CN111953350A - 基于重心法的SiPM阵列读出装置及读出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于重心法的SiPM阵列读出装置及读出方法，利用不同的电容配比将SiPM阵列复用为四路，通过测量四路的能量来确定位置和能量信息，并且该四路信号均各自连接部分SiPM探测单元，减少了SiPM探测单元的连接个数，有利于提高系统信噪比，此外，通过使用电容网络可以保证信号前沿摆率，有利于时间测量性能。

Description

基于重心法的SiPM阵列读出装置及读出方法
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于重心法的SiPM阵列读出装置及读出方法。
背景技术
目前基于硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)探测器件由于其良好的能量和时间分辨率以及磁兼容性能越来越多地应用在正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Tomography，PET)系统中。其原理是利用探测器晶体模块捕获的高能Gamma光子转化成的低能可见光信号，然后通过SiPM转换为电信号，再利用能量测量装置和时间测量装置(Time-Digital Converter,TDC)得到该电信号的能量和达到时间信息。然后利用后端的符合判选等方法筛选出有效信号，进而通过图像重建算法得到光子产生的精准位置。为了控制系统成本和复杂度，一般采用一个SiPM探测器对应多个晶体进行耦合，然后通过多路复用的行列读出电路对位置、能量和时间进行检出。其中，基于重心法的位置检出电路由于其良好的探测效率和位置分辨性能得到广泛应用。目前已经发明出了多种方法，但大部分方法均需要将阵列中所有的SiPM探测单元连接在一起，这就大大增加了暗噪声和寄生电容等不利因素，降低系统测量的信噪比。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于重心法的SiPM阵列读出装置及读出方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于重心法的SiPM阵列读出装置，其特征在于：包括SiPM阵列、SiPM阵列读出电路、模数转换器、比较器及FPGA，SiPM阵列包括多个呈阵列分布的SiPM探测器单元；
所述SiPM阵列读出电路包括四路信号输出线路和电连接在SiPM探测器单元输出端的电容，每个SiPM探测器单元的输出端均连有若干个电容并通过电容容值对输出信号的能量进行权重划分；所述所有电容分成四部分，每部分电容的输出端与一路信号输出线路连接，且同一个SiPM探测器单元上的电容连接的信号输出线路不同；
所述模数转换器用于接收四路信号输出线路输出的权重信号，并进行模数变换得到数字信息；所述比较器用于接收四路信号输出线路输出的加和后的信号，得到数字脉冲；所述FPGA对数字信息进行能量积分得到能量和位置信息，对数字脉冲进行时间测量得到信号的到达时间。
一种基于重心法的SiPM阵列读出方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.SiPM阵列利用SiPM阵列读出电路得到四路权重信号；
S20.四路权重信号送入模数转换器中进行模数变换，输出数字信息并送入FPGA中进行能量积分，计算得到能量和位置信息；
S30.将四路权重信号加和，得到的信号通过比较器转换为数字脉冲，然后送入FPGA完成时间测量。
进一步的，所述FPGA对四路权重信号的处理包括以下步骤：
S21.根据SiPM探测器单元的输出权重对四路权重信号的能量进行计算，四路权重信号的能量分别计作P、R、S、Q；
S22.得到SiPM阵列总的输出能量E，E＝P+R+S+Q，和SiPM探测器单元X方向上的位置PX和Y方向的位置PY，其中
Figure BDA0002627086440000021
S23.根据E、PX、PY的计算式，将每一个SiPM探测单元的权重信号的权重拓扑到位置信息。
本发明的优点在于：
1.基于重心法，利用不同的电容配比将SiPM阵列复用为四路，通过测量四路的能量来确定位置和能量信息；
