固态光电倍增管信号的主动脉冲成形的制作方法

本文公开的主题涉及用供诸如基于X射线和核医学的成像系统的成像系统中使用的检测系统。

诊断成像技术允许获得患者的内部结构的图像，并且可以提供关于患者的内部结构的功能和完整性的信息。诊断成像系统可以基于各种物理原理工作，包括来自患者组织的辐射的发射或透射。例如，基于X射线的成像系统可以跨成像体积将来自某一发射源的患者处的X射线集中到与源相对的设置的监测器系统上。当X射线通过体积并且通过放置在源和检测器之间的任何材料或组织时，X射线的衰减可以被确定，并且用来无损地形成被成像的患者或物体的内部区域的图像。可以在各种角位移处获得这种衰减信息，以便生成与衰减信息一致的深度信息。

此外，单光子发射计算机断层扫描(SPECT)和正电子发射断层扫描(PET)可以利用放射性药物，所述药物被给药到患者并且药物的分解导致从患者体内的位置发射γ射线。放射性药物通常基于体中的生理或生化过程进行选择，以便优选地或差别地分布在身体中。例如，可以选择放射性药物，其优选地被肿瘤组织处理或吸收。在这个实例中，放射性药物通常将以更大的浓度设置在患者内的肿瘤组织周围。

在PET成像的上下文下，放射性药物通常在患者内分解或衰减，释放出正电子，当正电子遇到电子时湮灭，并且在该过程中产生一对在相反方向上移动的γ射线。在SPECT成像中，当放射性药物在患者内分解或衰减时，生成单个γ射线。这些γ射线与相应PET或SPECT扫描仪内的检测机构相互作用，这允许衰减事件被定位，由此提供放射性药物遍及患者分布位置的视图。以这种方式，护理员能够目视放射性药物在患者内不成比例分布的地方，并且由此可以识别具有诊断意义的生理结构和/或生化过程位于患者内的地方。

在成像技术的以上示例中，采用检测器，其将入射的辐射转变为能够用在图像形成中的有用电信号。某些这类检测器技术采用了固态光电倍增管，其对于检测响应于入射的辐射而在闪烁体中生成的光信号可以是有用的。可能引起的一个问题是在其中采用固态光电倍增管的某些检测器技术中，由于由固态光电倍增管内的微单元生成的模拟信号的长脉冲所引起检测器像素生成具有弱时间分辨率的信号。然而，用来解决这些问题的当前的诸如使用数字固态光电倍增管电路系统的方法是复杂的，并且将成本增加到检测器组件的生产。

技术实现要素：

在一种实施例中，提供了一种辐射检测器。辐射检测器包括：闪烁体层，闪烁体层配置成响应于入射的辐射而生成光子；以及包括多个微单元的固态光电倍增管。响应于由闪烁体生成的光子，每个微单元配置成生成具有大约2ns或更短的持续时间的数字脉冲信号。

在另外实施例中，提供了一种固态光电倍增管。固态光电倍增管包括多个微单元。每个微单元配置成当暴露到光量子时生成初始模拟信号。微单元包括电子电路系统，电路系统将初始模拟信号与比较参数进行比较，并且基于比较而生成具有大约2ns或更短的持续时间的数字输出信号。

在附加的实施例中，提供了一种成像系统。成像系统包括检测器面板，检测器面板包括多个固态光电倍增管模块。每个光电倍增管模块包括多个微单元。每个微单元包括比较器，其配置成将由相应微单元生成的初始模拟信号与比较阈值进行比较；以及数字脉冲发生器，其配置成响应于比较器的输出而生成数字脉冲。数字脉冲具有2ns或更短的持续时间。成像系统还包括数据采集电路系统，其配置成从检测器面板采集输出信号。使用在固态光电倍增管上聚集的数字脉冲推导出输出信号。成像系统也包括图像重建和处理电路系统，其配置成基于由数据采集电路系统采集的输出信号生成图像；以及至少一个图像显示工作站，其配置成成显示图像。

附图说明

当参照附图阅读以下的详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面和优势将会变得更好理解，其中贯穿附图，相似的符号表示相似的部件，其中：

