CN111221027A - 用于tof-pet前沿甄别减少时间游走的电路和方法 - Google Patents

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严晗
余李
王武斌
李兴
黄振强
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    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2985—In depth localisation, e.g. using positron emitters; Tomographic imaging (longitudinal and transverse section imaging; apparatus for radiation diagnosis sequentially in different planes, steroscopic radiation diagnosis)

Abstract

本发明提供了一种用于TOF‑PET前沿甄别时间测量中减少时间游走的电路和方法，涉及TOF‑PET系统信号处理技术领域，电路包括运算放大器，SiPM快信号输入运算放大器的同相输入端，运算放大器的输出端连接有高通滤波器。方法包括对SiPM快信号进行放大，并对放大后的信号进行高通滤波，交流耦合至下一级。本发明通过优化电路，将SiPM快信号进行高通滤波，将信号的低频部分进行滤除，使其信号的上升沿斜率更高，以此减少前沿甄别中，快信号幅度变化带来的时间游走的影响。同时在保证时间精度的前提下，快信号合并的通道数可以更多，从而减少系统总的后端时间测量电路的通道数，简化电路及后端处理，从而节约成本。

Description

用于TOF-PET前沿甄别减少时间游走的电路和方法
技术领域
本发明涉及一种用于TOF-PET前沿甄别时间测量中减少时间游走的电路和方法，属于TOF-PET系统信号处理技术领域。
背景技术
TOF-PET(Time-Of-Flight Positron Emission Tomography)系统是带飞行时间测量的正电子发射计算机断层扫描成像设备，主要由探测器、电子学、数据采集和图像重建组成。其中探测器系统由闪烁体(BGO、LYSO等)，光电转换器件(PMT、SiPM等)和前端读出电子学组成。此系统主要是通过采集判选注入活体的放射性示踪剂产生的一对γ光子来实现对癌症细胞或者目标细胞的扫描成像。对于PET系统来说，有很多参数都会影响其性能，时间分辨率就是其中的重要影响参数之一。
PET系统的时间分辨率，是指一对γ光子到达两个探测器的时间的测量的准确度。如果时间分辨率过低，通过飞行时间计算的γ光子发生的空间位置分辨率就会变差，如图1所示，如果飞行时间分辨率差，即其统计分布宽，将会导致在计算γ光子发生的空间位置的分布也宽，使得位置计算不够精确，空间分辨率差，参考公式1，成像效果也受影响。而信号幅度变化引起的time walk(时间游走)会对系统时间分辨率有很大的恶化作用，所以需要尽量减少time walk。
空间位置分辨率＝时间正太分布σ*2.354*C(C为光速) (1)
Time walk是前沿甄别时间测量中经常出现的影响时间分辨率的一个因素，具体如图2所示。在前沿甄别时间测量中，由于信号存在噪声，所以比较器的阈值也不能设置得非常低，要设置高于噪声，否则容易被噪声误触发。而SiPM输出的快信号形状和带宽固定(上升沿时长固定)，但由于很多因素(散射、串扰、事例堆积等)会使得SiPM快信号输出幅度不一致，当信号幅度不一致时，信号过阈时间点会出现偏差，此偏差就称为time walk。在图1中，假设信号a、b是一对γ光子产生的SiPM快信号，且其真正起始点为Ta0、Tb0，而Ta、Tb为信号a和b过阈的时间点(即TDC记录的时间点)，信号a、b的测量误差为ΔTa＝Ta-Ta0、ΔTb＝Tb-Tb0，那么这对γ光子的测得的符合时间
ΔT＝(Ta-Tb)＝(Ta0+ΔTa)-(Tb0+ΔTb)＝(Ta0-Tb0)+(ΔTa-ΔTb) (2)
公式2中(Ta0-Tb0)为真实时间差，(ΔTa-ΔTb)为time walk引起的误差，所以如果能减少或者消除time walk引起的误差，那么我们的前沿甄别时间测量ΔT＝Ta0-Tb0，将更接近系统真实值，即系统的时间分辨率得到提升。所以消除time walk是前沿甄别时间测量中，提高时间分辨率非常重要且必要的因素。
现有电路，主要采用SiPM快信号直接或经过运放后输出到比较器进行前沿甄别(即快信号只做放大处理)，比较器甄别后输出的数字信号上升沿，作为时间测量的触发，由此输出信号幅度动态范围大，上升沿斜率不一样，在前沿甄别时会引入time walk。
基于此，做出本申请。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种能够用于TOF-PET(Time-Of-Flight Positron Emission Tomography)系统，基于SiPM快信号时间测量，减少前沿甄别time walk的电路和方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
本发明的一种用于TOF-PET前沿甄别减少时间游走的电路，包括运算放大器，SiPM快信号输入运算放大器的同相输入端，运算放大器的输出端连接有高通滤波器。
进一步地，所述高通滤波器包括串连的电阻和电容，电阻连接于运算放大器的反向输入端与输出端之间，电容连接于运算放大器的输出端。
