭事件发生时间的装置，包括：求和器100、用于高阀值比较的第一比较器200、触发器500和时间测量电路600；
所述求和器100，用于对光子产生的多路光电子脉冲信号进行求和，将求和的结果输入所述第一比较器200的第一输入端，所述第一比较器200的第二输入端连接高阀值；所述第一比较器200的输出结果作为湮灭事件的甄别；
需要说明的是，高阀值为预先设定的参考电压值，用于滤除低能和噪声。由于求和器100输出的信号存在上升沿，因此，当上升沿的电压超过高阀值时，第一比较器200的输出才翻转。
可以理解的是，求和器一般对多路光子脉冲信号进行求和，即，例如可以对两路、三路、四路或六路等。具体的路数本实施例中不做具体限定，可以根据实际需要来选择。当通过重心法确定发光晶体像素点的位置时，优选四路或六路光电子脉冲信号，以下实施例中以四路光电子脉冲信号为例进行介绍。
该装置还包括时间甄别通路700；所述时间甄别通路700用于分别甄别每路光子脉冲信号对应的湮灭时间，最先甄别到湮灭时间的甄别信号和所述第一比较器200的输出信号联合触发触发器500；
所述触发器500，用于触发所述时间测量电路600输出时间信息。
需要说明的是，本实施例提供的获取湮灭事件发生时间的装置，对于每路光电子脉冲信号单独进行湮灭时间的甄别，由于光子到达离发光晶体最近的光电倍增管的传播路径最短，最直接，所以其分光获得的光子数最多，输出的光电子脉冲信号幅度最大，传播时延最小，最先超过低阀值，低阀值是预先设定的参考电压值，低阀值小于高阀值。这样可以最先获得湮灭时间，从而与第一比较器200输出的结果联合触发触发器500，从而使时间测量电路输出时间信息。这样获得的湮灭事件发生时间更准确，以避免多路光电子脉冲信号求和后再获得的湮灭时间的不准确。
参见图7，该图为本发明提供的获取湮灭事件发生时间的装置实施例二示意图。
本实施例提供的装置中的时间甄别通路通过比较器、或门和延迟器来实现，下面结合附图进行详细介绍。
所述时间甄别通路包括：以下至少四个用于低阀值比较的：第二比较器701、第三比较器702、第四比较器703和第五比较器704；还包括：或门705和延迟器400；
所述四路光电子脉冲信号分别输入所述第二比较器701、第三比较器702、第四比较器703和第五比较器704的第一输入端，所述第二比较器701、第三比较器702、第四比较器703和第五比较器704的第二输入端连接低阀值；
所述第二比较器701、第三比较器702、第四比较器703和第五比较器704的输出端分别连接所述或门705的四个输入端；
所述或门705的输出端连接所述延迟器400的输入端；
所述第一比较器200的输出端和所述延迟器400的输出端均连接所述触发器500。
可以看出，四个光电倍增管对应四个比较器，可以理解的是，也可以是六个光电倍增管，相应地对应六个比较器。本发明实施例中不限定光电倍增管的具体个数，因此，也不限定对应的比较器的个数。
根据或门705的逻辑可以知，只要有一个比较器输出高电平，则或门705输出高电平。
将光电倍增管A输出的光电子脉冲信号输入到第二比较器701；光电倍增管B输出的光电子脉冲信号输入到第三比较器702；光电倍增管C输出的光电子脉冲信号输入到第四比较器703；光电倍增管D输出的光电子脉冲信号输入到第五比较器704。所述第二比较器701、第三比较器702、第四比较器703和第五比较器704分别对A、B、C、D四个光电倍增管输出的光电子脉冲信号作低阀值甄别。
因为光子到达离发光晶体最近的光电倍增管的传播路径最短，最直接，所以其分光获得的光子数最多，输出的光电子脉冲信号幅度最大，传播时延最小，最先超过低阀值。当某个光电倍增管输出的光电子脉冲信号最先超过低阀值时，对应的比较器最先跳变，并输出时间甄别脉冲。四个比较器输出再连接到或门705作竞争触发，最先跳变的比较器输出的时间甄别脉冲将触发或门705，并输出竞争触发脉冲。以此种方式实现最先到达的光电子脉冲信号前沿时刻的甄别。
