CN111245378A - 一种用于pet系统中探测器的加法电路 - Google Patents

一种用于pet系统中探测器的加法电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于PET系统中探测器的加法电路，所述探测器包括，用于耦合闪烁晶体的硅光电倍增管SiPM，加法电路包括：对应每一个SiPM的加和电阻、一个运算放大器和滤波电路；每一个加和电阻的第一端用于接收各自SiPM输出的SiPM信号，所有加和电阻的第二端均连接所述运算放大器的第一输入端；所述运算放大器的第二输入端接地，且所述运算放大器用于将加和后的SiPM信号按照时间甄别电路的条件进行放大输出；所述滤波电路和所述运算放大器组成有源滤波器，对待输出的混合后的多路SiPM信号进行滤波处理。上述加法电路应用于探测器，提高了探测器的定时分辨率，提高可PET系统的性能。

Description

一种用于PET系统中探测器的加法电路
技术领域
本发明涉及γ射线探测技术领域，特别涉及一种用于PET系统中探测器的加法电路。
背景技术
正电子发射断层成像系统(Positron Emission Tomography，PET)通过显示正电子发射核素在人体内的分布，得到人体器官的功能信息。当正电子在人体内湮灭时，产生2个向相反方向发射的511keV光子。PET系统通过γ射线探测器检测这2个光子的信息，计算生成图像。
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γ射线探测器的光电转换器件。硅光电倍增管(SiPM)是工作在盖革模式下的雪崩光电二极管阵列，与传统的光电倍增管相比，增益大，工作电压低，同时具有体积小，重量轻，工艺兼容性好，对磁场不敏感的优点，在微弱光探测，辐射探测等领域，发挥着重要作用。
采用SiPM作为光电转换器件的γ射线探测器，由于SiPM尺寸限制，需要将SiPM单元组合成阵列，与闪烁晶体阵列耦合，得到较大的灵敏区面积。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。SiPM的单元尺寸与闪烁晶体像素的单元尺寸接近，可以将闪烁晶体与SiPM进行1对1直接耦合，耦合中光量损耗小，速度快，能获得更好的定时性能，但如果1对1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。
为此，如何提高了位置灵敏探测器的定时分辨率，还可以降低PET系统成本，提高PET系统性能成为当前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于PET系统中探测器的加法电路，用于提高探测器的定时分辨率，降低PET系统成本。
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，本发明提供一种用于PET系统中探测器的加法电路，所述探测器包括，用于耦合闪烁晶体的硅光电倍增管SiPM，加法电路包括：对应每一路SiPM的加和电阻、一个运算放大器和滤波电路；
每一个加和电阻的第一端用于接收各自SiPM输出的SiPM信号，所有加和电阻的第二端均连接所述运算放大器的第一输入端；
所述运算放大器的第二输入端接地，且所述运算放大器用于将加和后的SiPM信号按照时间甄别电路的条件进行放大输出；
所述滤波电路和所述运算放大器组成有源滤波器，对加法电路待输出的混合后的多路SiPM信号进行滤波处理。
可选地，所述第一输入端为反向输入端；所述滤波网络为高通滤波电路；
或者，所述第一输入端为反向输入端；所述滤波网络为低通滤波电路；
或者，所述第一输入端为正向输入端；所述滤波网络为高通滤波电路；
或者，所述第一输入端为正向输入端；所述滤波网络为低通滤波电路。
可选地，所述运算放大器为电压反馈运算放大器或者电流反馈运算放大器。
可选地，所述滤波电路包括：第一反馈电阻和一个串联电容；
所有加和电阻的第二端串联所述串联电容后连接所述运算放大器的反向输入端，所述第一反馈电阻的第一端连接所述反向输入端，所述第一反馈电阻的第二端连接所述运算放大器的输出端；
所述，加和电阻和反馈电阻形成反向放大电路，反向放大电路的增益等于反馈电阻Rf和加和电阻R的比值，
