光子测量前端电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电路领域，具体地，涉及一种光子测量前端电路。
【背景技术】
[0002]在高能光子(x射线、伽玛光子等)测量系统的前端检测装置一般包含闪烁晶体、光电检测器(或称光电传感器)和光子测量前端电路三部分。高能光子与闪烁晶体相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电传感器把可见光子群携带的光信号转换为电信号。光子测量前端电路的主要目的是通过测量光电传感器产生的电信号，来获取高能光子的能量和到达时间。例如，在正电子发射成像(pet)及单光子发射成像(spect)系统中，伽玛光子与闪烁晶体，例如硅酸钇镥(lyso)晶体，相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电传感器，例如光电倍增管(pmt)或者硅光电倍增管(sipm)等，把可见光子群携带的光信号转换为电信号。光子测量前端电路测量光电传感器产生的电信号，获取伽玛光子的能量和到达时间。
[0003]下面以sipm为例来描述光子测量前端电路的工作方式。sipm是一种基于娃的光电传感器。sipm由边长10?100微米左右的小的传感器微元(cell)组成。每个传感器微元都是工作在盖革(geiger)模式下的雪崩式光电二极管。每个传感器微元每次都只能检测一个可见光子。成百上千的传感器微元组成传感器单元(pixel)。传感器单元的面积通常为i平方毫米至几十平方毫米。很多传感器单元组合在一起，又可以组成更大的传感器阵列(例如16x 16个3毫米x 3毫米的传感器单元组成的阵列)。sipm阵列和闪烁晶体阵列通过光导层耦合在一起，就构成了基于sipm的前端检测器。基于sipm的前端检测器主要应用于pet系统的前端伽玛光子检测。相比于传统的pmt，sipm具有尺寸小、偏置电压低、时间分辨率高、与核磁共振(mri)磁场兼容等优点。sipm的主要缺点是存在较大暗电流、增益受温度影响较大、通道数目多、读出电路复杂等。
[0004]成百上千的传感器微元组成传感器单元时，与其相连的光子测量前端电路通常采用两种方式实现，即模拟方式(可称为模拟sipm)和数字方式(可称为数字sipm)。模拟sipm是将所有传感器微元的信号通过加法电路求和后，形成一路模拟信号输出。外部电路通过测量模拟信号的面积计算伽玛光子的能量，通过测量模拟信号的上升沿的时间，测量伽玛光子的到达时间。模拟sipm的缺点是增益受温度影响较大、时间分辨率较低。在数字sipm中，每个传感器微元检测到可见光子时，输出一个脉冲。后继数字电路对输出有效脉冲的传感器微元的个数进行计数，得到入射伽玛光子的能量。后继数字电路对传感器微元输出的脉冲的起始时间进行测量，得到伽玛光子的到达时间。这种方法的主要缺点是，需要后继数字电路读出数字化的能量和时间信号，光子测量前端电路与后继数字电路之间的接口较为复杂，例如其可能采用通用串行总线(usb)接口来实现。因此，当将光子测量前端电路扩展成阵列时，电路结构更加复杂，不易实现。
[0005]因此，需要提供一种光子测量前端电路，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。
【发明内容】
[0006]为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供一种光子测量前端电路。该光子测量前端电路包括与一个或多个传感器微元集合--对应的一个或多个信号处理电路以及主处理电路。一个或多个信号处理电路中的每一个包括与对应传感器微元集合中的一个或多个传感器微元一一对应的一个或多个前级处理电路以及后级处理电路。一个或多个前级处理电路中的每一个的输入端连接对应传感器微元的输出端，前级处理电路用于接收来自对应传感器微元的初始电流信号并且当初始电流信号的幅值大于电流阈值时输出脉冲电流信号。后级处理电路的输入端连接一个或多个前级处理电路中的每一个的输出端，后级处理电路用于对来自一个或多个前级处理电路中的每一个的脉冲电流信号进行处理以生成输出信号。主处理电路连接一个或多个信号处理电路中的每一个的后级处理电路的输出端，主处理电路用于根据来自一个或多个信号处理电路中的每一个的后级处理电路的输出信号对一个或多个传感器微元集合所检测到的光子进行测量。
[0007]根据本发明提供的光子测量前端电路，采用了与传感器微元一一对应的前级处理电路来对各传感器微元输出的信号进行前级处理，使得来自不同传感器微元的信号被量化处理，从而使得针对传感器微元的光子测量和性能检测能够实现，并且计算出来的入射伽玛光子的能量不受温度的影响。此外，信号处理电路与主处理电路之间的接口简单，可以很方便地将信号处理电路扩展成阵列。
[0008]在
【发明内容】
中引入了一系列简化的概念，这些概念将在【具体实施方式】部分中进一步详细说明。本
【发明内容】
部分并不意味着要试图限定所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