2.四路复用信号均各自连接部分SiPM探测单元，减少了SiPM探测单元的连接个数，有利于提高系统信噪比；
3.本发明公开的SiPM阵列全部采用电容网络，避免了电阻网络和寄生电容带来的信号前沿变缓的问题，有效提高时间性能；
4.以5X5 SiPM探测阵列为例描述了设计方法，并给出了Flood map仿真结果，仿真结果表明，本发明较之前传统方案性能得以明显提升。
附图说明
图1为实施例中基于重心法的SiPM阵列读出装置的整体架构示意图；
图2为实施例中5X5 SiPM阵列多路复用电路结构示意图；
图3为实施例中5X5 SiPM阵列多路复用电路拓扑结构示意图；
图4表格代表位置解码精度和获得实际像素点个数仿真结果
图5为实施例中Flood Map和一维位置相应函数曲线仿真结果，其中图5(a)为传统读出网络仿真结果，图5(b)为本实施例读出网络仿真结果。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例公开了一种基于重心法的SiPM阵列读出装置，其整体架构如图1所示，包括SiPM阵列、SiPM阵列读出电路、模数转换器(ADC)、比较器及FPGA(现场可编程逻辑门阵列)，本实施例以5X5 SiPM探测器阵列为例进行描述，5X5 SiPM阵列包括5行5列的呈矩阵分布的25个SiPM探测器单元。
SiPM阵列读出电路包括四路信号输出线路和电连接在SiPM探测器单元输出端的电容，每个SiPM探测器单元的输出端均连有若干个电容并通过电容容值对输出信号的能量进行权重划分；所述所有电容分成四部分，每部分电容的输出端与一路信号输出线路连接，且同一个SiPM探测器单元上的电容连接的信号输出线路不同。如图2所示，SiPM探测单元按照行(i,i<＝5)列(j,j<＝5)记作Aij。SiPM探测单元输出信号通过电容进行驱动，并且利用不同电容值进行权重划分。例如，图2中的E.g区所示SiPM探测单元(编号A21)，输出信号分为两路，一路经过较大电容(容值记作3C)输出，另一路经过较小电容(容值记作C)输出。类似地，将每一个SiPM探测单元都利用电容分配一定的权重进行输出(容值和为定值，记作4C)。通过对不同的权重的SiPM探测单元输出信号进行连接，可以得到四路权重信号。
所述模数转换器用于接收四路信号输出线路输出的权重信号，并进行模数变换得到数字信息；所述比较器用于接收四路信号输出线路输出的加和后的信号，得到数字脉冲；所述FPGA对数字信息进行能量积分得到能量和位置信息，FPGA内的TDC装置对数字脉冲进行时间测量得到信号的到达时间。
该读出装置的读出方法包括以下步骤：
S10.SiPM阵列利用SiPM阵列读出电路得到四路权重信号；
S20.四路权重信号送入模数转换器中进行模数变换，输出数字信息并送入FPGA中进行能量积分，计算得到能量和位置信息；
S30.将四路权重信号加和，得到的信号通过比较器转换为数字脉冲，然后送入FPGA完成时间测量。
其中，步骤S20包括以下步骤：
S21.根据SiPM探测器单元的输出权重对四路权重信号的能量进行计算，四路权重信号的能量分别计作P、R、S、Q；以图2中的5X5 SiPM阵列多路复用电路结构示意图为例，根据SiPM探测单元的输出权重对四路权重信号的能量进行计算，如下所示：
Figure BDA0002627086440000051
Figure BDA0002627086440000052
Figure BDA0002627086440000053
Figure BDA0002627086440000054
S22.根据步骤S21，即可得到SiPM阵列总的输出能量E(四路权重信号的能量和即为能量信息)，E＝P+R+S+Q，和SiPM探测器单元X方向上的位置PX和Y方向的位置PY，其中
Figure BDA0002627086440000055
S23.根据E、PX、PY的计算式，将每一个SiPM探测单元的权重信号的权重拓扑到位置信息。如图3所示，左图中P-4表示权重信号P在该SiPM探测单元上的权重为4，则R、S、Q的权重为0，根据PX、PY的计算，则PX＝((0+0)-(4+0))/(0+0+0+4)＝-1，PY＝((4+0)-(0+0))/(0+0+0+4)＝1，即可得到该SiPM探测单元的位置信息为(-1,1)，以此类推。根据计算结果，每一个SiPM的位置均可以正确计算。
