一种SiPM时间信号读取器

一种sipm时间信号读取器
技术领域
1.本实用新型专利涉及于医学影像设备技术领域，具体涉及一种基于射频放大器的sipm时间信号合并读取电路。


背景技术：

2.正电子发射型计算机断层显像系统(pet)已经是肿瘤等疾病的首选诊断成像技术，其原理是通过对γ光子事件的能量、时间等信息进行测量实现图像重建。
3.目前基于硅半导体的硅光电倍增管(silicon photomultiplier，简称sipm)的pet系统已经逐渐成为主流。sipm是由数百或数千个工作在盖格模式下由自猝灭的单光子雪崩光电二极管(spad)组成，其逻辑结构简图如图1。
4.现有sipm技术的瓶颈之一就是其时间信号读取电路。由于pet系统中sipm数量可高达上万片，若对上万片sipm的输出信号进行一对一读出，其电子学部分使用的硬件资源将相当庞大，可行性较低。当前很多系统的解决方法是把多个sipm的信号短接起来合并为更少的通道再用后续的电子学系统进行测量，这类方法虽然能够减少所需的测量通道数目，但是将sipm的直接信号进行合并会导致sipm的时间信号产生衰减并将更多的噪声混入信号，进而导致时间性能下降。因此实现一种能够减小sipm时间信号合并后衰减并且不引入过多的噪声的时间信号合并读取电路对于发挥sipm的优势，实现更高的时间分辨率有重大意义