可选地，所述滤波电路包括：第一反馈电阻和一个并联电容；
所有加和电阻的第二端连接所述运算放大器的反向输入端，所述第一反馈电阻和所述并联电容并联之后的第一端连接所述反向输入端，第二端连接所述运算放大器的输出端；
所述，加和电阻和反馈电阻形成反向放大电路，反向放大电路的增益等于反馈电阻Rf和加和电阻R的比值，
第二方面，本发明还提供一种用于PET系统的探测器，包括：多组SiPM阵列，每一组SiPM阵列中的每一个SiPM耦合一闪烁晶体、读出电子学系统，每一组SiPM阵列连接第一级的加法电路，所述加法电路的输出连接所述读出电子学系统的输入，所述加法电路为上述第一方面任一所述的加法电路。
可选地，还包括：第n级加法电路；
所述第n-1级的加法电路的输出采用数字加和或模拟加和的方式作为第n级加法电路的第一输入端的输入信号，所述第n级加法电路的输出连接所述读出电子学系统的输入；
n大于等于2的整数。
可选地，SiPM阵列为4*4的结构。
第三方面，本发明还提供一种PET系统，包括：闪烁晶体，和上述的第二方面任一所述的探测器，所述探测器的SiPM连接所述闪烁晶体。
本发明的有益效果是：
本发明在信号加和中提高信噪比，采用有源滤波的方法降低暗噪声和其他杂散效应的影响，既采用尽量少的电子学通道完成时间甄别，同时又提高了位置灵敏探测器的定时分辨率，对提高PET系统性能，起到重要作用。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的加法电路的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的加法电路的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的探测器的示意图。
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。
为了更好的理解本发明实施例的方案，以下对本发明实施例的部分词语进行概述说明。
现有技术存在一种专用读出电路(ASIC)，能满足1对1耦合后进行独立的时间甄别。但ASIC的开发技术难度高，成本高。因此将SiPM阵列输出的信号进行加和处理，可以大规模减小输出通道数量，同时如果利用光共享(light-shareing)方式，还可以减少SiPM的数量，进一步降低成本。然而，大量信号加和过程中电子学噪声和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，位置灵敏探测器的定时分辨率大幅度下降。
因此在信号加和中提高信噪比，采用有源滤波的方法降低暗噪声和其他杂散效应的影响，既采用尽量少的电子学通道完成时间甄别，同时又提高了位置灵敏探测器的定时分辨率，对提高PET系统性能，起到重要作用。
实施例一
本实施例中提供的加法电路包括：对应每一路SiPM的加和电阻、一个运算放大器和滤波电路；每一个加和电阻的第一端用于接收各自SiPM输出的SiPM信号，所有加和电阻的第二端均连接所述运算放大器的第一输入端；
所述运算放大器的第二输入端接地，且所述运算放大器用于将加和后的SiPM信号按照时间甄别电路的条件进行放大输出；
所述滤波电路和所述运算放大器组成有源滤波器，对所述加法电路待输出的混合后的多路SiPM信号进行滤波处理。
在本实施例中，经过运算放大器后的SiPM信号大小是几路SiPM信号大小之和。上述滤波电路是滤波电容和运算放大器形成的，滤掉混合后的多路SiPM信号中的低频分量，两种功能的电路结构中共用一个运算放大器。
在本实施例中，第一输入端为反向输入端；所述滤波网络为高通滤波电路。在其他实施例中，所述第一输入端为反向输入端；所述滤波网络为低通滤波电路。在其他实现方式中，所述第一输入端为正向输入端；所述滤波网络为高通滤波电路或者低通滤波电路。
在本实施例中，运算放大器为电压反馈运算放大器或者电流反馈运算放大器。
本实施例的加法电路主要应用于PET系统的位置灵敏探测器，以便读出γ射线的时间信息。位置灵敏探测器由闪烁晶体阵列，SiPM阵列、加法电路和读出电子学系统组成。闪烁晶体阵列通过提供入射γ射线的位置信息，时间信息和能量信息，用以计算出湮灭光子事件在人体中的位置。其中时间信息的精度直接影响了图像的信噪比，因此提高位置灵敏探测器的定时分辨率对提高PET系统的性能起到关键作用。