本发明一种用于TOF-PET前沿甄别减少时间游走的方法，包括对SiPM快信号进行放大，并对放大后的信号进行高通滤波，交流耦合至下一级。
本发明的原理：本发明通过优化电路，将SiPM快信号进行高通滤波，将信号的低频部分进行滤除，使其信号的上升沿斜率更高，以此减少前沿甄别中，快信号幅度变化带来的time walk的影响。同时在保证时间精度的前提下，快信号合并的通道数可以更多，从而减少系统总的后端时间测量电路的通道数(如TDC，Timing Digital Converter)，简化电路及后端处理，从而节约成本。
本发明的有益技术效果：本发明不仅对快信号进行放大，并对其采用高通滤波；通过高通滤波，减少了多像素SiPM阵列电容并联对time walk的影响。由于高通滤波，降低了噪声水平，阈值设置可以更低，时间测量更精确。并交流耦合，可以避免基线漂移。
附图说明
图1为γ光子对飞行示意图；
图2为Time walk示意图；
图3为优化前电路图；
图4为本发明优化后电路图；
图5为优化前后仿真图；
图6为优化前后time walk对比图；
图7为优化前像素点时间分辨率图；
图8为优化后像素点时间分辨率图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了以下实施例，并结合附图作如下详细说明：
本实施例是一种能够用于TOF-PET(Time-Of-Flight Positron EmissionTomography)系统，基于SiPM快信号时间测量，减少前沿甄别time walk的电路和方法。
在之前处理电路中(优化前)，SiPM快信号输出到运放，将信号做一定增益的放大，电路图如图3所示。即快信号只做放大处理，比较器甄别后输出的数字信号上升沿，作为时间测量的触发。主要会产生以下缺陷：
1、输出信号幅度动态范围大，上升沿斜率不一样，在前沿甄别时会引入timewalk；
2、信号经过长距离PCB走线传输后，由于分布电容的影响，上升沿变缓，加大timewalk引入的影响；
3、多SiPM阵列快信号合并后，多个SiPM内部电容并联后，减缓快信号上升沿，进一步加剧time walk的影响；
4、可合并快信号的像素数量(面积)较小，增加了通道数和后端处理电路及成本；
5、信号输出直流耦合，在事例率较高的情况下，有基线漂移的风险。
而本实施例通过优化电路，将SiPM快信号放大之后又进行了高通滤波，电路图如图4所示，将信号的低频部分进行滤除，使其信号的上升沿斜率更高，以此减少前沿甄别中，快信号幅度变化带来的time walk的影响。同时在保证时间精度的前提下，快信号合并的通道数可以更多，从而减少系统总的后端时间测量电路的通道数(如TDC，Timing DigitalConverter)，简化电路及后端处理，从而节约成本。为验证本实施例优化后电路带来的特性，做以下处理：
首先通过PSPIS对原放大电路和优化后的放大电路进行仿真对比，其仿真原理图如图5所示，图5中“□”曲线为原放大电路输出信号，“◇”曲线为优化后的放大电路输出信号，可以看到原信号上升时间要大于优化后信号的上升时间。同时，图6为优化前后，不同幅度的信号曲线，“□”曲线和“▽”曲线表示优化前两种不同幅度SiPM快信号输入后的输出信号的time walk曲线，“◇”曲线和“△”曲线表示优化后两种不同幅度SiPM快信号输入后的输出信号的time walk曲线。可以看到原放大电路，不同幅度SiPM快信号输入时，在30mv阈值处，输出信号的time walk约为500ps(“□”曲线-“▽”曲线)，而优化后放大电路在同样SiPM快信号输入的情况下，time walk约为400ps(“◇”曲线-“△”曲线)，可见time walk得到了很大的改善。
Time walk的改善，也很有效的反映在时间分辨率的结果上，由于时间分辨率T可以表示为
Figure BDA0002422842090000041
其中A和B分别为计算时间差的A、B像素点各自固有的时间分辨率。当time walk得到改善后，A和B都会减小，同理可以推导T也会变小，以此可以提升像素的时间分辨率。同样，模块和系统的时间分辨率也会得到有效提高(时间修正后)。图7为优化前的模块级的时间分辨率(时间修正后)，约为460ps左右；图8为优化后的相同模块的时间分辨率(时间修正后)，可以达360ps左右，可见time walk优化电路效果非常显著。
以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于TOF-PET前沿甄别减少时间游走的电路，其特征在于：包括运算放大器，SiPM快信号输入运算放大器的同相输入端，运算放大器的输出端连接有高通滤波器。
2.如权利要求1所述的一种用于TOF-PET前沿甄别减少时间游走的电路，其特征在于：所述高通滤波器包括串连的电阻和电容，电阻连接于运算放大器的反向输入端与输出端之间，电容连接于运算放大器的输出端。
3.一种用于TOF-PET前沿甄别减少时间游走的的方法，其特征在于：包括对SiPM快信号进行放大，并对放大后的信号进行高通滤波，交流耦合至下一级。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111965691A (zh) * 2020-09-14 2020-11-20 明峰医疗系统股份有限公司 一种pet中的时间游走修正方法
US11841472B2 (en) 2021-04-16 2023-12-12 Shanghai United Imaging Microelectronics Technology Co., Ltd. Devices, systems, and methods for time correction

