[發明專利]用于提高數字硅光電倍增管的時間分辨率的方法

有效

• 申請號: 201080022948.7
• 申請日: 2010-04-15
• 公開（公告）號: CN102449503A
• 公開（公告）日: 2012-05-09
• 發明（設計）人: T·弗拉奇;G·普雷舍爾
• 申請（專利權）人: 皇家飛利浦電子股份有限公司
• 主分類號: G01T1/29
• 分類號: G01T1/29;G04F10/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 陳松濤;韓宏

以下內容涉及探測器領域。本發明尤其應用于與用于飛行時間正電子發射斷層掃描(TOF-PET)的輻射探測器結合，而且還應用于利用輻射傳輸和放射性藥物的其它核醫學成像儀，例如單光子發射計算機斷層掃描(SPECT)成像儀和正電子發射斷層掃描(PET)成像儀，以及平面X射線成像儀、射電天文學、用于高能粒子的探測器(例如，切倫科夫輻射、同步加速器輻射、比色法探測器等)等，并且將具體參照以上對本發明進行描述。應該理解，本發明還可以應用于其它輻射探測器模式，以及使用輻射探測器的系統和方法。

在正電子發射斷層掃描(PET)中，放射性藥物被注入成像對象，其中放射性藥物的放射性衰變事件產生正電子。每個正電子與電子相互作用以產生發出兩個相反指向的伽馬(γ)射線的正負電子湮滅事件。使用并發(coincidence)探測電路，圍繞成像對象的輻射探測器的環形陣列探測與正負電子湮滅相對應的并發的相反指向伽馬射線事件。連接兩個并發探測的響應線(LOR)與正負電子湮滅事件的位置相交。這樣的響應線類似于投影數據并且可以被重建以產生二維或三維圖像。在飛行時間PET(TOF-PET)中，使用兩個并發γ射線事件的探測之間的小時間差對沿著LOR(響應線)的湮滅事件進行定位。

PET系統的性能受靈敏度、時間分辨率和響應以及噪聲的影響。PET輻射探測器模塊傳統上包括光電倍增管(PMT)的陣列，其利用中間光導層與閃爍器晶體光耦合。還已經提出采用固態光電探測器，諸如光耦合到像素化閃爍器的數字硅光電倍增管(SiPM)。SiPM是基于工作在蓋革(Geiger)模式下的雪崩光電二極管(APD)。它們的特征在于提高了對于γ射線的靈敏度而對于散射效應較不靈敏；然而，它們傾向于暗計數，這無法引起光子吸收。

時間數字轉換器(TDC)輸出與每個探測輻射事件相關聯的時間戳(timestamp)。該時間戳由并發探測電路用來確定并發對和對應的LOR，并且也由飛行時間測量電路使用。傳統上，TDC由粗略(coarse)計數器和精細(fine)計數器構成。粗略計數器是配置為對參考時鐘的上升沿計數的數字計數器。在探測到事件時，在粗略計數器的輸入處的切換(switch)被鎖存到寄存器中作為時間戳的一部分。精細計數器測量探測事件和參考時鐘的隨后上升沿之間的時間差作為時間戳的剩余部分。輸出是具有通常小于100皮秒的時間分辨率的時間戳。

然而，由于被稱為亞穩定性(meta-stability)的現象，可能會或不會探測到事件。亞穩定性是通常持續不定期發生在具有一個或多個異步輸入的同步電路中的不穩定狀態。觸發器(flip?flop)是一個在某些條件下易于受亞穩定性影響的設備。觸發器具有兩個邏輯狀態，輸入處的變化使觸發器在這兩個狀態之間交替。然而，如果輸入在設置或保持時間期間改變，則觸發器進入這兩個邏輯狀態之間的亞穩定狀態。該亞穩定狀態最終衰減為這兩個邏輯狀態之一，但是衰減時間使得難以進行準確的時間測量。

在TDC的示例中，輸入連接到響應于由光電探測器生成的探測信號而被鎖存的觸發器。如果在參考時鐘的上升沿期間出現探測信號，由此，觸發器進入亞穩定狀態，則直到參考時鐘的下一個上升沿才探測到該事件。在TDC的輸入處的亞穩定性會嚴重影響時間戳的精確性，因此減小了并發探測的精度，這會將顯著的噪聲引入圖像。

SiPM的固態性質允許將數字TDC接近APD集成，因此提高了PET系統的時間分辨率。已經提出采用具有較短設置和保持時間的觸發器；然而，傳統TDC的實施方式因為電路設計仍然會受到亞穩定性的影響。

本申請提供一種適于PET探測器或其它電子設備的新的改善的計時電路，其克服了上述問題以及其它問題。

根據一方面，提供一種具有第一TDC和第二TDC的計時電路。第一TDC配置為基于第一參考時鐘信號來輸出第一時間戳，并且第二TDC配置為基于第二參考時鐘信號來輸出第二時間戳。基于第一時間戳和第二時間戳，電路輸出校正的時間戳。

根據另一方面，提供一種用于分配時間戳的方法。生成第一參考時鐘信號和第二參考時鐘信號，其中這些參考時鐘信號是非同步的。響應于探測事件，接收觸發信號。基于觸發信號和第一參考時鐘信號之間的時間關系確定第一時間戳，并且基于觸發信號和第二參考時鐘信號之間的時間關系確定第二時間戳。基于第一時間戳和第二時間戳輸出校正的時間戳。

一個優點在于提高了計時電路的時間分辨率。

另一個優點在于冗余度。

通過閱讀和理解以下詳細描述，本領域技術人員可以理解本發明進一步的優點。