本实施例中通过带有滤波功能的加法电路可以在减少位置灵敏探测器时间甄别电子学通道数量的同时，降低加和后电子噪声，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，同时也降低了位置灵敏探测器的成本。
实施例二
如图1所示，图1中示出了本发明实施例的加法电路的结构示意图，在本实施例中，本实施例的加法电路包括：对应每一个SiPM的加和电阻、一个运算放大器和滤波电路；每一个加和电阻的第一端用于接收各自SiPM输出的SiPM信号，所有加和电阻的第二端均连接所述运算放大器的反向输入端；
所述运算放大器的正向输入端接地，且所述运算放大器用于将加和后的SiPM信号按照时间甄别电路的条件进行放大输出；
所述滤波电路和所述运算放大器组成有源滤波器，对加法电路待输出的混合后多路SiPM信号进行滤波处理。
在实际应用中，每一个加和电阻的第一端接收的SiPM信号为经过前端电路放大后的SiPM信号。
在图1中，加和后进入运算放大器的反向输入端。运算放大器可以将加和后的时间信号按照时间甄别电路的需要进行放大，也可以改变信号极性。
滤波电路和运算放大器共同构成了有源滤波器，根据加和后信号叠加噪声特点进行滤波，滤波主要针对多个SiPM信号输出引起的暗计数增加，因此滤波后的时间信号与直接加和相比，具有更高的信噪比，时间甄别的准确性也提高了。经过加法电路后，一组时间信号只需要单个电子学通道就可以完成时间甄别。
加法电路的三部分功能不是分离的，其作用和效果互相影响。本实施例中的加和电阻参与了运算放大器的负反馈，反馈电阻与加和电阻的阻值决定了运算放大器的增益；同时加和电阻与滤波电容一起决定了高通滤波的频率，因此在选择加和电阻，运算放大器和滤波电容时，需要根据信号和噪声的特点进行计算。
在图1至图3中均没有示出加和电路连接运算放大器的正向输入端的结构，当然，在本实施例中，加和电阻也可以与运算放大器的正向输入端相连，经运放输出的信号极性不变。
举例来说，图1中加法电路所使用的运算放大器可以是电压反馈运算放大器，也可以是电流反馈运算放大器。
此外，本实施例中的滤波电路可包括：第一反馈电阻和一个串联电容；所有加和电阻的第二端串联所述串联电容后连接所述运算放大器的反向输入端，所述第一反馈电阻的第一端连接所述反向输入端，所述第一反馈电阻的第二端连接所述运算放大器的输出端。
本实施例中利用加法电路将硅光电倍增管的信号加和输出，仅需要少量的电子学通道即可完成时间甄别。但由于硅光电倍增管的噪声在加和过程中叠加，导致加和后的时间信号定时分辨率下降，进而使用滤波电路可以提高硅光电倍增管阵列输出时间信号的信噪比。
实施例三
如图2所示，图2示出了应用于位置灵敏探测器的带有低通滤波的加法电路的结构示意图，该加法电路包括加和电阻，运算放大器和低通滤波电路。经前端电路放大的一组SiPM信号经加和电阻加和后进入运算放大器的反向输入端，加和电阻和第一反馈电阻形成反向放大电路，经反相放大的信号极性相反，同时第一反馈电阻和并联电容组成低通滤波电路，低通滤波的频率由反馈电阻Rf和C2决定。
本实施例中的加法电路输入信号和输出信号是反向的，即正脉冲输入会是负脉冲输出；此外，本实施例的加法电路的增益不一定是1，增益值由Rf与R的比值决定，可以放大信号也可以缩小信号，但等比例地把几个信号加起来是不变的。
本实施例提出的加法电路利用运算放大器和少量的阻容器件形成有源滤波电路，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电子学通道数目，降低了PET系统成本。
实施例四
本实施例还具体描述了一种采用带有滤波功能的加法电路所属的位置灵敏探测器读出方法。一个位置灵敏探测器模块的SiPM阵列为4*4，将其划分为4组，每组4个SiPM的输出信号进入前置放大器放大输出后经加和电阻进入加法电路。图3中示出的放大器为上述记载的前置放大器。
本实施例的加法电路可以是前述图1和图2所示的电路结构，本实施例的加法电路还可以是其他未示出的电路结构，本实施例并未对其限定，根据实际需要调整。此外，在图1和图2中，Rg表示是对地电阻，V+表示正极性的电压，V-表示负极性电压，VCC和VEE表示电源的两级，且VCC是电源的正极。
