CN211236260U - 符合分辨时间(crt)读出电路 - Google Patents
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Abstract
描述了一种符合分辨时间读出电路。提供了一种用于检测光子并且产生SIPM输出信号的模拟SiPM传感器。ADC被配置为提供多个阈值，以用于将模拟SiPM输出信号转换为数字值。时间数字转换器被配置为从ADC接收多个数字值并且为数字值加时间戳。
Description
技术领域
本发明涉及一种符合分辨时间(CRT)读出电路。具体地但非排他性地，本公开涉及用于实现CRT应用的多阈值读出方法的CRT读出电路。
背景技术
硅光电倍增器(SPM)是对核医学和辐射检测系统越来越重要的紧凑高性能固态检测器。本文提出的公开内容使用SPM检测器并且与使用闪烁辐射检测方法的医学成像扫描仪特别相关，该医学成像扫描仪诸如包括飞行时间(TOF)的正电子发射断层扫描(PET)、伽马相机和正电子发射乳腺摄影(PEM)。
这些系统中临床图像的质量取决于许多参数，这些参数包括符合分辨时间(CRT)。由于接收信号的单元级下的数字化，数字SiPM表现出良好的光子分辨率。然而，这需要CMOS集成并且由于包含单元内逻辑而影响单元填充因子。模拟SiPM不需要内部逻辑，这是因为输出是每个单元的电流的模拟和。在放大阶段之后，数字化是外部的。将SiPM输出数字化的传统方法在于使用可配置的单阈值比较器，该比较器将SiPM输出转换为数字脉冲。然而，这种方法具有使用单个阈值的主要限制。当将阈值设置为低值时，在高光子速率下的信号的较高峰值与强度(即光子数)的信息的丢失一起记录。例如，在具有单光子阈值的系统中，任何两个或三个光子事件将被计数为单光子事件。
因此，需要提供一种解决现有技术的缺点中的至少一些的CRT读出电路。
发明内容
在一个方面，提供了一种符合分辨时间读出电路，其包括：
模拟SiPM传感器，其用于检测光子并产生SIPM输出信号；
ADC，其被配置为提供多个阈值，以用于将模拟SiPM输出信号转换为数字值；以及
时间数字转换器，其被配置为从ADC接收数字值并对该数字值加时间戳。
在另一方面，提供了一种放大器，以用于在ADC接收SiPM信号之前放大SiPM输出信号。
在一个方面，ADC是闪速ADC。
在进一步的方面，ADC被配置为具有电压范围。
在另一方面，基于多个参数确定电压范围。
在进一步的方面，参数中的至少一个与CRT应用的参数相关联。
在一个方面，参数中的至少一个与闪烁体的特性相关联。
在进一步的方面，参数中的至少一个与激光脉冲形状的特性相关联。
在一个方面，参数中的至少一个与放大器的带宽相关联。
在另一方面，参数中的至少一个与SiPM的动态范围相关联。
在一个方面，参数中的至少一个与系统抖动相关联。
在进一步的方面，除了预定的CRT算法要求之外，ADC的电压范围还用于设置ADC分辨率。
在一个方面，来自TDC的时间戳的数量足以达到理想的Cramer限制。
在另一方面，来自TDC的所有时间戳馈送被证明为达到最小CRT值的专用算法。
在一个方面，SiPM传感器是单光子传感器。
在进一步的方面，SiPM传感器由单光子雪崩光电二极管(SPAD)传感器的总和阵列形成。
在另一方面，SiPM传感器包括微单元的矩阵。
参考以下附图将更好地理解这些和其他特征，提供这些图是为了帮助理解本教导。
附图说明
现在将参考附图描述本教导，其中：
图1示出硅光电倍增器的示例性结构。
图2是示例性硅光电倍增器的示意电路图。
图3示出现有技术CRT读出电路的示意图。
图4是来自CRT读出电路的CRT输出的曲线图。
图5是示出现有技术CRT读出电路在操作中的示例性步骤的流程图。
