CN212460065U

CN212460065U - 基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置

Info

Publication number: CN212460065U
Application number: CN202020944896.XU
Authority: CN
Inventors: 马聪; 王瑶法; 余李
Original assignee: Mingfeng Medical System Co Ltd
Current assignee: Mingfeng Medical System Co Ltd; Minfound Medical Systems Co Ltd
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2030-05-29

Abstract

本实用新型提供了一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，涉及PET探测器技术领域，包括SiPM阵列、前沿甄别电路、模拟成形电路、自检信号产生电路、多路选择器、自检控制模块、时间测量电路、能量测量电路和FPGA芯片；利用多路选择器选择SiPM阵列输出信号或者自检信号，然后通过前沿甄别电路和时间测量电路得到时间信息，通过基于模拟成形和数字积分的能量测量电路得到信号的能量信息。而自检控制模块能够控制前端自检电路产生自检信号并完成一系列任务。本实用新型自检装置能够产生类SiPM信号并完成一系列开机状态自检、电路参数标定以及电路问题检测功能，方便开发者前期系统调试和后期系统检测。

Description

基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，属于PET探测器技术领域。

背景技术

基于硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier,SiPM）器件的正电子发射计算机断层显像（Positron Emission Tomography，PET）探测器的原理是将晶体模块捕获的高能Gamma光子转化成的低能可见光信号通过光电效应，利用SiPM转化为模拟电信号，并利用前端电路将模拟电信号进行放大成形，再利用能量测量装置和时间测量装置（Time-DigitalConverter，TDC）得到该模拟电信号的能量和达到时间信息，将所测数据通过光纤（或其他媒介）上传给后端的数据获取系统（Data Acquisition，DAQ）。DAQ根据前端模块上传数据进行在线符合和判选，最终通过图像重建算法得到放射源图像。对于数量繁多的前端电路，由于目前使用的PET探测器中无前端电路自检电路，开发者一般借助外部任意波形的信号发生器或者SiPM探测器来进行调试，从而判断系统工作状态和性能是否正常，这无疑会增加调试成本和开发周期。另外，当整个系统运行中前端电路出现问题时，用户或开发者也无法快速判断是SiPM还是电子学哪一部分出现的问题，为此增大了维修成本。

因此，有必要设计在线自检装置来监控电路状态和完成基本功能测量。

其次，模数转换器（Analog-Digital Converter，ADC）测量范围固定，无法自动调整而充分利用其量程。无法实现阈值在线自动标定和电路增益监测功能；

基于此，做出本申请。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提供了一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，能够产生类SiPM信号并完成一系列开机状态自检、电路参数标定以及电路问题检测等功能，方便开发者前期系统调试和后期系统检测。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，所述前端电路包括SiPM阵列、前沿甄别电路和模拟成形电路；所述自检装置包括

自检信号产生电路，用于产生具有能量的类SiPM信号的自检信号；

多路选择器，其输入端连接自检信号电路的输出端和SiPM阵列的输出端，用于选择SiPM阵列输出信号或者自检信号；多路选择器的输出端连接所述前沿甄别电路和模拟成形电路的输入端；

自检控制模块，用于控制所述自检信号产生电路产生自检信号；

时间测量电路，用于对来自前沿甄别电路的信号进行时间测量得到时间信息；

能量测量电路，用于对来自模拟成形电路的信号进行能量测量得到能量信息；

FPGA芯片，根据得到的时间信息和能量信息与自检信号进行比对分析，判断是否出现异常。

所述自检控制模块、时间测量电路和能量测量电路均集成于所述FPGA芯片内。

自检控制模块控制前端自检信号产生电路产生一系列特定能量和频率的自检信号，给定基线和阈值，

通过ADC芯片实现基线测量，然后通过测量大量信号并取平均，得到能量测量电路的增益并保存，上传给上位机提供给用户进行检测，如果与给定基线相比，增益过大或过小异常出现，产生报警数据包上传给用户。

通过比较给定阈值，如果时间测量频率与用户设定的自检信号产生频率基本一致，则证明时间测量电路工作基本正常，否则产生报警数据包上传给用户。

进一步地，为了使基线或阈值合理，本实用新型加入了基线调整和阈值调整。

本实用新型的原理和有益技术效果：

（1）本实用新型设计了在线产生类SiPM信号的自检电路，能够控制产生特定能量和频率的自检信号，代替SiPM信号完成电路检测和测量，降低研发周期和成本；

（2）本实用新型利用自检电路，可以实现ADC基线校准、时间测量阈值自动标定、能量测量电路增益监测以及TDC非线性修正；

（3）本实用新型利用自检电路，方便开发者或用户在探测器出现问题后能够在线快速定位问题来源。

由此可见，本实用新型的一种应用在PET中的前端电路在线自检装置，能够产生类SiPM信号并完成一系列开机状态自检、电路参数标定以及电路问题检测等功能，方便开发者前期系统调试和后期系统检测。

附图说明

图1为本实施例的整体结构示意图；

图2为ADC输入端驱动差分运放示意图；

图3为本实施例系统自检流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型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：

本实施例的一种应用在PET中的前端电路在线自检装置，能够产生类SiPM信号并完成一系列开机状态自检、电路参数标定以及电路问题检测等功能。系统整体结构示意图如图 1所示，其中数字处理部分采用现场可编程逻辑门阵列（Field programmable gatearray，FPGA）完成。利用多路选择器选择SiPM阵列输出信号或者自检信号，然后通过前沿甄别电路和基于FPGA的TDC（FPGA-TDC）得到时间信息，通过基于模拟成形和数字积分的能量测量电路得到信号的能量信息。而自检控制模块能够控制前端自检电路产生自检信号并完成一系列任务。能量信息、时间信息以及自检结果可以通过高速接口（如PCIE等）上传给上位机，并且上位机能够下发自检任务或参数到前端FPGA芯片中。本实施例具体包括SiPM阵列、自检信号产生电路、能量和时间测量电路、自检控制模块等。