图1是根据本公开的方面的PET成像系统的图解表示；

图2是根据本公开的方面的用于PET数据采集系统的前端的一个示例的方框图；

图3描绘根据本公开的方面的检测器元件的透视图；

图4描绘微单元信号生成路径的简化的电子模型；以及

图5描绘使用模拟微单元信号进行信号求和的示例；

图6描绘根据本公开的方面的微单元信号生成路径的电路类型视图；

图7描绘根据本公开的方面的点火(firing)微单元的简化的电子模型；

图8描绘根据本公开的方面的使用数字微单元信号进行信号求和的示例；

图9描绘根据本公开的方面的微单元信号生成路径的备选的电路类型视图；以及

图10描绘根据本公开的方面的使用数字微单元信号进行信号求和的广义示例。

具体实施方式

根据本公开，描述了用于改进固态光电倍增管(例如，硅光电倍增管(SiPM))结合辐射检测的有效性的方法。

如上所述，存在采用合并以盖革模式操作的微单元(例如，单光子雪崩二极管(SPAD))的光传感器的各种辐射检测方法。这些方法中的某些已经实现在大范围设备中，诸如可以被用在核检测器中。例如，在SiPM设备中，每个个别的微单元可经由展现在100kΩ至1MΩ之间的电阻的熄灭电阻器而连接到读出网络。当检测光子生成雪崩事件时，微单元被放电降至击穿电压，并且再充电电流创建量化放电事件的可测量信号。通常，与单个光电子(SPE)信号相关联的脉冲形状具有快速的上升时间，随后是长下降时间。当这类脉冲跨众多的微单元诸如跨形成SiPM设备像素的大量微单元聚集时，由于单个微单元响应与检测光脉冲的卷积，求和信号的得到脉冲形状具有缓慢的上升时间(例如，在数十纳秒中)。因此，对于给定的光脉冲，由于聚集信号的缓慢上升时间，采用这些设备很难实现良好的时间分辨率。

在一种方法中，为解决该问题，采用了数字SiPM。在该方法中，使用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺在相同的硅晶圆上生产用于每个微单元(例如，SPAD)的特殊电子电路系统。该电路系统的功能是要检测雪崩事件并且主动地熄灭微单元。每个电路系统具有存储器元件(诸如1个或多个比特元件)。专用网络树用于从所有的微单元采集时间戳。为获得每个事件检测光子的数量信息，运行专用读出循环，这要求将专用数字控制器用于每个数字SiPM。这种方法是不期望地复杂。

如本文中所讨论的，目前的方法解决了与使用SiPM生成的长脉冲模拟信号相关联的问题，而未引入数字SiPM的复杂性。作为示例，在一种实现中，在SiPM制造期间为每个微单元创建小型电子电路系统。该电路系统检测雪崩发展(development)，并且在读出网络中生成与常规的模拟脉冲相反的非常短(例如，大约0.2ns至2.0ns)的数字脉冲(即，“单触发(one-shot)”)。该主动式感测方法确保了稳定的增益、低过量噪声因子以及潜在的更高光检测效率(PDE)。目前的SiPM设备提供了快速的SPE响应，稳定的增益以及降低的温度灵敏度。此外，如本文中所讨论的，使用目前的SiPM设备允许简化的读出电子设备，并且对于采用目前SiPM的辐射检测器的更好的能量和时间分辨率。

本文中讨论的实施例涉及核成像系统诸如正电子发射断层扫描(PET)或单光子发射计算机断层扫描(SPECT)成像系统或者包括这种PET或SPECT成像功能性的组合式或混合式成像系统(例如，PET/MR、PET/CT、或SPECT/CT成像系统)中的检测器的读出。然而，应当理解，目前的SiPM设备也可以用在其他类型的用于检测辐射或核粒子的成像模态或者检测器中，诸如用在基于X射线的成像模态(例如，荧光镜检查、乳房造影术、计算机断层扫描(CT)、层析X射线照相组合、血管造影术等等)中的放射性摄影检测器中。然而，为了简化说明并且为了便于在一个具体示例的上下文中进行讨论，目前的讨论将被提供在核成像系统的上下文中。

鉴于前述事项并且现在转向附图，图1描绘根据本公开的某些方面操作的PET系统10。尽管PET系统10在本文中被描述并且被讨论，应当领会，目前的方法也可以在其它的成像环境中，诸如在SPECT或CT成像系统中是有用的。

描绘的PET系统10包括检测器组合件12、数据采集电路系统14以及图像重建和处理电路系统16。如在图1中描绘的，PET系统10的检测器组合件12通常包括设置在成像体积周围的许多检测器模块(通常由参考数字18指定)。如在本文中讨论的，检测器组合件12经由模块18，可以配置成响应于由正电子湮灭事件生成并且从成像体积内的受试者发射的γ射线而生成信号。在某些实现中，检测器组合件12可以包括闪烁体和光子检测电子设备。检测器组合件12可以具有用于采集PET数据的任何适当的构造和配置。例如，如同在描绘的示例中一样，检测器组合件12能够配置为完整的或者部分的环。