图6是根据本教导的CRT读出电路的示意电路图。
图7是示出图6的CRT读出电路在操作中的示例性步骤的流程图。
具体实施方式
现在将参考示例性CRT读出电路来描述本公开。应当理解，提供示例性CRT读出电路是为了帮助理解本教导，而不应被解释为以任何方式进行限制。此外，在不脱离本教导的精神的情况下，参考任何一个附图描述的电路元件或组件可以与其他附图的那些电路元件或组件或其他等效电路元件互换。应当理解，为了说明的简单和清楚，在认为合适的情况下，可以在附图中重复附图标记以指示对应或类似的元件。
首先参考图1，示出包括盖革模式光电二极管的阵列的模拟硅光电倍增器100。如图所示，在每个光电二极管附近提供淬火电阻器，该淬火电阻器可以用于限制雪崩电流。光电二极管通过铝或类似的导电跟踪电连接到公共偏置电极和公共接地电极。图2中示出传统硅光电倍增器200的示意电路，其中光电二极管的阵列的阳极连接到公共接地电极，并且阵列的阴极经由限流电阻器连接到公共偏置电极以用于在二极管两端施加偏置电压。
模拟硅光电倍增器100集成了小型电气和光学隔离的盖革模式光电二极管215的密集阵列。每个光电二极管215串联联接到淬火电阻器220。每个光电二极管215被称为微单元。微单元的数量通常在每平方毫米100至3000个之间。然后对所有微单元的信号求和以形成SiPM 200的模拟输出。提供简化的电路以示出图2中的概念。每个微单元都相同且独立地检测光子。来自这些单独的二元检测器中的每一个的放电电流的总和组合以形成准模拟输出，并且因此能够给出关于入射光子通量的大小的信息。
每当微单元经历盖革击穿时，每个微单元产生高度均匀和量子化的电荷量。微单元(以及因此检测器)的增益被定义为输出电荷与电子上的电荷的比率。可以根据过电压和微单元电容计算输出电荷。
其中：
G是微单元的增益；
C是微单元的电容；
ΔV是过电压；并且
q是电子的电荷。
SiPM传感器将检测到的激光光子和由于噪声导致的一些检测到的光子转换为电信号，然后由定时电子设备为该电信号加时间戳。根据入射率Φ和光子检测效率(PDE)计算在典型输出脉冲宽度τ下检测到的光子的平均数量k，如下：
k＝Φ×PDE×τ 等式1
通常，将SiPM的数字读出的阈值设置为k，以最大化检测事件的概率。当平均数量为k时检测X光子事件的概率由下式给出：
其对于X＝k具有最大值，如图3所示。当使用图4的比较器读出电路将单个阈值设置为特定值h时，每个脉冲的单个事件以由下式给出的概率记录：
当h'>h时以概率P(X>h')发生的所有事件将不被区分，并且因此不被计数(或计时)为单独的事件。
参考图3，其示出现有技术CRT读出电路300。CRT读出电路300包括SiPM检测器305、放大器310、比较器315和时间数字转换器(TDC)320。SiPM传感器305可以用于PET应用的符合时间测量。在典型的PET系统中，从主体发射彼此相位相差大约180度的两个511keV的光子。单个高能量光子被转换成可见光谱中的多个较低能量光子，在当前技术状态中使用标准光电倍增管(PMT)检测这些光子。对于LSO，对于入射在晶体上的511keV光子中的每一个，发射约20,000至30,000个较低能量可见波长光子。LSO输出的衰减时间约为40ns。对PET系统中的检测系统的挑战是双重的。首先，检测器必须具有足够高的检测效率，以便能够将光子转换成可测量的响应，以允许获得足够的光子。其次，检测器必须足够快以允许以足够的精度检测入射光脉冲，以允许测量并分析脉冲。因此检测器必须快速。符合分辨时间是通过检测PET中正电子湮灭期间发射的两个光子之间的符合而获得的时间分辨率。由于光的速度是由c＝3×108m/s给出的常数，所以包括闪烁体晶体和光学检测器两者的检测器必须适当快速以允许在低于500ps的分辨率下检测脉冲。需要这种快速分辨率以允许光子发射的位置被分辨为7.5cm的分辨率。为了提高分辨率，需要更快的检测器。可以通过重复测量和信号处理来提高分辨率，但这会减慢数据采集过程并降低整体系统性能。因此，高定时分辨率检测器是PET的要求。为了执行该符合定时，需要用于高能量到较低能量转换的快速闪烁体晶体和随后快速且准确的读出电路两者，该读出电路能够重建来自晶体的输出脉冲。