当然，在另一实施例中，上述的位置灵敏探测器还可以包括第n级加法电路；
所述第n-1级的加法电路的输出采用数字加和或模拟加和的方式作为第n级加法电路的第一输入端的输入信号，所述第n级加法电路的输出连接所述读出电子学系统的输入；n大于等于2的整数。
也就是说，加法电路的输出信号进入下一级加法电路，该级加和可以根据不同情况使用数字加和或者模拟加和。图3中释出的是通过2级加法电路，16个SiPM信号采用1个时间甄别电路甄别，大大减小电子学通道数量，同时通过有源滤波器滤波，提高了时间信号的信噪比。
一个PET系统的探测器可以根据需要使用一个或几个加法电路。一个加法电路的输出也可以作为下一级的加法电路的输入，通过这种结构，一个光共享检测器只需要一个时间甄别通道，大幅度的降低了电子学成本。
另外，本发明实施例还提供一种PET系统，PET系统可包括：闪烁晶体，和上述任一实施例所述的探测器，所述探测器的SiPM连接所述闪烁晶体。
本实施例提出的加法电路利用运算放大器和少量的阻容器件形成有源滤波电路，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电子学通道数目，降低了系统成本。
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 (9)

1.一种用于PET系统中探测器的加法电路，所述探测器包括，用于耦合闪烁晶体的硅光电倍增管SiPM，其特征在于，加法电路包括：对应每一路SiPM的加和电阻、一个运算放大器和滤波电路；
每一个加和电阻的第一端用于接收各自SiPM输出的SiPM信号，所有加和电阻的第二端均连接所述运算放大器的第一输入端；
所述运算放大器的第二输入端接地，且所述运算放大器用于将加和后的SiPM信号按照时间甄别电路的条件进行放大输出；
所述滤波电路和所述运算放大器组成有源滤波器，对加法电路待输出的混合后的多路SiPM信号进行滤波处理。
2.根据权利要求1所述的加法电路，其特征在于，所述第一输入端为反向输入端；所述滤波网络为高通滤波电路；
或者，所述第一输入端为反向输入端；所述滤波网络为低通滤波电路；
或者，所述第一输入端为正向输入端；所述滤波网络为高通滤波电路；
或者，所述第一输入端为正向输入端；所述滤波网络为低通滤波电路。
3.根据权利要求1所述的加法电路，其特征在于，
所述运算放大器为电压反馈运算放大器或者电流反馈运算放大器。
4.根据权利要求1所述的加法电路，其特征在于，所述滤波电路包括：第一反馈电阻和一个串联电容；
所有加和电阻的第二端串联所述串联电容后连接所述运算放大器的反向输入端，所述第一反馈电阻的第一端连接所述反向输入端，所述第一反馈电阻的第二端连接所述运算放大器的输出端；
所述，加和电阻和反馈电阻形成反向放大电路，反向放大电路的增益等于反馈电阻(Rf)和加和电阻(R)的比值。
5.根据权利要求1所述的加法电路，其特征在于，所述滤波电路包括：第一反馈电阻和一个并联电容；
所有加和电阻的第二端连接所述运算放大器的反向输入端，所述第一反馈电阻和所述并联电容并联之后的第一端连接所述反向输入端，第二端连接所述运算放大器的输出端；
所述，加和电阻和反馈电阻形成反向放大电路，反向放大电路的增益等于反馈电阻(Rf)和加和电阻(R)的比值。
6.一种用于PET系统的探测器，包括：多组SiPM阵列，每一组SiPM阵列中的每一个SiPM耦合一闪烁晶体、读出电子学系统，其特征在于，
每一组SiPM阵列连接第一级的加法电路，所述加法电路的输出连接所述读出电子学系统的输入，所述加法电路为上述权利要求1至5任一所述的加法电路。
7.根据权利要求6所述的加法电路，其特征在于，还包括：第n级加法电路；
所述第n-1级的加法电路的输出采用数字加和或模拟加和的方式作为第n级加法电路的第一输入端的输入信号，所述第n级加法电路的输出连接所述读出电子学系统的输入；
n大于等于2的整数。
8.根据权利要求7所述的加法电路，其特征在于，SiPM阵列为4*4的结构。
9.一种PET系统，其特征在于，包括：闪烁晶体，和上述的权利要求6至8任一所述的探测器，所述探测器的SiPM连接所述闪烁晶体。
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