CN111190214B - 一种pet探测器的读出电路及探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种PET探测器的读出电路及探测器，读出电路包括：SiPM阵列、成形电容Cs、射频放大器和缓冲放大电路；其中，SiPM阵列中各SiPM相同端短路连接后输出的第一信号经过成形电容Cs与射频放大器的输入端连接；所述射频放大器对第一信号进行放大后，输入缓冲放大电路的第一输入端，所述缓冲放大电路用于将放大后的信号按照时间甄别的条件进行缓冲、放大处理后输出供单个电子学通道读出的脉冲信号。上述读出电路能够提高SiPM阵列输出信号的信噪比，同时减少用于时间甄别的电子学通道数目，降低探测器成本。

Description

一种PET探测器的读出电路及探测器
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种PET探测器的读出电路及探测器。
背景技术
正电子发射断层成像系统(PET)的探测器由闪烁晶体和光电转换器件组成。传统的光电转换器件主要是光电倍增管。光电倍增管是一种玻璃真空管，体积较大，因此不易于与电路板进行集成。新一代的PET系统已广泛采用硅光电倍增管(SiPM)代替传统的光电倍增管(PMT)做为光电转换器件。硅光电倍增管(SiPM)是工作在盖革模式下的雪崩二极管阵列，与传统的光电倍增管相比，在较低的工作电压下，就可以获得较大的增益，其采用标准的半导体制造工艺和封装工艺，决定了SiPM易于与电子学系统集成，同时对磁场不敏感，可以在强磁场环境下正常使用。
采用SiPM作为光电转换器件的γ射线探测器，由于硅光电倍增管单元面积小于传统的光电倍增管,需要将SiPM单元贴装成阵列，再与闪烁晶体阵列耦合，达到PET探测器对灵敏区面积的需求。当γ射线入射到闪烁晶体内，产生的光子经SiPM转化为电信号。但如果阵列中的每个SiPM芯片采用单独的放大器读出，需要与SiPM数量相当的读出通道，电子学系统十分复杂，功率巨大，会大幅度增加PET设备的成本。如果能将SiPM阵列输出的信号并联后放大读出，可以大规模减小输出通道数量，降低成本。然而，大量信号并联过程中SiPM的暗噪声也成倍的增加了，这些噪声降低了时间信号的信噪比，定时分辨率大幅度下降。因此在信号叠加中提高信噪比，降低暗噪声影响，既采用尽量少的电子学通道完成时间甄别，同时又提高了SiPM阵列的定时分辨率，对提高PET系统性能，起到重要作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种PET探测器的读出电路及探测器，该读出电路能够提高SiPM阵列输出信号的信噪比，同时减少用于时间甄别的电子学通道数目，降低探测器成本。
为了达到上述的目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明提供一种PET探测器的读出电路，包括：
SiPM阵列、成形电容Cs、射频放大器和缓冲放大电路；
其中，SiPM阵列中各SiPM相同端短路连接后输出的第一信号经过成形电容Cs与所述射频放大器的输入端连接；
所述射频放大器对第一信号进行放大后，输入缓冲放大电路的第一输入端，所述缓冲放大电路用于将放大后的信号按照时间甄别的条件进行缓冲、放大处理后输出供单个电子学通道读出的脉冲信号。
可选地，所述SiPM阵列包括：SiPM阵列本体和与该SiPM阵列本体连接的去耦电路。
可选地，所述SiPM阵列中各SiPM的阳极端短路连接后输出的第一信号为阳极信号，所述缓冲放大电路的第一输入端为反向输入端。
可选地，所述SiPM阵列中各SiPM的阴极端短路连接后输出的第一信号为阴极信号，所述缓冲放大电路的第一输入端为正向输入端。
可选地，所述SiPM阵列为多组，每一组SiPM阵列对应一个成形电容Cs和一个射频放大器；