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种sipm时间信号读取器，包括：信号引出模块，信号缓冲模块和信号求和模块；所述信号引出模块包括若干sipm组成的阵列，每个所述sipm包括两个输出端，其中第一输出端串联一检测电阻；所述第一输出端直接引出的信号作为该路sipm输出的时间信号；所述第一输出端串联所述检测电阻后引出的信号作为第一输出信号，所述sipm的第二输出端引出的信号作为第二输出信号；所述信号缓冲模块包括若干射频放大器；所述每路sipm输出的时间信号被引入一个所述射频放大器；所述信号求和模块包括加法放大电路，每个所述射频放大器的输出信号被接入所述加法放大电路进行合并，所述合并后的信号作为所述sipm阵列的时间信号。
6.本实用新型还提供一种sipm时间信号读取器，包括：信号引出模块，信号缓冲模块和信号求和模块；所述信号引出模块包括若干sipm，每个所述sipm包括多个spad，每个所述 spad具有阴极输出端、阳极输出端，且所述spad的阳极输出端串联一快速输出电容，所述多个spad的阴极输入端并联作为该路sipm的阴极输出端；所述多个spad的阳极输出端并联作为该路sipm的阳极输出端，所述多个快速输出电容的输出端并联作为该路sipm的快速输出端，所述时间信号由所述sipm的快速输出端引出；所述信号缓冲模块包括若干射频放大器；每路所述时间信号被引入一个所述射频放大器；所述信号求和模块包括加法放大电路，每个所述射频放大器的输出信号被接入所述加法放大电路进行合并，所述合并后的信号作为
所述sipm时间信号。
7.优选地，上述sipm时间信号读取器中，所述sipm的输出端包括所述sipm的阴极或阳极。
8.优选地，上述sipm时间信号读取器中，所述第一和/或第二输出信号接偏置电源，或接入能量读出电路，或用于定位信号来源。
9.优选地，上述sipm时间信号读取器中，所述第一输出端为阴极，所述第二输出端为阳极。
10.优选地，上述sipm时间信号读取器中，所述第二输出端为阴极，所述第一输出端为阳极。
11.优选地，上述sipm时间信号读取器中，所述射频放大器的输入端设置第一电容。
12.优选地，上述sipm时间信号读取器中，所述射频放大器的输出端设置第二电容。
13.优选地，上述sipm时间信号读取器中，所述加法放大电路包括运算放大器、若干独立输入电阻和反馈电阻；每个所述射频放大器的输出信号通过一个所述输入电阻被接入所述运算放大器；所述反馈电阻rf跨接在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间。
14.优选地，上述sipm时间信号读取器中，每个所述射频放大器的输出信号通过一个所述输入电阻被接入所述运算放大器的反相输入端。
15.优选地，上述sipm时间信号读取器中，所述运算放大器正相输入端接入一参考电压信号。
16.优选地，上述sipm时间信号读取器中，所述阴极输出端和/或阳极输出端信号接偏置电源，或接入能量读出电路，或用于定位信号来源。
附图说明
17.图1为现有技术中sipm的逻辑结构简图；
18.图2为本实用新型第一实施方式的电路图；
19.图3为本实用新型第二实施方式的电路图；
20.图4为本实用新型第三实施方式所采用的spad结构示意图；
21.图5为本实用新型第三实施方式的电路图。
具体实施方式
22.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
23.图2为本实用新型一种实施方式的电路示意图。本实用新型的sipm信号读取器包括信号引出模块1，信号缓冲模块2和信号求和模块3。信号引出模块1包括若干sipm。每个 sipm包括阴极端和阳极端，阳极端串联一个检测电阻rs。阳极端直接引出的信号作为该sipm 输出的时间信号，阳极端串联检测电阻rs后引出的信号作为该sipm的阳极信号，从阴极端引出的信号作为该sipm的阴极信号。每个sipm输出的时间信号接到信号缓冲模块2。每个 sipm的阴极信号或阳极信号可以接偏置电源为该sipm供电，或接入至一个能量读出电
路测量该sipm信号的能量大小。该阴极信号或阳极信号还可以用于判断信号来自阵列中哪个 sipm。
24.信号缓冲模块2包括若干射频放大器21，每个sipm输出的时间信号被独立引入一个射频放大器21，这样实现最短距离内对信号进行缓冲放大的同时，还能利用射频放大器良好的反向截止特性也能够隔离各sipm输出信号之间的干扰，提高信号质量。为隔离信号中的直流和低频成分，并减少噪声的引入，在射频放大器21的输入端、输出端还分别设置电容c1、 c2。
25.信号缓冲模块2缓冲后的各路sipm信号被送入信号求和模块3。信号求和模块3包括加法放大电路，加法放大电路包括运算放大器、若干独立输入电阻rin和反馈电阻rf。从电容 c2输出的时间信号通过独立的输入电阻rin连接至运算放大器的反相输入端。运算放大器的正相输入端可接地，当需要为信号提供直流偏置时，也可以输入一参考电压信号vref。反馈电阻rf跨接在运算放大器的反相输入端和输出端之间。各路sipm输出的时间信号被送入加法放大电路进行合并。通过rin和rf的参数设置可以实现不同的放大倍数，经过合并后的信号作为sipm陈列的时间信号。需要说明的是，从电容c2输出的时间信号通过独立的输入电阻rin也可以连接至运算放大器的正相输入端进行同相加法合并，但相比而言，连接反相输入端为更优方案。
26.图3为本实用新型的第二实施例电路图。与图1实施例的不同之处在于，每个sipm的阴极端串联一个检测电阻rs，阴极端直接引出的信号作为该sipm输出的时间信号，阴极端串联检测电阻rs后引出的信号作为该sipm的阳极信号，从阳极端引出的信号作为该sipm 的阴极信号。每个sipm输出的时间信号同样采用信号缓冲模块2进行缓冲，再将缓冲后的各路sipm信号通过信号求和模块3进行合并与放大；每个sipm的阴极信号或阳极信号同样可以接偏置电源为该sipm供电，或接入至一个能量读出电路测量该sipm信号的能量大小。也同样可以用于判断信号来自阵列中哪个sipm。第二实施例中的信号缓冲模块2与信号求各模块3的实现方式与第一实施例相同，不再赘述。
27.本实用新型第三实施例与前两种实施方式不同的是，sipm中的spad单元结构有所不同，如图4所示。每个spad阳极具有一个集成的快速输出电容器，这些电容器的输出端并联作为sipm的快速输出端，时间信号从sipm快速输出端读取。在此实施方式中，检测电阻 rs可以省略，每路sipm的阳极信号和阴极信号的作用同实施例一。第三实施例的电路示意图如图5。与标准的输出模式相比，快速输出模式可以改善定时和光子计数方面的应用。第三实施例的信号缓冲模块2、信号求各模块3与前两实施例相同，不予赘述。
28.综上所述，本实用新型的sipm时间信号合并读出电路，与现有技术相比，在保证合并后的时间信号质量的同时，大幅减少所需的时间信号测量通道的数目，实现超大规模sipm阵列的高性能时间信号测量，降低系统的成本和复杂度。
29.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。