因为光电倍增管输出的光电子脉冲信号在时间上会先超过低门限，滞后一段时间再超过高门限，所以需要将高阀值通道的第一比较器200输出的事件甄别脉冲直接输入到触发器500，而将由或门705输出的竞争触发脉冲经过延迟器400延时一段时间后，再输入到触发器500。
当两路脉冲同为有效状态时，触发器500输出湮灭事件的定时脉冲，时间测量单元600通过测量定时脉冲获得离发光晶体最近的光电倍增管输出的光电子脉冲携带的时间信息。
需要说明的是，所述触发器500可以为D触发器。
所述第一比较器200的输出端连接所述D触发器500的D端，所述延迟器400的输出端连接所述D触发器500的时钟端。
另外，所述时间测量电路600可以为时间数字转换器。
图7所示的实施例中的时间甄别通路通过比较器、或门和延迟器来实现，下面介绍时间甄别通路通过恒比甄别器、或门来实现的实施例。
参见图8，该图为本发明提供的获取湮灭事件发生时间的装置实施例三示意图。
本实施例提供的时间甄别通路包括：或门705和以下至少四个用于低阀值比较的：第一恒比甄别器801、第二恒比甄别器802、第三恒比甄别器803和第四恒比甄别器804；
所述四路光电子脉冲信号分别输入所述第一恒比甄别器801、第二恒比甄别器802、第三恒比甄别器803和第四恒比甄别器804的输入端；
第一恒比甄别器801、第二恒比甄别器802、第三恒比甄别器803和第四恒比甄别器804分别连接所述或门705的四个输入端；
所述或门705的输出端和所述第一比较器200的输出端均连接所述触发器500。
所述触发器500为D触发器。
所述第一比较器200的输出端连接所述D触发器的D端，所述或门705的输出端连接所述D触发器的时钟端。
所述时间测量电路600为时间数字转换器。
将光电倍增管A输出的光电子脉冲信号输入到第一恒比甄别器801；光电倍增管B输出的光电子脉冲信号输入到第二恒比甄别器802；光电倍增管C输出的光电子脉冲信号输入到第三恒比甄别器803；光电倍增管D输出的光电子脉冲信号输入到第四恒比甄别器804，分别对A、B、C、D四个光电倍增管输出的光电子脉冲信号作恒比甄别。
因为光子到达离发光晶体最近的光电倍增管的传播路径最短，最直接，所以其分光获得的光子数最多，输出的光电子脉冲信号幅度最大，传播时延最小，最先达到恒比值。
当某个光电倍增管输出的光电子脉冲信号最先超过恒比值时，对应的恒比甄别器输出最先跳变，并输出时间甄别脉冲。四个恒比甄别器的输出再连接到或门705作竞争触发，最先跳变的恒比甄别器输出的时间甄别脉冲将触发或门，并输出竞争触发脉冲。以此种方式实现最先到达的光电子脉冲信号前沿时刻的甄别。
因为光电倍增管输出的光电子脉冲信号在时间上会先超过恒比值，滞后一段时间再超过高门限，所以需要将高阀值通道比较器输出的甄别脉冲直接输入到触发器500，而恒比甄别器内部自带的延迟器将脉冲延时一段时间后，再输入或门705。当或门705和第一比较器200输出的两路脉冲同为有效状态时，触发器500输出湮灭事件的定时脉冲，时间测量单元600通过测量定时脉冲获得离发光晶体最近的光电倍增管输出的光电子脉冲携带的时间信息。
恒比甄别器可以对一路光电子脉冲信号进行衰减和倒相处理，而对另一路光电子脉冲信号进行延迟处理，再将经处理后的两路信号相加，对相加后的信号过零触发，输出定时脉冲。
为了更充分体现本发明以上实施例提供的装置比现有技术中的装置获取的时间更准确，下面结合波形图进行详细的介绍，具体可以参见图9a和图9b，其中图9a为现有技术中的求和后的半高宽波形图，图9b为本发明中的求和后的半高宽波形图。
参见图9a，在采用分光技术的PET系统中，已有技术均是对求和后的光电子脉冲信号作时间甄别，测量湮灭事件的时间信息，获取的是多个光电倍增管输出的光电子脉冲求和后时间分散叠加，求和后的时间分辨特性以半高宽(FWHM，Full Width At HalfMaximum)表示的曲线如图9a所示。其半高宽变宽，所以采用分光技术并通过求和测量时间的系统中存在的缺点是时间分辨特性较差。