其中，所有射频放大器的输出信号进行加和处理后输入一个缓冲放大电路中。
可选地，所述射频放大器包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、三个接地电阻；
所述第一三极管Q1的基极作为所述射频放大器的输入端，且基极通过第一个接地电阻接地，
所述第一三极管Q1的发射极与所述第二三极管Q2的基极连接，并通过第二个接地电阻接地；
所述第一三极管Q1的集电极和第二三极管Q2的集电极连接作为所述射频放大器的输出端；
所述第二三极管Q2的发射极Q2通过第三个接地电路接地。
可选地，所述所述第一三极管Q1的集电极和第二三极管Q2的集电极还连接用于直流电输入的接口；
和/或，所述所述射频放大器的输入端和输出端之间串联一第一电阻R1；
和/或，第一三极管和第二三极管均为NPN型三极管。
可选地，所述三个接地电阻可以相同也可以不相同，且所述成形电容Cs和第一个接地电阻组成用于对第一信号进行滤波的高通滤波器。
可选地，所述缓冲放大电路包括：运算放大器、第一反馈电阻Rf、串联电容C1和第二电阻R2；
所述射频放大器的输出端的放大信号依次经过串联电容C1和第二电阻R2后输入到所述运算放大器的第一输入端，通过运算放大器的输出端输出；
所述运算放大器的另一输入端经由接地电阻接地，所述运算放大器的输出端作为所述缓冲放大电路的输出端；
所述第一反馈电阻的第一端与所述运算放大器的反向输入端连接，第二端与运算放大器的输出端连接。
第二方面，本发明实施例提供一种用于PET系统的探测器，包括：一个用于读出SiPM阵列中每一个SiPM输出的时间信号的电子学通道和上述第一方面任一所述的读出电路，所述读出电路中缓冲放大电路的输出端与所述电子学通道连接。
本发明的有益效果是：
本发明中将一组SiPM信号短路输出的方法，减少了放大器数量，同时利用成形电容抑制了SiPM信号叠加后暗计数引起的基线抖动对时间性能的影响，进而可实现M*N的SiPM阵列的时间信号只需要单电子学通道的时间甄别电路就可以处理，得到时间信息。同时，可以提高SiPM阵列输出时间信号的信噪比，较好的降低了电子学通道的数量，降低了探测器的成本。
此外，本发明中的成形电容Cs可以提高时间信号的信噪比，降低多SiPM信号的电子噪声，暗噪声的影响，从而提供更好的定时分辨率。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的PET探测器的读出电路的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的PET探测器的读出电路的结构示意图；
图3为本发明再一实施例提供的PET探测器的读出电路的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
当前，硅光电倍增管(SiPM)工作电压低，易于集成的特点，其正代替光电倍增管(PMT)应用在PET系统中。而具有飞行时间功能的PET系统其时间信息的准确程度直接影响了图像的信噪比，因此提高PET系统中探测器的定时分辨率对提高PET系统的性能起到决定性作用。但由于成本和集成度限制，很难实现对SiPM阵列中每个SiPM的输出信号1比1放大读出。为了使应用SiPM阵列的PET设备更好地迈向产业化和市场化，本发明提供一种读出电路，该读出电路将多个SiPM阵列的输出信号直接短路连接进而进行放大，并通过调整成形电容容值，提高放大电路的信噪比。该读出电路可以在减少SiPM阵列放大电路的电子学通道数量的同时，降低SiPM暗噪声对信号的影响，提高时间信号信噪比，优化PET系统的定时性能，同时也降低了电子学通道读出的成本。
如图1所示，图1中示出的是SiPM阵列中各SiPM的阳极端短路连接后输出的第一信号的示意图。本实施例的读出电路包括：各SiPM的阳极端短路连接的SiPM阵列，成形电容Cs，射频放大器和缓冲放大电路。