在某些实现中，γ射线可以在诸如检测器组合件12或检测器模块18的闪烁体中被转变为低能光子，所述光子依次可以被检测并且在检测器模块18中被转变为电信号，所述电信号能够被调节并被处理，以输出数字信号。在某些成像应用中，为了克服响应于闪烁体处的撞击辐射而生成的低量光量子(即，低信号水平)，固态光电倍增管(SiPM)可以与闪烁体组合以提供信号的放大。

由检测器模块18生成的信号能够被用于将γ射线对检测匹配为潜在的符合事件。也就是说，在这种PET实现中，当两个γ射线撞击相对的检测器时，可以确定正电子湮灭发生在连接两个撞击位置的线上的某个地方(不存在随机和散射检测相互作用的影响)。在SPECT实现中，可以代替地至少部分基于与检测器组合件相关联的准直来推测飞行信息的路线。收集的数据诸如通过图像重建和处理电路系统16能够被分类和积分，并且用在随后的处理中。

因此，在操作中，检测器采集电路系统14被用于从检测器组合件12的检测器模块18读出信号，其中，响应于在成像体积内发射的γ射线而生成信号。由检测器采集电路系统14采集的信号被提供至图像重建和处理电路系统16。图像重建和处理电路系统16基于推导的γ射线发射位置生成图像。由系统操作员利用操作员工作站26将控制指令提供到一些或全部的描述组件，并且用于配置各种有助于数据采集和图像生成的操作参数。操作工作站26也可以显示生成的图像。备选地，生成的图像可以被显示在远程的观察工作站处，诸如图像显示工作站28处。

应当领会，为便于说明并讨论PET系统10的操作，在图1中与其它图示组件(例如，检测器组合件12、操作员工作站26以及图像显示工作站28)单独地示出检测器采集电路系统14以及图像重建和处理电路系统16。然而，应当领会，在某些实现中，这些电路系统中的一些或全部可以作为检测器组合件12、操作员工作站26和/或图像显示工作站28的一部分而被提供。例如，在数据采集电路系统14上运行或者作为数据采集电路系统14的一部分而被提供的硬件、软件和/固件，不论是作为检测器组合件12、操作员工作站26和/或图像显示工作站28的一部分而被提供，都可用于执行本文中描述的各种检测器读出和/或控制动作。在某些实现中，数据采集电路系统14可以包括专门配置或编程的硬件、存储器或处理器(例如，专用集成电路(ASIC))，用于执行如本文中所讨论的检测器读出步骤。类似地，这些读出功能中的一些可以使用一个或多个通用的或专用的处理器执行以及存储配置成在这类处理器上运行的代码或算法。同样，专用硬件和/或电路系统的组合可以结合一个或多个配置成运行存储的代码以便实施现本文中讨论的步骤的处理器一起使用。

鉴于前述，将更加详细地讨论诸如在图1中描绘的实现的系统的实现中的检测器技术。尤其是，PET或SPECT系统可以利用固态光电倍增管的阵列(例如，SiPM)设备，作为诸如在检测器模块18中的γ射线检测机构的一部分。这类SiPM设备在某些实现中可以采取微单元阵列的形式(例如，被动熄灭的盖革模式雪崩光电二极管(APD))，用于检测撞击的光子。通常，用于光子检测的SiPM设备能够提供关于某些参数的信息，诸如撞击事件的时间、与事件相关联的能量以及事件在检测器内的位置。通过处理应用到由SiPM生成的输出信号的算法能够确定这些参数。

在一种实施例中，多通道读出前端专用集成电路(ASIC)与PET(或SPECT)系统中的SiPM阵列接口。ASIC可以作为图1的数据采集电路系统14的一部分而被提供，并且可以配置成将关于时间、能量以及事件在每个SiPM中的位置的信息以及偏压每个SiPM的能力提供到处理系统(例如，处理电路系统16)。

转向图2，描绘方框图，其表示诸如可以和图1的PET系统10一起使用的PET数据采集系统30的前端的一个示例。PET数据采集系统30可以包括多个SiPM 40以及多个ASIC 36，作为检测器模块18和/或数据采集电路系统14的一部分。响应于γ射线相互作用而在闪烁体中生成的光被SiPM检测并且被放大。在该示例中，每个SiPM 40包括一个与ASIC 36电子通信的阳极输出34。也就是说，SiPM 40的输出是至相应ASIC 36的输入。ASIC 36依次提供一个或多个定时信号、能量信号和/或位置信号作为输出。在由ASIC 36处理之后，由ASIC 36输出的这些信号中的每一个对应于从相应SiPM 40获得的信息。作为非限定性的示例，在一种实施例中，数据采集系统30的前端能够包括十八个(18)SiPM40。然而，在其它的实施例中，其它数量的SiPM 40可以存在于数据采集系统30内。

