用于光子计数应用的前端电子电路的制作方法

本公开涉及一种前端电子电路，其可用于光子计数应用，例如多能光谱计算机断层扫描(computed tomography，ct)。本公开还涉及一种光子计数电路和用于医疗诊断的设备。

背景技术：

1、在传统的计算机断层扫描应用中，利用间接检测原理来检测轻松穿过患者身体软组织的光子。间接检测器包括将x射线转换为可见光的闪烁体，响应于x射线撞击闪烁体材料，可见光被光电检测器或光电二极管捕获从而提供电信号。与使用间接检测原理的传统计算机断层扫描相反，光子计数计算机断层扫描采用直接转换传感器。直接转换传感器使用特定的材料(例如cdte、cdznte、si、gaas、tlbr等)，其响应于x射线光子在体材料的相互作用来生成电子-空穴对云。电荷量与撞击光子的能量成比例。

2、电子，例如，以cdte/czt材料而言，在其收集电极(阳极)上感应瞬态电流信号，然后由前端电子器件对该瞬态电流信号作进一步处理。前端生成幅值与撞击光子的能量成比例的电压脉冲。然后将电压脉冲的幅值与多个能量鉴别器进行比较。能量阈值低于脉冲幅值的鉴别器触发并使相应的计数器增加。在时间间隔(图像投影)内将每个能量的光子数计入鉴别器。

3、图1示出了光子计数电路2的框图，该电路包括前端电子电路10、光子检测器20和能量鉴别器30。光子撞击光子检测器20的光子敏感区域21，导致光子检测器20生成瞬态电流脉冲ipulse。前端电子电路10通常包括电荷敏感放大器和整形器级。该整形器级生成与撞击x射线光子的能量(电荷)成比例的电压脉冲幅值。电流脉冲ipulse所提供的电荷被整形器级尽可能快地积分并移除，以适应时间上随机的下一次相互作用。将整形器级生成的电压脉冲vpulse的幅值与能量鉴别器30的鉴别器的多个能量阈值进行比较，以根据其能量对每个光子进行计数和分类。

4、对于计算机断层扫描应用，x射线的通量可能超过1*109光子/mm2s。因此需要非常高的计数率，以驱动前端电子电路10的设计在非常高的弹道亏损(ballistic deficit)条件下运行。

5、弹道亏损是与理想全收集相比而言的脉冲幅值损失，其与前端电子电路10的电荷敏感放大器的反馈电容器的连续放电有关。总之，电压脉冲vpulse的最大值没有达到理论c/q值是因为同时在通过与电荷敏感放大器的反馈电容器并联连接的电阻器放电。需要反馈电阻器(或其他放电机制)来整形脉冲并将电压带回到基准电压，以便能够尽快处理后续脉冲。

6、弹道亏损在光子计数检测器的能量分辨率中起着重要作用。具有相同撞击x射线能量的事件可能会在检测器上表现出略有不同的瞬态响应，具体取决于事件(相对于像素的中心和相互作用的深度)的位置。用于非常高计数率的电子器件通常必须在高弹道亏损条件下运行。

7、在这种条件下工作需要前端电子电路为具有相同能量但不同相互作用位置的事件提供略有不同的电压信号vpulse脉冲幅值。这会导致所显示的能量变得不确定，从而导致更差的能量分辨率。

8、需要为光子计数应用提供一种能够以非常高的计数率运行同时又表现出可忽略不计的弹道亏损从而实现更好性能的前端电子电路。此外，还希望提供一种在计数率和能量分辨率方面具有高性能的光子计数电路。此外，还希望提供一种能够以非常高的计数率运行的医疗诊断设备。

技术实现思路

1、在权利要求1中说明了一种用于光子计数应用的前端电子电路，该电路具有减少的弹道亏损并实现了高光子计数率。

2、该前端电子电路包括提供输出信号的输出节点、接收输入信号的输入节点、电荷敏感放大器，电荷敏感放大器包括放大器电路和电容器，放大器电路具有耦合到输入节点的输入侧和提供电荷敏感放大器输出信号的输出侧，电容器被布置在放大器电路的输入侧与输出侧之间的反馈路径中。该前端电子电路还包括与电容器并联布置的可控开关和提供延迟电路输出信号的延迟电路。延迟电路输出信号是电荷敏感放大器输出信号的时间延迟表示。该前端电子电路包括耦合到输出节点以提供输出信号的输出信号生成电路。输出信号生成电路被配置为通过从电荷敏感放大器输出信号中减去延迟电路输出信号来生成输出信号。

3、根据该前端电子电路的可能实施例，延迟电路具有用于接收电荷敏感放大器输出信号的输入侧。延迟电路被配置为在延迟电路的输入侧接收到电荷敏感放大器输出信号后生成具有第一延迟时间的延迟电路输出信号。