在迄今已知的CRT读出电路中，SiPM 305可以用于提供如图3所示的光学检测器。SiPM输出通常连接到比较器315，该比较器315允许记录SiPM信号超过固定阈值的时间。需要在操作读出电路300之前计算并固定比较器315的阈值，这延迟了可以获取数据的速度。读出电路300可以在单阈值方法中使用，并且阈值的选择被设置为使CRT半峰全宽(FWHM)最小化的最佳值，如图4的曲线图中的点线所示。图5的流程图示出用于为读出电路300设置最佳阈值的示例性步骤。将初始电压电平阈值设置为V0，框510。然后对于V0测量CRT标准偏差，框515。然后，通过感兴趣的步骤递增阈值，框520。重新测量CRT标准偏差，并且该循环继续直到达到阈值的上限，525。一旦收集了CRT标准偏差的所有值，框530，则选择给出最小CRT的阈值，框535。
参考图6，其示出根据本教导的CRT读出电路600。CRT读出电路600包括作为光学检测器操作的模拟SiPM 605。放大器610放大来自SiPM 605的模拟输出信号。闪速ADC 615可操作为用于将放大的SiPM模拟输出信号转换为数字值。TDC 620提供为来自ADC 615的数字值加时间戳的定时电路。CRT读出电路600通过适当地将ADC 615配置为具有多个阈值电平来实现多阈值方法，该多个阈值电平用于将模拟SiPM输出信号转换为数字值，然后将该数据值中继到TDC 620。发明人意识到，如图5的流程图中所述设置最佳阈值水平是缓慢的，这限制了读出电路300用于诸如CRT应用的快速读出应用的能力。读出电路600通过将ADC 615预先配置为具有多个阈值电平来解决该问题。结果，读出电路600不需要如图5的流程图所示执行扫描以便设置阈值，这是因为来自ADC的所有阈值自动并行可用。因此，给出最小CRT的阈值始终可用。
图7示出用于配置闪速ADC 615的示例性步骤。基于多个参数确定ADC电压范围，框720。在示例性布置中，提供CRT应用中使用的激光的输入脉冲形状作为参数，框710。提供放大器610的带宽作为另一参数，框730。提供SiPM 605的动态范围作为进一步的参数，框715。动态范围是可检测的最大输入和可检测的最小输入之间的比率。
还提供系统抖动作为参数，框725。框720使用由框710、715、725和730提供的参数来确定ADC电压范围。应当理解，除了参考框710、715、725和730描述的那些参数之外，还可以使用其他参数来确定ADC电压范围。在框735中，除了框740提供的预定的CRT算法要求之外，来自框720的ADC电压范围还用于设置ADC分辨率。
本领域技术人员将理解，通过系统的特性，即光源、传感器和放大器，可以确定操作电压范围。然后使用电压范围的最大值和最小值来配置ADC 615。可以根据用于CRT提取的算法来选择所获得的时间戳的数量，即ADC 615的分辨率。来自TDC 620的时间戳的数量需要“足够”以达到理想的Cramer限制，因此可以将该数量设置为高值(100+)。这种多阈值方法消除了通过如图5的传统方法所示的电压扫描来调谐单阈值设置的需要，这是因为来自ADC 615的有用电压范围并行操作。来自TDC 620的所有这些时间戳可以被布置为馈送被证明为达到最小CRT值的专用CRT算法。
