使用光学探测器像素阵列和像素元触发状态感测电路来对辐射量子的探测的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及对辐射量子的探测，并且应用于高能粒子物理学应用和显微镜检查。这样的应用涵盖对焚光显微镜检查中和来自切连科夫福射的可见光子(optical photon)形式的辐射量子的直接探测，以及借助于由闪烁体元件产生的可见光子来对辐射量子的间接探测。本发明具体应用于PET成像系统和荧光寿命成像显微镜检查(FUM)，并且更具体地，本发明能够被使用在飞行时间(TOF)PET成像系统中。
【背景技术】
[0002]在PET成像中，在将诸如患者或动物的对象定位在PET成像区域中之前向其施予放射示踪剂。放射示踪剂优选被对象中的区域吸收，并且跟随摄入周期对其分布进行成像。随后，临床医生解读图像中的特定区域中的相对摄入，并且可以对对象执行诊断。放射示踪剂经历放射性衰变，这导致正电子的产生。每个衰变事件产生一个在人类组织中最多行进几毫米的正电子，随后所述正电子在所述人体组织中与电子在煙灭事件中相互作用，所述煙灭事件产生两个相反方向的伽玛光子。所述两个伽玛光子每个都具有51 IkeV的能量，并且随后所述两个伽玛光子被围绕PET成像区域径向设置的伽玛光子探测器探测到，所述伽玛光子探测器的每个在被入射伽玛光子撞击时产生电信号。在本文中被定义为包括与光学探测器光学通信的闪烁体元件的伽玛光子探测器中，闪烁体元件将高能伽玛光子转换成包括许多可见光子的闪烁光脉冲，并且由光学探测器产生电信号。由时间戳加注单元向每个电信号颁发时间戳，并且将所述时间戳与重合确定单元中的其他时间戳进行比较。如果两个伽玛光子的时间戳发生在对彼此窄的时间间隔之内，通常如果它们在+/-3 ns之内，则它们被识别为重合。接收重合伽玛光子的两个探测器的位置定义了在空间中沿其发生煙灭事件的直线，所述直线被称为响应线(LOR)。随后，重建这样的LOR以产生指示放射示踪剂在成像区域之内的分布的图像。
[0003]在这样的系统中，常常由积分单元进一步支持将伽玛光子对识别为重合事件。积分单元通过对每个闪烁光脉冲中存在的可见光子的总数进行积分来计算每个入射伽玛光子的能量。如果在时间上重合的伽玛光子中的每个的能量在具有伽玛光子的特性的预定范围之内，则将在时间上重合的闪烁光脉冲作为重合事件来处理。然而，如果伽玛光子中的一个或两者的能量处于预定范围之外，则拒绝该对在时间上重合的事件。这样的被拒绝的事件可以是伽玛光子散射的结果；所述散射的现象改变伽玛光子轨迹及其能量并且因此导致错误的LOR。
[0004]以大致相同的方式执行诸如显微镜检查和切连科夫辐射探测的应用中的根据直接探测到的辐射量子进行对光脉冲的积分和计时。在例如荧光显微镜检查中，直接探测可见光子，因此不存在闪烁体元件。同样地，在不存在闪烁体元件的情况下因此直接探测切连科夫福射，可见光子是由电介质生成的。
[0005]因此，对光脉冲的积分和计时是这样的成像系统的共同特征。两种因素均影响由这样的系统生成的图像的图像分辨率。常规地，使用光学探测器的阵列来探测这样的光脉冲。所述闪烁光脉冲是跨阵列中的探测器而分布的，所述探测器中的每个通常能够区分出对个体可见光子的探测，并且由单独的积分与计时单元分析来自探测器的信号。就这方面而言，硅光电倍增管(SiPM)阵列和单光子雪崩二极管(SPAD)阵列都已经被使用过。模拟和数字SiPM以及SPAD两者都已经被使用过，其中，模拟设备响应于对可见光子的探测而生成雪崩电流脉冲，并且数字设备包括额外的电子电路，所述额外的电子电路使得输出信号在两个电压电平之间转变。
[0006]专利申请W02006/111883A2公开了一种用于在对这样的光脉冲进行积分和计时中与SiPM探测器阵列一起使用的电路。在WO 2006/111883A2中，数字触发电路被配置为响应于选定数目的、从第一数字值转变到第二数字值的探测器元而输出指示积分时间段的开始的触发信号。读出数字电路计算对探测器元的阵列中的探测器元在积分时间段上从第一数字状态到第二数字状态的转变次数的计数。
[0007]在Spanoudaki and Levin 的文献“Photo-Detectors for Time of FlightPositron Emiss1n Tomography (ToF-PET)，，(Sensors，2010 年，卷 10，第 10484-10505 页)中公开了另一更加常规的、与结合对光学脉冲的积分和计时的模拟硅光电倍增管(SiPM)光学探测器一起使用的电路。在该文献中，将一组模拟SiPM探测器以并行方式连接，以生成来自这样的光学脉冲的复合信号。然后可以对该复合信号进行积分，并且该复合信号可以在阈值被超过时使得计时单元生成时间戳。