在某些实现中，使用硅作为半导体材料形成每个SiPM像素40，尽管替代地可以使用其它适当的半导体材料(例如，除了别的以外SiC，AlxGal-xAs、GaP、GaN及其合金)。如本文中所讨论的，每个SiPM像素40包括多个被称为微单元的宏观单元。通过说明，在图3中示出单个SiPM40，以图示目前概念中的某些概念。SiPM 40上的微单元46的数量通常足以为SiPM 40提供有效的动态范围。SiPM 40的面积足以覆盖形成于闪烁体42上的一个或多个晶体元件50。然而，应当领会，SiPM 40的确切数量和密度将通过由操作员预期的图像分辨率以及其它已知因素来确定。

如在图3中描绘的，单个SiPM像素40由多个雪崩光电二极管(APD)或“微单元”46组成，其将从闪烁体42到达的单个光量子放大为输出信号。通常，每个SiPM 40将包含大量的微单元46(例如，每平方毫米有100到2500个APD)。在某些实施例中，微单元46的每一个可以具有20微米到100微米的长度。在一个实现中，微单元46中的每一个作为个别的盖革模式APD在高出击穿电压几个伏特下操作，其中每个微单元46实质上等同于所有的其它微单元。在这种操作模式中，当一个或多个光子被那个微单元46吸收时，由光量子的吸收生成的电子启动限制到个别微单元46的雪崩击穿。

每个微单元46独立于其它微单元而运行，以便检测光子。从微单元46发射电荷的单个离散单元，与在其中被吸收的光子数量无关。也就是说，对于每个盖革击穿，微单元46的输出信号将具有基本上相同的形状和电荷。在一个实施例中，微单元并行地电连接，以便在其上信号被聚集的一些区域诸如SiPM 40上产生积分电荷。微单元46的求和的放电电流指示辐射在给定区域上的入射。该准模拟输出能够提供关于在对其信号被聚集的区域上的入射光子通量的幅度信息。

转向图4，描绘了微单元46的简化电模型的示例，其中微单元是这类单元的SiPM阵列内的多个微单元之一。在一个示例中，描绘的微单元可以是在模拟SiPM内以盖革模式操作的单光子雪崩二极管(SPAD)阵列的一部分。在描绘的示例中，模型具有相联的阴极52和阳极54以及下游的负载56。模型的微单元部分70包括二极管电容器58和电流脉冲66，诸如可以与光电二极管相联。在描绘的示例中，熄灭电路系统78包括熄灭电阻器72和寄生熄灭电容器60。在该示例中，在熄灭电路系统78的下游，寄生电阻器62和寄生电感器64被建模。

在该模型中，微单元70的每个个别的APD，诸如描绘的微单元，经由包含熄灭电阻器(Rq)72的熄灭电路系统78而被连接到读出网络，电阻器具有大约100kΩ到大约1MΩ之间的典型数值。当检测光子生成雪崩事件时生成脉冲电流66，并且微单元二极管电容Cd 58放电降至击穿电压，并且再充电电流创建可测量的输出信号。单个光电子(SPE)信号的典型脉冲形状74具有快速的上升时间(即，急剧的上升沿)，随后是长下降时间(即，缓慢下降的尾部(tail))。

转向图5，为了诸如在SiPM像素上进行求和，输出了常规的模拟脉冲74。在图5中描绘了在许多微单元上进行求和，对于给定求和事件，其可以包括点火微单元86以及非点火微单元88(对于其，无信号74被输出)。由于单个微单元响应与检测光脉冲的卷积，聚集的信号92的得到脉冲形状具有缓慢的上升时间(例如，在数十纳秒中)，这产生了弱时间分辨率。在描绘的实例中，输出信号的聚集可以经受电路寄生90(例如，寄生电阻器62和/或寄生电感器64)。

根据目前的方法，在SiPM 40的制造期间，小型电路系统被合并在用于每个微单元46(例如，SPAD)的电路中。该电路系统检测雪崩发展并且在读出网络中生成短(例如，在大约0.2ns至2.0ns之间，诸如大约1ns或更短)数字脉冲(例如，“单触发”)。