显然，相对于传统的基于重心法的阵列读出方案，该方案每一路权重信号连接较少的SiPM探测单元，这将有效提高系统信噪比性能。下面利用系统仿真，验证设计。
利用仿真软件，以12X12晶体阵列(晶体尺寸2.8mmX2.8 mm)耦合5X5 SiPM阵列(SiPM尺寸6mm X 6mm)为例，对本实施例公开的阵列读出方法进行仿真，得到其Flood Map图，以及将第六行的所有像素点的计数值做一维投影，获得对应的一维位置相应函数曲线，并与传统的读出网络进行了性能对比，仿真Flood Map和一维位置相应函数曲线结果如图5所示。
另外，还对位置解码精度和获得实际像素点个数平均值进行了仿真。其中，位置解码精度为：相邻两个晶体单元间的实际像素点个数与理论像素点个数的差值，本实施例中理论像素点个数为：256/12＝21；根据一维位置响应函数曲线各峰间的关系，可以获得实际像素点个数的平均值，具体结果如图4的表格所示。
下面以PET探测器环直径D＝830mm，晶体单元尺寸d＝2.8mm为例，说明上述两种读出方式对空间分辨率的影响。PET系统空间分辨率计算如下：
Figure BDA0002627086440000061
其中，Rres为系统的空间分辨率；
Rint＝d/2＝1.4mm,Rint为探测器模块的固有分辨率，d为晶体单元尺寸；
Δnc＝0.0022D＝1.826mm，D为探测器直径；D＝830mm；
Δpos＝0.1.2mm，为放射源的射程；
Δp为位置解码精度；
K为重建系数，一般是1.1～1.3；本方案中K＝1.25。
根据上述一维位置响应函数可知，本实施例中，传统读出方式和本方案读出方式的位置解码精度分别为：1.25mm和0.4mm；
因此，根据上述空间分辨率计算公式，可得：
传统读出方式的空间分辨率Rres-old为3.28mm；
本方案读出方式的空间分辨率Rres-new为2.92mm；
因此，在本实例中，较传统读出网络，本发明公开的新型读出网络的空间分辨率指标提升了11％。
上述实施例仅用于解释说明本发明的构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于重心法的SiPM阵列读出装置，其特征在于：包括SiPM阵列、SiPM阵列读出电路、模数转换器、比较器及FPGA，SiPM阵列包括多个呈阵列分布的SiPM探测器单元；
所述SiPM阵列读出电路包括四路信号输出线路和电连接在SiPM探测器单元输出端的电容，每个SiPM探测器单元的输出端均连有若干个电容并通过电容容值对输出信号的能量进行权重划分；所述所有电容分成四部分，每部分电容的输出端与一路信号输出线路连接，且同一个SiPM探测器单元上的电容连接的信号输出线路不同；
所述模数转换器用于接收四路信号输出线路输出的权重信号，并进行模数变换得到数字信息；所述比较器用于接收四路信号输出线路输出的加和后的信号，得到数字脉冲；所述FPGA对数字信息进行能量积分得到能量和位置信息，对数字脉冲进行时间测量得到信号的到达时间。
2.如权利要求1所述的一种基于重心法的SiPM阵列读出装置，其特征在于：包括以下步骤：
S10.SiPM阵列利用SiPM阵列读出电路得到四路权重信号；
S20.四路权重信号送入模数转换器中进行模数变换，输出数字信息并送入FPGA中进行能量积分，计算得到能量和位置信息；
S30.将四路权重信号加和，得到的信号通过比较器转换为数字脉冲，然后送入FPGA完成时间测量。
3.如权利要求2所述的一种基于重心法的SiPM阵列读出装置，其特征在于，所述FPGA对四路权重信号的处理包括以下步骤：
S21.根据SiPM探测器单元的输出权重对四路权重信号的能量进行计算，四路权重信号的能量分别计作P、R、S、Q；
S22.得到SiPM阵列总的输出能量E，E＝P+R+S+Q，和SiPM探测器单元X方向上的位置PX和Y方向的位置PY，其中
Figure FDA0002627086430000021
S23.根据E、PX、PY的计算式，将每一个SiPM探测单元的权重信号的权重拓扑到位置信息。
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