具体实施方法如下：

（4.1）所述SiPM阵列由8X8 SiPM探测单元组成，完成行列电流加和，减少系统通道数；

（4.2）所述自检信号产生电路利用商用开关芯片和阻容，通过FPGA控制开关打开和闭合，根据电容充放电原理产生特定能量的类SiPM信号；

（4.3）所述能量和时间测量电路及逻辑具体实施过程如下：

（4.3.1）模拟成形电路将信号成形为准高斯信号，然后利用ADC进行模数变换，并将数字化信息送入FPGA内进行数字积分，得到信号能量信息；

（4.3.2）时间测量电路基于前沿定时和FPGA-TDC，得到信号到达时间信息；

（4.4）所述自检模块主要完成一系列自检任务，流程图如图 3所示，具体实施过程如下：

（4.4.1）系统上电或用户强制启动自检后，流程控制模块通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）配置Vref，然后开关控制模块控制前端自检电路产生一系列特定能量（Q）和频率（f）的自检信号；

（4.4.2）根据已知的自检信号幅度，调整时间测量电路阈值Vth（时间测量阈值自动标）。根据S-curve法，当触发率为50%时时间测量电路阈值与自检信号幅度基本一致。然后根据自检信号能量Q，得到需要配置的时间测量电路相对甄别阈值（例如0.1Q）；需要说明的是，基线标定有利于提高能量测量性能；由于时间测量必须有合理的阈值，因此阈值标定是时间测量的必要步骤。

（4.4.3）能量测量利用ADC芯片的固有延迟进行基线测量并取平均，合理的基线和幅度应该充分利用ADC芯片的量程。如图2所示为ADC输入端驱动差分运放电路。ADC测量基线（差分运放输出正负差）可以通过调整差分运放正输入端的Vset引脚调整。如果ADC测量基线不合理，甚至造成量程溢出，FPGA控制Vset进行调整，直到基线位置和量程合理为止。通过调整ADC测量基线，可以充分利用ADC的测量范围，提高测量精度；

（4.4.4）根据（4.4.3）步骤，通过测量大量信号并取平均，得到能量测量电路的增益并保存在FPGA内部存储器，上传给上位机提供给用户进行检测。如果增益过大或过小异常出现，产生报警数据包上传给用户；

（4.4.5）根据（4.4.3）步骤，得到时间测量结果。如果时间测量频率与用户设定的自检信号产生频率基本一致，则证明时间测量电路工作基本正常，否则产生报警数据包上传给用户；需要说明的是，时间测量得到的频率和用户控制的信号产生频率一致是基本检测，若无电路硬件故障，阈值设置只要不太高或不太低均可测到自检信号。但实际使用时，阈值需要设置在一个比较好的值，即可获得较好的时间分辨率，因此需要上述时间甄别阈值调整。

（4.4.6）利用自检电路产生的信号，利用码密度法完成FPGA-TDC的非线性修正，并把修正结果存放于FPGA内部存储器中；

（4.4.7）完成自检，控制多路选择器选择SiPM阵列信号，进入正常测量模式。

以上内容是结合本实用新型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，不能认定本实用新型具体实施只局限于上述这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，所述前端电路包括SiPM阵列、前沿甄别电路和模拟成形电路；其特征在于：所述自检装置包括

2.如权利要求1所述的一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，其特征在于：所述自检控制模块、时间测量电路和能量测量电路均集成于所述FPGA芯片内。

3.如权利要求1所述的一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，其特征在于：所述自检控制模块包括SPI配置模块、流程控制模块、开关控制模块和信号产生模块；所述流程控制模块通过所述SPI配置模块配置Vref，然后所述开关控制模块控制前端自检信号产生电路产生一系列特定能量和频率的自检信号。

4.如权利要求3所述的一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，其特征在于：所述SPI配置模块根据已知的自检信号幅度，调整时间测量电路阈值，然后根据自检信号能量得到需要配置的时间测量电路相对甄别阈值。

5.如权利要求4所述的一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，其特征在于：根据S-curve法，当触发率为50%时，时间测量电路阈值与自检信号幅度基本一致。

6.如权利要求1所述的一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，其特征在于：所述模拟成形电路与能量测量电路之间通过ADC芯片连接，利用ADC芯片的固有延迟进行基线测量并取平均。

7.如权利要求6所述的一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，其特征在于：所述ADC芯片输入端连接有驱动差分运放电路，差分运放输出正负差作为ADC测量基线，ADC测量基线通过差分运放正输入端的Vset引脚进行调整；所述FPGA控制Vset引脚进行调整，直至基线位置和ADC芯片量程合理为止。

8.如权利要求6所述的一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，其特征在于：通过测量大量信号并取平均，得到能量测量电路的增益并保存，上传给上位机提供给用户进行检测，如果增益过大或过小异常出现，产生报警数据包上传给用户。

9.如权利要求3所述的一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，其特征在于：如果时间测量频率与用户设定的自检信号产生频率基本一致，则证明时间测量电路工作基本正常，否则产生报警数据包上传给用户。

10.如权利要求1所述的一种基于SiPM的PET探测器前端电路在线自检装置，其特征在于：利用自检电路产生的信号，并结合码密度法完成FPGA-TDC的非线性修正，并把修正结果存放于FPGA内部存储器中。