参见图9b，本发明采用多路竞争触发的技术，直接获得光子到达离发光晶体最近的光电倍增管的时间信息。因为光子到达离发光晶体最近的光电倍增管的传播路径最短，最直接，所以该光电倍增管输出的光电子脉冲的时间分散最小，表征的时间信息最精确。时间分辨特性以半高宽FWHM表示的曲线如图9b所示。与采用对求和后的光电子脉冲信号作时间甄别的现有技术相比，其半高宽较窄，所以时间分辨特性好。
由此看出，本发明的多路竞争触发技术的优点是，时间分辨特性好，而且电路简单，功耗低，无需采用专用集成电路，且成本低，非常适合在PET系统中应用。
基于以上实施例提供的获取湮灭事件发生时间的装置，本发明还提供一种探测器，该探测器包括以上实施例提供的装置，还包括能量测量电路，用于获取多路光电子脉冲信号的能量信息，通过重心法获得发光晶体像素点的位置，该探测器可以更精确地获取湮灭事件发生时间，从而进行有效地成像。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种获取湮灭事件发生时间的装置，其特征在于，包括：触发器、时间测量电路、求和器和用于高阈值比较的第一比较器；
所述求和器，用于对光子产生的多路光电子脉冲信号进行求和，将求和的结果输入所述第一比较器的第一输入端，所述第一比较器的第二输入端连接高阈值；所述第一比较器的输出结果用于甄别湮灭事件；
该装置还包括时间甄别通路；所述时间甄别通路用于分别甄别每路光子脉冲信号对应的湮灭时间，最先甄别到湮灭时间的甄别信号和所述第一比较器的输出信号联合触发触发器；
所述触发器，用于触发所述时间测量电路输出时间信息。
2.根据权利要求1所述的获取湮灭事件发生时间的装置，其特征在于，所述多路光电子脉冲信号包括至少四路光电子脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的获取湮灭事件发生时间的装置，其特征在于，所述时间甄别通路包括：或门、延迟器和以下至少四个用于低阈值比较的：第二比较器、第三比较器、第四比较器和第五比较器；
所述四路光电子脉冲信号分别输入所述第二比较器、第三比较器、第四比较器和第五比较器的第一输入端，所述第二比较器、第三比较器、第四比较器和第五比较器的第二输入端连接低阈值；
所述第二比较器、第三比较器、第四比较器和第五比较器的输出端分别连接所述或门的四个输入端；
所述或门的输出端连接所述延迟器的输入端；
所述第一比较器的输出端和所述延迟器的输出端均连接所述触发器。
4.根据权利要求2所述的获取湮灭事件发生时间的装置，其特征在于，所述时间甄别通路包括：或门和以下至少四个用于低阈值比较的：第一恒比甄别器、第二恒比甄别器、第三恒比甄别器和第四恒比甄别器；
所述四路光电子脉冲信号分别输入所述第一恒比甄别器、第二恒比甄别器、第三恒比甄别器和第四恒比甄别器的输入端；
第一恒比甄别器、第二恒比甄别器、第三恒比甄别器和第四恒比甄别器的输出端分别连接所述或门的四个输入端；
所述或门的输出端和所述第一比较器的输出端均连接所述触发器。
5.根据权利要求3或4所述的获取湮灭事件发生时间的装置，其特征在于，所述触发器为D触发器。
6.根据权利要求5所述的获取湮灭事件发生时间的装置，其特征在于，所述第一比较器的输出端连接所述D触发器的D端，所述或门的输出端连接所述D触发器的时钟端。
7.根据权利要求1-4任一项所述的获取湮灭事件发生时间的装置，其特征在于，所述时间测量电路为时间数字转换器。
8.一种探测器，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的获取湮灭事件发生时间的装置。
9.根据权利要求8所述的探测器，其特征在于，还包括能量测量电路，用于获取光电子脉冲信号的能量信息，通过重心法获得发光晶体像素点的位置。
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