本公开提供了一种从模拟SiPM信号获得多个时间戳以允许在CRT测量中更好地利用模拟SiPM信号的装置。模拟SiPM 605的输出是这样一种信号，该信号的幅度取决于CRT测量中来自闪烁体的入射光。使用ADC 615设置不同的模拟阈值实现多个时间戳，而无需在SiPM 605上提供数字化电路。闪速ADC 615根据闪速ADC 615的分辨率将一定范围的电压划分为一系列间隔，并且每个电平的输出可以由TDC 620加时间戳。以这种方式，可以获得与ADC位一样多的时间戳。与参考读出电路300描述的只有一个阈值有效单模式操作相比，在并行启用高达N个等级的多阈值操作模式中，CRT测量被证明示出较低的标准偏差，因此增加CRT测量质量，如图4中的实线所示。
本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。以这种方式，应该理解，仅在根据所附权利要求认为必要的范围内限制本教导。术语半导体光电倍增器旨在涵盖任何固态光电倍增器装置，诸如硅光电倍增器[SiPM]、微像素光子计数器[MPPC]、微像素雪崩光电二极管[MAPD]，但不限于此。
类似地，词语“包括/包含”在说明书中使用时用于指定所述特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个附加特征、整数、步骤、组件或其群组的存在或添加。
Claims (17)
1.一种符合分辨时间读出电路，其包括：
模拟SiPM传感器，其用于检测光子并产生SIPM输出信号；
ADC，其被配置为提供多个阈值，以用于将所述模拟SiPM输出信号转换为数字值；以及
时间数字转换器，其被配置为从所述ADC接收所述数字值并且为所述数字值加时间戳。
2.根据权利要求1所述的符合分辨时间读出电路，进一步包括放大器，所述放大器用于在所述ADC接收所述SiPM信号之前放大所述SiPM输出信号。
3.根据权利要求1或2所述的符合分辨时间读出电路，其中所述ADC是闪速ADC。
4.根据权利要求1所述的符合分辨时间读出电路，其中所述ADC被配置为具有电压范围。
5.根据权利要求4所述的符合分辨时间读出电路，其中所述电压范围基于多个参数来确定。
6.根据权利要求5所述的符合分辨时间读出电路，其中所述参数中的至少一个与CRT应用的参数相关联。
7.根据权利要求5或6所述的符合分辨时间读出电路，其中所述参数中的至少一个与闪烁体的特性相关联。
8.根据权利要求5所述的符合分辨时间读出电路，其中所述参数中的至少一个与激光脉冲形状的特性相关联。
9.根据权利要求5所述的符合分辨时间读出电路，其中所述参数中的至少一个与放大器的带宽相关联。
10.根据权利要求5所述的符合分辨时间读出电路，其中所述参数中的至少一个与SiPM的动态范围相关联。
11.根据权利要求5所述的符合分辨时间读出电路，其中所述参数中的至少一个与系统抖动相关联。
12.根据权利要求5所述的符合分辨时间读出电路，其中除了预定的CRT算法要求之外，所述ADC的所述电压范围还用于设置所述ADC分辨率。
13.根据权利要求1所述的符合分辨时间读出电路，其中来自TDC的时间戳的数量足以达到理想的Cramer限制。
14.根据权利要求13所述的符合分辨时间读出电路，其中来自所述TDC的所有所述时间戳馈送被证明为达到最小符合分辨时间值的专用算法。
15.根据权利要求1所述的符合分辨时间读出电路，其中所述SiPM传感器是单光子传感器。
16.根据权利要求1所述的符合分辨时间读出电路，其中所述SiPM传感器由单光子雪崩光电二极管(SPAD)传感器的总和阵列形成。
17.根据权利要求1所述的符合分辨时间读出电路，其中所述SiPM传感器包括微单元的矩阵。
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