[0008]然而，在这样的光学脉冲中的可见光子的数目的积分方面以及在所述光学脉冲的计时方面仍然存有改进的余地。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是改进对光脉冲中的可见光子的数目的积分。本发明的另外的目的是改进对这样的光脉冲的计时。还公开了一种与本发明有关的设备、方法、系统以及计算机程序产品。
[0010]这些目的是由辐射探测设备来实现的，所述辐射探测设备包括:光学探测器像素阵列，其具有能够被可见光子触发的多个像素元；多个像素元触发状态感测电路；以及求和单元。根据本发明，每个像素元与像素元触发状态感测电路通信，所述像素元触发状态感测电路被配置为生成具有指示受触发的像素元的第一预定幅度的数字信号或指示未受触发的像素元的第二预定幅度的数字信号。所述求和单元被配置为接收来自所述多个像素元触发状态感测电路的所述数字信号，并且被配置为生成具有对应于所述光学探测器像素阵列中受触发像素元的数目的幅度的模拟信号。
[0011]由于由每个像素元触发状态感测电路生成的数字信号的幅度是预定幅度，因此由所述求和单元生成的模拟信号的幅度对应于多个预定水平中的一个，并且因此将准确地指示受触发的像素元的累积数目。因此，所述模拟信号对应于所述光学脉冲中的可见光子的累积数目；并且因此是所述光脉冲中的可见光子数目的积分。所述模拟信号随着时间的变化表示所述光学探测器像素阵列中的探测到的可见光子的数目，所述模拟信号随着时间的变化表示还可以有利地指示显微镜检查应用中的诸如荧光寿命的材料性质。
[0012]此外，由于所述模拟信号对应于对累积数目的可见光子的所述探测，因此所述模拟信号涉及可见光子探测剖析图(profile)上的定义的点，并且还可以被使用在对光脉冲的计时中。因此，所述模拟信号可以用于使得更具可重复性的计时测量。
[0013]相对照之下，现有技术的W02006/111883A2公开了使用移位寄存器电路来对光脉冲中的可见光子的数目进行积分。在这样的途径中，通过使用移位寄存器对每个像素元的数字状态按时钟记录(clock-out)并在数字求和电路中对所述数字状态进行求和来确定可见光子的总数，这样的方案将在可获得积分结果之前导致若干时钟时期的延迟。在本发明中，实时地响应于对像素元的触发而生成由求和单元生成的模拟信号。因此，可实时获得求和结果，因此实时获得积分结果，从而提供实时计时信息并且准许对光学脉冲的有效性(validity)做出更快的决断。本发明还表示现有技术中的途径的简化，这是因为可通过信号幅度实时地获得积分结果；因此在本发明中不要求时钟记录电路和数字加法器电路。
[0014]与现有技术的Spanoudaki和Levin的文献中详细阐述的途径相对照；由于在本发明中由每个像素元触发状态感测电路生成的信号幅度是预定幅度，因此本发明中由求和单元生成的模拟信号对应于探测到的可见光子的数目。在现有技术中，通过使模拟SiPM设备以并行方式连接而产生的信号导致复合雪崩电流，由于雪崩处理的统计结果，所述复合雪崩电流具有不可靠的幅值。因此，在本发明中，所述模拟信号提供了更具可重复性的并且更具可靠性的对探测到的可见光子数目的积分。所述模拟信号还是更具可重复性的计时信号，所述更具可重复性的计时信号可以因此用于使得计时单元产生时间戳。
[0015]根据本发明的另一方面，每个像素元触发状态感测电路还被配置为接收重置信号；每个像素元触发状态感测电路被配置为保持具有指示受触发像素元的幅度的数字信号的幅度，直到接收到重置信号为止。在光脉冲的时期之内对每个像素元进行重置的能力准许像素元在该时期中对多于一个可见光子进行计数，这有利地准许对具有更高可见光子入射率的光脉冲进行计数。
[0016]根据本发明的另一方面，所述数字信号是数字电流信号，并且所述求和单元是电流求和单元。有利地，能够在电子电路中对数字电流进行快速切换和求和，从而提高积分的速度。
[0017]根据本发明的另一方面，所述像素元是SiPM像素元或SPAD像素元，并且所述像素元触发状态感测电路被形成在与所述SiPM像素元或所述SPAD像素元相同的基板上。通过将所述像素元触发状态感测电路形成在与所述像素元相同的基板(例如，相同的硅片)上，实现了更快的积分，这是因为它们的减小的分隔、杂散电容和串联电阻引起降低的信号传播延迟。
[0018]根据本发明的另一方面，公开了一种差分求和配置，所述差分求和配置具有降低对数字信号的实际生成中出现的漂移、漏电流和非线性的有害效应的易感度的益处。根据该方面，每个像素兀触发状态感测电路具有第一输出部和第二输出部。所述第一输出部被配置为生成数字信号；并且所述第二输出部被配置为生成对所述第一输出部的互补数字信号。所述辐射探测设备还包括第二求和单元和差分单元。所述第一求和单元被配置为接收来自所述多个像素元触发状态感测电路的所述第一输出部的所述数字信号，并且被配置为生成具有对应于受触发的像素元的数目的幅度的模拟信号。所述第二求和单元被配置为接收来自所述多个像素元触发状态感测电路的所述第二输出部的所述数字信号，并且被配置为生成具有对应于未受触发的像素元的数目的幅度的模拟信号。此外，所述差分单