4、根据该前端电子电路的实施例，放大器电路和电容器被布置成使得当输入信号形成为电流脉冲时，电荷被存储在电容器中。电荷取决于输入信号的电流脉冲。

5、根据该前端电子电路的另一个实施例，可控开关在非导通状态和导通状态下工作。可控开关和电容器被布置成使得当可控开关在非导通状态下工作时，电容器充电，并且当可控开关在导通状态下工作时，电容器放电。

6、这种配置允许为前端电子电路提供复位拓扑结构。复位拓扑结构允许使用高电阻反馈路径，从而减少弹道亏损，同时保持高计数率能力。在输入节点接收到输入信号的每个脉冲之后，并且在反馈路径中的电容器收集到输入事件的全部电荷之后，电荷敏感放大器由可控开关复位。该前端电子电路示出可以忽略不计的弹道亏损，除了脉冲堆积之外，没有与通量相关的能量失真。

7、根据该前端电子电路的可能实施例，该电路包括控制电路，控制电路被配置成监测存储在电容器中的电荷并且根据存储在电容器中的电荷来控制可控开关。特别地，控制电路被配置为当其检测到存储在电容器中的电荷超过阈值时，在一定延迟后将可控开关从非导通状态切换到导通状态。

8、根据该前端电子电路的可能实施例，控制电路包括第二延迟电路，以产生将可控开关从非导通状态切换到导通状态的控制信号。第二延迟电路被配置为在控制电路检测到存储在电容器中的电荷超过阈值后生成具有第二延迟时间的控制信号。

9、总之，在检测到输入电流脉冲具有高于阈值的能量后，会触发延迟。延迟过后，(反馈)电容器复位。

10、根据该前端电子电路的可能实施例，延迟电路和第二延迟电路被配置成使得第二延迟时间短于或等于第一延迟时间。将第二延迟时间选择为使得考虑最坏情况下的电荷收集时间。(瞬态)延迟电路的第一延迟时间确保(反馈)电容器对电荷的完全收集。

11、根据可能的实施例，该前端电子电路包括第二可控开关，用于将延迟电路与输出信号生成电路断开。输出信号生成电路具有连接到第二可控开关的第一输入端和连接到电荷敏感放大器电路的输出侧的第二输入端。

12、第二可控开关被配置为在第一状态下和第二状态下工作，在第一状态下，第二可控开关将延迟电路连接到输出信号生成电路的第一输入端，在第二状态下，第二可控开关将延迟电路与输出信号生成电路的第一输入节点断开并将输出信号生成电路的第一输入节点连接到参考电位。

13、有利的是，通过将输出信号生成电路的第一输入节点连接到参考电位，第二可控开关可以用于将延迟电路输出信号与输出信号生成电路断开。特别是，由于电荷敏感放大器的(反馈)电容器的复位，有利于提供第二可控开关。第二可控开关确保延迟电路输出信号向信号生成电路的传播被中断，从而消除在该前端电子电路的输出节点处输出信号的额外下冲。

14、根据该前端电子电路的可能实施例，控制电路包括第三延迟电路，以生成具有第一电平和第二电平的第二控制信号，第一电平使第二可控开关从第一状态切换到第二状态，第二电平使第二可控开关从第二状态切换到第一状态。第三延迟电路被配置为在生成第二控制信号的第二电平后生成具有第三延迟时间的第二控制信号的第一电平。

15、根据该前端电子电路的有利实施例，第三延迟电路被配置成使得第三延迟时间等于或长于第二延迟时间。在这种情况下，前端电子电路输出节点处的输出信号将跟随电子电路的积分器的(反馈)电容器的复位，而没有下冲。

16、所提出的前端电子电路配置解决了计数率和能量分辨率之间的权衡问题，这与计算机断层扫描中的临床应用非常相关。此外，对输入瞬态响应变化的抗扰性可提高整体信号稳定性。

17、在权利要求14中说明了一种光子计数电路，其允许对撞击光子检测器的大量光子进行检测。

18、该光子计数电路包括如上实施例之一所述的前端电子电路和具有光子敏感区域的光子检测器。光子检测器配置为在光子撞击光子敏感区域时生成电流脉冲。

19、该光子计数电路还包括连接到前端电子电路的输出节点的能量鉴别器。光子检测器连接到前端电子电路的输入节点，使得当光子撞击光子检测器的光子敏感区域时，光子检测器电路生成的电流脉冲被施加到前端电子电路的输入节点上。

20、该前端电子电路被配置为当电流脉冲施加到前端电子电路的输入节点时，在前端电子电路的输出节点上生成电压脉冲。能量鉴别器被配置为根据电压脉冲的电平生成数字信号。

21、在权利要求15中说明了一种利用光子计数原理的用于医疗诊断的设备。该设备包括如上所述的光子计数电路。该设备可以被配置为x射线装置或计算机断层扫描。

22、该前端电子电路的其他特征和优势将在下文的详细描述中列出。应当理解，上述总体说明和下文的详细说明都仅仅是示例性的，旨在为理解权利要求的本质和特征提供概述或框架。