[0009]以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。
【附图说明】
[0010]本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
[0011]图1示出根据本发明一个实施例的光子测量前端电路的示意性框图；
[0012]图2示出根据本发明一个实施例的信号处理电路的示意性框图；
[0013]图3示出根据本发明一个实施例的划分传感器微元集合的示意图；
[0014]图4示出根据本发明一个实施例的信号处理电路的示意性框图；
[0015]图5示出根据本发明一个实施例的光子测量前端电路的电路示意图；
[0016]图6示出根据本发明一个实施例的后级处理电路和主处理电路的电路示意图；以及
[0017]图7示出根据本发明另一个实施例的后级处理电路和主处理电路的电路示意图。
【具体实施方式】
[0018]在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
[0019]根据本发明的一个方面，提供一种光子测量前端电路。图1示出根据本发明一个实施例的光子测量前端电路100的示意性框图。
[0020]如图1所示，光子测量前端电路100包括与一个或多个传感器微元集合一一对应的一个或多个信号处理电路110以及主处理电路120。一个或多个信号处理电路110中的每一个包括与对应传感器微元集合中的一个或多个传感器微元一一对应的一个或多个前级处理电路111以及后级处理电路112。图1所示的信号处理电路110以及各信号处理电路110中的前级处理电路111的数目仅是示例而非限制。
[0021]传感器微元可以是例如sipm微元。传感器微元集合是若干传感器微元组成的集合。每个传感器微元集合对应着一个信号处理电路110。传感器微元集合和对应的信号处理电路110的数目相等，两者的数目可以根据需要而定，本发明不对此进行限制。每个传感器微元集合可以包括一个或多个传感器微元。不同的传感器微元集合所包括的传感器微元的数目可以相同，也可以不同。在任意传感器微元集合中，每个传感器微元对应着一个前级处理电路111。同样地，每个传感器微元集合中的传感器微元和对应的前级处理电路111的数目相等，两者的数目可以根据需要而定，本发明不对此进行限制。为了描述方便，在下文中，以si表示传感器微元集合，其中i是传感器微元集合的序号，i = 1，2…m，m是传感器微元集合的数目；以s1cj表示传感器微元集合s 1中的传感器微元，其中j表示传感器微元在该传感器微元集合si中的序号，j = 1,2…ni, ni是传感器微元集合s ;中包括的传感器微元的数目。
[0022]—个或多个前级处理电路111中的每一个的输入端连接对应传感器微元的输出端。前级处理电路111用于接收来自对应传感器微元的初始电流信号并且当初始电流信号的幅值大于电流阈值时输出脉冲电流信号。该脉冲电流信号具有特定脉冲宽度、特定幅值和特定方向。本领域技术人员可以理解，当有效脉冲事件发生时，若干传感器微元会检测到可见光子并输出一个电流信号。有效脉冲事件是指伽玛光子引起的在传感器微元中产生电流信号的事件。然而，在未发生有效脉冲事件时，由于噪声等干扰因素的存在，传感器微元仍然可能输出具有一定强度的电流信号。通常有效脉冲事件发生时输出的电流信号的强度较大，因此通过电流信号的强度可以甄别出有效脉冲事件。可以预先设定一个电流阈值，当初始电流信号的幅值大于电流阈值时，可以认为有效脉冲事件发生，此时前级处理电路111可以输出一个脉冲电流信号，以表示有效脉冲事件发生。相反，当初始电流信号的幅值小于或等于电流阈值时，可以认为有效脉冲事件未发生，此时前级处理电路111可以不输出任何信号。这样，可以在一定程度上起到防噪声的作用。电流阈值可以根据需要设定为任何合适的值。当然，电流阈值也可以是o。可以理解的是，对于光子测量前端电路100中的所有前级处理电路111来说，其输出的脉冲电流信号具有相同的脉冲宽度、相同的幅值以及相同的方向。应当注意的是，在现有的数字sipm中，不同传感器微元输出的信号，经前端电路直接转换成数字脉冲信号，然后对数字脉冲信号的个数进行求和计算得出伽玛光子的能量。因此，这是一种直接对数字信号进行求和的方法，数字脉冲信号的宽度可以不相同，这与本发明不同。根据本发明的实施例，当传感器微元检测到可见光子时，前级处理电路输出具有特定脉冲宽度、特定幅值和特定方向的脉冲电流信号，使得后续的后级处理电路可以对脉冲电流信号进行诸如积分等处理，最终可据此计算得出伽玛光子的能量。所有前级处理电路ill输出的脉冲电流信号相同，使得在主处理电路计算伽玛光子的能量时，可以将各传感器微元检测到的可见光子的能量视为是一致的。由于在类似sipm的光电传感器中，传感器微元的数目很多，每个传感器微元的面积较小。因此，在有效脉冲事件发生时，可见光子群作用到大量的传感器微元上。传感器微元的个数远大于入射的可见光子的个数，每个传感器微元最多只能检测到一个可见光子。每个可见光子携带的能量是一样的。因此，检测到可见光子的各传感器微元所检测到的光信号的强度(或者能量)是相同的