其中，4*4结构的SiPM阵列的各SiPM输出的阳极信号短路连接经过成形电容Cs进入射频放大器输入端(如图1中虚线框所示)。
射频放大器放大后的信号进入缓冲放大电路的反向输入端，得到缓冲放大电路输出的正脉冲信号。
在图1中，成形电容Cs和射频放大器的第一个接地电阻Rg1构成高通滤波器，高通滤波器的滤波频率由成形电容Cs的电容值和射频放大器中接地电阻Rg1的阻值决定。通常情况下，接地电阻Rg1为固定值，通过调整成形电容Cs的大小，可以调整滤波频率，提高射频放大器输出信号的信噪比。
在图1中示出的射频放大器可包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、三个接地电阻Rg；其中，第一三极管Q1的基极作为射频放大器的输入端，且基极通过第一个接地电阻Rg1接地，第一三极管Q1的发射极与第二三极管Q2的基极连接，并通过第二个接地电阻Rg2接地；第一三极管Q1的集电极和第二三极管Q2的集电极连接作为射频放大器的输出端。
第二三极管Q2的发射极通过第三个接地电路Rg3接地。
本实施例中，第一三极管Q1的集电极和第二三极管Q2的集电极还连接用于直流电输入的接口(如图1中的DC-IN端)；
此外，在图1中示出的射频放大器的输入端和输出端之间串联一第一电阻R1；本实施例的第一三极管和第二三极管均为NPN型三极管。
需要说明的是，上述图1中三个接地电阻的阻值可以不相同，且成形电容Cs和第一个接地电阻组成用于对第一信号进行滤波的高通滤波器。在实际应用中，可以设置三个接地电阻的阻值相同，本实施例不对其限定，根据实际需要设置。
另外，图1中示出的缓冲放大电路可包括：运算放大器、第一反馈电阻Rf、串联电容C1和第二电阻R2；此时，射频放大器的输出端的放大信号依次经过串联电容C1和第二电阻R2后输入到运算放大器的反向输入端，通过运算放大器的输出端输出；
运算放大器的正向输入端经由接地电阻Rg接地，运算放大器的输出端作为所述缓冲放大电路的输出端，如图1中的V-OUT；
第一反馈电阻Rf的第一端与运算放大器的反向输入端连接，第二端与运算放大器的输出端连接。
进一步地，在图1中示出的SiPM阵列可包括SiPM阵列本体和与该SiPM阵列本体连接的去耦电路，图1中的去耦电路可包括：第三电阻R3和第二电容C2；其中，SiPM阵列本体的阴极端短路连接后经过第三电阻R3连接正偏压，以及经过第二电容C2接地。在图1中的“Bias(positive)”表示正偏压。
本实施例中将一组SiPM信号短路输出的方法，减少了放大器数量，同时利用成形电容抑制了SiPM信号叠加后暗计数引起的基线抖动对时间性能的影响，进而可实现M*N的SiPM阵列的时间信号只需要单电子学通道的时间甄别电路就可以处理，得到时间信息。
此外，本实施例中还可以提高SiPM阵列输出时间信号的信噪比，较好的降低了电子学通道的数量，降低了探测器的成本。
如图2所示，图2示出了描述了SiPM阵列中各SiPM的阴极端短路连接后输出的第一信号的示意图。
在本实施例中，4*4结构的SiPM阵列中各SiPM输出的阴极信号短路连接后经过成形电容Cs后进入射频放大器输入端，射频放大器放大后的信号进入缓冲放大电路的正向输入端，得到正脉冲信号。
在图2中示出的射频放大器可包括：第三三极管Q3、第四三极管Q4、三个接地电阻Rg；其中，第三三极管Q3的基极作为射频放大器的输入端，且基极通过第一个接地电阻接地，第三三极管Q3的发射极与第四三极管Q4的基极连接，并通过第二个接地电阻接地；第三三极管Q3的集电极和第四三极管Q4的集电极连接作为射频放大器的输出端。
第四三极管Q4的发射极通过第三个接地电阻接地。在图2中第一接地电阻、第二接地电阻和第三接地电阻均为Rg.