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1750525A (zh) * 2004-09-13 2006-03-22 株式会社日立制作所 正交检测器、正交解调器及采样正交解调器
CN102427968A (zh) * 2009-08-14 2012-04-25 大陆汽车有限公司 对固体声信号进行信号处理以实现事故检测的方法和单元
US20130087710A1 (en) * 2011-10-06 2013-04-11 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Trigger Methods in Nuclear Medical Imaging
EP2746817A1 (en) * 2012-12-20 2014-06-25 Universitat de Barcelona Readout circuits for multi-channel photomultiplier arrays
CN105929437A (zh) * 2016-06-18 2016-09-07 武汉京邦科技有限公司 一种硅光电倍增器的片上读出系统
CN106656390A (zh) * 2016-11-15 2017-05-10 武汉中派科技有限责任公司 用于测量光子时间信息的装置及方法
US20170363740A1 (en) * 2016-06-17 2017-12-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Distance measuring device
CN107526096A (zh) * 2017-08-15 2017-12-29 江苏超敏仪器有限公司 一种修正温度对SiPM增益影响的方法
CN107742971A (zh) * 2017-11-14 2018-02-27 深圳市芯茂微电子有限公司 一种驱动电路及开关电源电路
CN107843914A (zh) * 2017-10-09 2018-03-27 沈阳东软医疗系统有限公司 一种pet时间标定方法和pet系统
CN108008438A (zh) * 2016-10-31 2018-05-08 上海东软医疗科技有限公司 一种射线能量的测量装置及方法
CN108369099A (zh) * 2015-12-21 2018-08-03 罗伯特·博世有限公司 用于测量在测量信号中的方差的方法、用于数据融合的方法、计算机程序、机器可读的存储介质和装置
CN110082368A (zh) * 2019-04-29 2019-08-02 中国科学技术大学 一种基于硅光电倍增器（SiPM）的正电子湮没寿命谱仪

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1750525A (zh) * 2004-09-13 2006-03-22 株式会社日立制作所 正交检测器、正交解调器及采样正交解调器
CN102427968A (zh) * 2009-08-14 2012-04-25 大陆汽车有限公司 对固体声信号进行信号处理以实现事故检测的方法和单元
US20130087710A1 (en) * 2011-10-06 2013-04-11 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Trigger Methods in Nuclear Medical Imaging
EP2746817A1 (en) * 2012-12-20 2014-06-25 Universitat de Barcelona Readout circuits for multi-channel photomultiplier arrays
CN108369099A (zh) * 2015-12-21 2018-08-03 罗伯特·博世有限公司 用于测量在测量信号中的方差的方法、用于数据融合的方法、计算机程序、机器可读的存储介质和装置
US20170363740A1 (en) * 2016-06-17 2017-12-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Distance measuring device
CN105929437A (zh) * 2016-06-18 2016-09-07 武汉京邦科技有限公司 一种硅光电倍增器的片上读出系统
CN108008438A (zh) * 2016-10-31 2018-05-08 上海东软医疗科技有限公司 一种射线能量的测量装置及方法
CN106656390A (zh) * 2016-11-15 2017-05-10 武汉中派科技有限责任公司 用于测量光子时间信息的装置及方法
CN107526096A (zh) * 2017-08-15 2017-12-29 江苏超敏仪器有限公司 一种修正温度对SiPM增益影响的方法
CN107843914A (zh) * 2017-10-09 2018-03-27 沈阳东软医疗系统有限公司 一种pet时间标定方法和pet系统
CN107742971A (zh) * 2017-11-14 2018-02-27 深圳市芯茂微电子有限公司 一种驱动电路及开关电源电路
CN110082368A (zh) * 2019-04-29 2019-08-02 中国科学技术大学 一种基于硅光电倍增器（SiPM）的正电子湮没寿命谱仪

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111965691A (zh) * 2020-09-14 2020-11-20 明峰医疗系统股份有限公司 一种pet中的时间游走修正方法
CN111965691B (zh) * 2020-09-14 2022-12-23 明峰医疗系统股份有限公司 一种pet中的时间游走修正方法
US11841472B2 (en) 2021-04-16 2023-12-12 Shanghai United Imaging Microelectronics Technology Co., Ltd. Devices, systems, and methods for time correction

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