作为示例，并且转向图6，描绘了根据目前方法的具有雪崩光电二极管98的微单元电路的一个示例的电路图100。在该示例中，微单元46合并集成的电子设备感测。根据该电路，来自点火微单元46的脉冲74与在常规微单元中看到的脉冲相同，即，具有缓慢下降的尾部的急剧的上升沿。然而，在电路100中提供了比较器102，诸如施密特触发器，随后是单触发脉冲发生器104，以便在信号感测节点108处感测信号。在描绘的示例中，比较器102将在信号感测节点108处感测的信号与阈值电压(Vth)进行比较。也就是说，根据关于单触发脉冲发生器104是否被触发的确定，电路100以电压模式操作。在描绘的示例中，数字单触发脉冲发生器104响应于比较器102的输出而被触发(即，信号感测节点108处的信号超过了阈值电压Vth吗？如果是，则生成单触发脉冲，如果不是，则什么也不做)。在一个实现中，生成的脉冲是短持续时间(例如，大约1ns或更短)数字脉冲110(诸如正方形波形)，提供用于在一些区域(例如，在SiPM水平)上进行求和，而不是对常规提供的作为输出(例如，脉冲74)的模拟脉冲进行求和。如将领会，尽管正方形波形作为示例而被描绘，但是数字脉冲110可以采取非正方形的形式，诸如高斯型的或三角形的波形，或者任何其它适当的预定波形类型。如将领会，数字脉中110的幅度和持续时间通过设计而被固定。这与模拟脉冲诸如脉冲74相反，其中模拟脉冲的幅度部分取决于对温度敏感的Vbr。

通过对来自于SiPM 40中存在的多个微单元46的单触发脉冲进行求和而生成的得到波形是短持续时间数字脉冲100的卷积，诸如正方形(或高斯型的或三角形的或者任何其它的预定形状)波形(与长尾的模拟脉冲74相反)。结果，求和或者以其它方式聚集的数字脉冲110向具有短上升时间(与求和的模拟信号相反)的信号输出提供了与闪烁体脉冲相关联的降低的上升时间。

转向图7，对应于图6的电路100示出简化的电模型120。如在该模型中描绘的，在信号感测节点108处感测的脉冲74被用作比较器102(例如，施密特触发器)的输入。在给定读出期间，基于与阈值电压(Vth)的比较，比较器102的输出确定单触发脉冲发生器104是否被触发-如果被触发，则单触发脉冲发生器104生成数字脉冲110，作为至下游的求和节点的输出。

作为示例，图8描绘了微单元46的系列或阵列(即，1-N)。为了简化描绘，仅详细示出第一微单元的组件。在该示例中，微单元46的各种数字脉冲输出被聚集并且被诸如求和电路系统130进行求和，并且在检测器读出期间作为SiPM 40的输出而被提供。

尽管先前的论述通常涉及操作的电压模式，但是在其它的实施例中可以采用操作的电流模式。作为示例，并且转向图9，描绘了适合用在SiPM 40中并且合并电流模式的电子设备感测的微单元46。在该示例中，偏压和电流感测组件134被包含在微单元46中。偏压和电流感测组件134向雪崩光电二极管98提供偏压，并且感测流经雪崩光电二极管98的电流，如在图9中的Iin示出的。偏压和电流感测组件134依次输出电流Iout至电流比较器136。类似于电压比较器，电流比较器136将从偏压和电流传感器134接收的电流与阈值电流Ith进行比较。基于该比较，在读出间隔期间触发或不触发单触发脉冲发生器104。如果被触发，则单触发脉冲发生器104生成短持续时间的数字脉冲110，例如具有小于2.0ns或1ns的持续时间的正方形的(或高斯型的或三角形的)波形，作为至SiPM内的求和节点的输出。

鉴于前面的讨论，图10描绘了用于微单元的广义体系结构，其具有在像素内被求和的集成电子设备。在该示例中，像素阵列内的微单元46(1-N)合并电子设备，并且能够以电压模式或电流模式操作，如上面所讨论的。此外，在某些实施例中，阵列内的不同微单元46可以以不同的模式操作。例如，某些微单元46可以以电压模式操作，而其它的微单元可以以电流模式操作。备选地，微单元46可以合并在任一种模式中操作的必要电路系统，并且由此可以基于系统或用户指令而在模式间是可切换的。

如在该示例中所描绘的，在读出操作期间，微单元46的数字脉冲输出110可以被提供到SiPM 40内的求和电路或组件。求和的数字脉冲输出可以依次作为SiPM 40的输出而被提供。

本发明的技术效果包括但不局限于具有快速的单个光电子响应、稳定的增益以及降低的温度灵敏度的SiPM。技术效果也包括改进的能量和定时分辨率。技术效果同样包括供在固态光电倍增管中使用的微单元，其中微单元能够输出以电流模式或以电压模式操作的数字脉冲。

本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何合并方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们处于权利要求的范围之内。