本实施例中，第三三极管Q3的集电极和第四三极管Q4的集电极还连接用于直流电输入的接口(如图2中的DC-IN端)；
此外，在图2中示出的射频放大器的输入端和输出端之间串联一第一电阻R1；本实施例的第三三极管和第四三极管均为NPN型三极管。
另外，图2中示出的缓冲放大电路可包括：运算放大器、第一反馈电阻Rf、串联电容C1和第二电阻R2；此时，射频放大器的输出端的放大信号依次经过串联电容C1和第二电阻R2后输入到运算放大器的正向输入端，通过运算放大器的输出端输出；
运算放大器的反向输入端经由接地电阻Rg接地，运算放大器的输出端作为所述缓冲放大电路的输出端，如图2中的V-OUT；
第一反馈电阻Rf的第一端与运算放大器的反向输入端连接，第二端与运算放大器的输出端连接。
本实施例中利用成形电容和射频放大器的接地电阻，起到高通滤波器的作用，根据叠加噪声的频率选择合适的成形电容，可以提高硅光电倍增管阵列输出时间信号的信噪比，优化系统的定时能力，同时减少了用于时间甄别的通道数目，降低了电子学成本。
如图3所示，一个8*8的SiPM阵列，如果直接将64个SiPM的输出信号直接短路输出，由于电容和噪声叠加，输出信号信噪比下降，导致定时分辨率下降。因此将8*8阵列分为4组，每组16个SiPM的信号短路输出，进入成形电容，经过成形电容进入射频放大器A1输入端，放大后的信号进入缓冲放大电路，在缓冲放大电路实现4组信号的加和，因此通过2级放大电路，64个SiPM信号只采用1个时间甄别电路甄别，大大减小电子学通道数量，同时通过成形电容和接地电阻，提高了时间信号的信噪比，保证了较高的定时分辨率。
也就是说，在本实施例中，SiPM阵列为多组，每一组SiPM阵列对应一个成形电容Cs和一个射频放大器；其中，所有射频放大器的输出信号进行加和处理后输入一个缓冲放大电路中。射频放大器可以是图1或图2中的结构，本实施例不对其限定，根据实际需要选择。
根据本发明实施例的另一方面，本发明实施例提供一种用于PET系统的探测器，包括：一个用于读出SiPM阵列中每一个SiPM输出的时间信号的电子学通道和上述任意实施例的读出电路，所述读出电路中缓冲放大电路的输出端与所述电子学通道连接。
以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种PET探测器的读出电路，其特征在于，包括：
SiPM阵列、成形电容(Cs)、射频放大器和缓冲放大电路；
其中，SiPM阵列中各SiPM相同端短路连接后输出的第一信号经过成形电容(Cs)与所述射频放大器的输入端连接；
所述射频放大器对第一信号进行放大后，输入缓冲放大电路的第一输入端，所述缓冲放大电路用于将放大后的信号按照时间甄别的条件进行缓冲、放大处理后输出供单个电子学通道读出的脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述SiPM阵列包括：SiPM阵列本体和与该SiPM阵列本体连接的去耦电路。
3.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述SiPM阵列中各SiPM的阳极端短路连接后输出的第一信号为阳极信号，所述缓冲放大电路的第一输入端为反向输入端。
4.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述SiPM阵列中各SiPM的阴极端短路连接后输出的第一信号为阴极信号，所述缓冲放大电路的第一输入端为正向输入端。
5.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述SiPM阵列为多组，每一组SiPM阵列对应一个成形电容(Cs)和一个射频放大器；
其中，所有射频放大器的输出信号进行加和处理后输入一个缓冲放大电路中。
6.根据权利要求1至5任一所述的读出电路，其特征在于，所述射频放大器包括：第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、三个接地电阻；
所述第一三极管(Q1)的基极作为所述射频放大器的输入端，且基极通过第一个接地电阻接地，
所述第一三极管(Q1)的发射极与所述第二三极管(Q2)的基极连接，并通过第二个接地电阻接地；
所述第一三极管(Q1)的集电极和第二三极管(Q2)的集电极连接作为所述射频放大器的输出端；
所述第二三极管(Q2)的发射极(Q2)通过第三个接地电路接地。
7.根据权利要求6所述的读出电路，其特征在于，所述第一三极管(Q1)的集电极和第二三极管(Q2)的集电极还连接用于直流电输入的接口；
和/或，所述射频放大器的输入端和输出端之间串联一第一电阻(R1)；
和/或，第一三极管和第二三极管均为NPN型三极管。
8.根据权利要求6所述的读出电路，其特征在于，所述三个接地电阻不相同，且所述成形电容(Cs)和第一个接地电阻组成用于对第一信号进行滤波的高通滤波器。
9.根据权利要求1至8任一所述的读出电路，其特征在于，所述缓冲放大电路包括：运算放大器、第一反馈电阻(Rf)、串联电容(C1)和第二电阻(R2)；
所述射频放大器的输出端的放大信号依次经过串联电容(C1)和第二电阻(R2)后输入到所述运算放大器的第一输入端，通过运算放大器的输出端输出；
所述运算放大器的另一输入端经由接地电阻接地，所述运算放大器的输出端作为所述缓冲放大电路的输出端；
所述第一反馈电阻的第一端与所述运算放大器的反向输入端连接，第二端与运算放大器的输出端连接。
10.一种用于PET系统的探测器，包括：一个用于读出SiPM阵列中每一个SiPM输出的时间信号的电子学通道，其特征在于，还包括上述权利要求1至9任一所述的读出电路，所述读出电路中缓冲放大电路的输出端与所述电子学通道连接。
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