对探测到的辐射量子创建时间戳

摘要

本发明涉及一种用于在对探测到的辐射量子创建时间戳中使用的辐射探测设备、系统、方法和计算机程序产品。所述设备包括光学探测器像素阵列、时间戳触发单元和计时单元。所述时间戳触发单元确定针对在所述光学探测器像素阵列内的像素单元的像素单元触发速率。所述时间戳触发单元基于所述像素单元触发速率来使所述计时单元生成时间戳。

说明书

技术领域

本发明涉及对探测到的辐射量子创建时间戳并且应用于高能粒子物理 应用中。这样的应用包括对以光子形式的诸如切伦科夫辐射的辐射量子的 直接探测以及借助于由闪烁体元件产生的光子对辐射量子的间接探测。本 发明具体应用于PET成像系统中，并且甚至更具体地，本发明能够用于飞 行时间(TOF)PET成像系统中。

背景技术

在PET成像中，在将诸如患者或动物的对象定位在PET成像区域之前， 将放射性示踪剂施予给对象。放射性示踪剂优选地由对象中的区域吸收， 并且在摄取期之后对其分布进行成像。随后，临床医生解读在图像中的诸 如器官的特定区域中的相对摄取并且可以执行对对象的诊断。放射性示踪 剂经历放射性衰减，其导致正电子的产生。每个衰减事件产生一个正电子， 其在人类组织中行进达几mm，在那儿其随后在产生两个方向相反的伽玛光 子的湮没事件中与电子相互作用。两个伽玛光子每个具有511keV的能量， 并且随后由围绕PET成像区域径向设置的伽玛光子探测器探测到，所述伽 玛光子探测器当由入射伽玛光子撞击时其每个产生电信号。在本文中限定 的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光子的闪烁光脉冲，并且通过光学探 测器来生成电信号。时间戳由时间戳单元发给每个电信号并且在符合 (coincidence)确定单元中与其他时间戳进行比较。当两个伽玛光子的时间 戳发生在彼此的窄时间间隔内时；通常当两个伽玛光子的时间戳在+/-3ns 内时，所述两个伽玛光子被识别为是符合的。接收符合伽玛光子的两个探 测器的位置定义空间线，沿着所述空间线湮没事件发生，所述线被称为响 应线(LOR)。随后这样的LOR被重建以产生图示在成像区域内的放射性 示踪剂的分布的图像。在飞行时间(TOF)PET中，两个探测到的伽玛光 子之间的小时间差还用于定位沿着LOR湮没事件发生的位置并且因此改进 重建图像的空间分辨率。在相互作用深度(DOI)PET中，还可以评估两个 探测到的伽玛光子的轨迹，以便通过减小视差误差来改进重建图像的空间 分辨率。

在PET成像系统中，一般将时间戳发给接收到的伽玛光子的时间戳单 元通常包括诸如时间数字转换器(TDC)的计时单元和时间戳触发单元。 通过时间戳触发单元来使所述计时单元生成指示对每个伽玛光子的接收的 时间的时间戳，以便由符合确定单元进行后续分析。所述时间戳触发单元 当在其输入处的信号超过预定阈值时使所述计时单元生成时间戳，并且期 望在对伽玛光子的探测之后尽可能快地发生，以便优化PET成像系统的计 时准确度。

用于在对诸如切伦科夫辐射的辐射量子的直接探测中的计时目的时间 戳单元以几乎相同的方式操作。然而在对切伦科夫辐射的探测中，光学探 测器直接根据探测到的辐射量子来生成电信号，因此缺少闪烁体元件。

对所述计时单元的虚假触发是能够在采用所谓的直接探测的系统中， 以及在诸如PET成像系统的采用间接探测的系统中引起的问题，并且所述 问题在采用在盖革模式下操作的数字硅光电倍增管(SiPM)探测器作为光 学探测器中尤其严峻。数字SiPM探测器缺少诸如光脉冲或接收到的伽玛光 子的有效事件的情况下遭受暗计数噪声，所述暗计数噪声将其自身显示为 在光学探测器的输出处显露为假的电脉冲。来自暗计数噪声的电脉冲由时 间戳触发器单元频繁地误解读，并且虚假地使所述计时单元生成时间戳。 这样的虚假触发导致计时单元空载时间，所述空载时间是这样的时间段： 在所述时间段期间所述计时单元必须被重置并且在所述时间段期间不能够 确定对有效事件的接收的时间。暗计数噪声是强烈温度相关的，并且甚至 在室温能够创建相当大的计时单元空载时间。

能够通过提高所述时间戳触发单元的阈值来实现在暗计数噪声与来自 有效事件的信号之间的特定鉴别。然而，由于起因于暗计数噪声和有效事 件两者的电脉冲的不足信本质具有一些有效事件不能创建足够大的信号以 触发所述时间戳触发单元的风险，所以这具有有限的益处。有效事件的缺 失降低了探测灵敏度。在PET成像中，其降低了系统的信噪比。提高所述 时间戳触发单元的阈值具有增加在对有效事件的接收与其时间戳的时间之 间的时间延迟的另外的缺点，由此降低了时间戳单元的计时准确度。

两种另外的方法也已经被引入以减轻暗计数噪声的影响：使光学探测 器冷却和触发验证。使光学探测器冷却减少了通过其温度相关的暗计数噪 声并且通常是这样的成像系统的要求。其要求将庞大的冷却装置附接到光 学探测器，这不利地影响了系统尺寸、成本和功率要求。触发验证也已经 被采用于PET成像的背景下。在这一点上，响应于起因于伽玛光子的闪烁 光脉冲的来自光学探测器的电信号用于生成触发验证信号，所述触发验证 信号指示触发信号源自于伽玛光子而非暗计数噪声。在专利申请 WO2006/111883A2中公开的已知触发方案中，当已经探测到在闪烁光脉冲 中的第一光子时，时间戳触发单元使计时单元生成时间戳。触发验证方案 基于若干这样的光学探测器信号的逻辑AND/OR来发出对应的验证信号， 当预定数量的这样的光学探测器信号随后超过阈值时，所述对应的验证信 号为真。由于对伽玛光子的接收的对计时单元的有效触发的特征在于在多 个光学探测器对其闪烁光的探测并且引起真有效信号，导致对时间戳的处 理。对比之下，暗计数噪声触发了较少的光学探测器并且引起假有效信号， 导致时间戳被拒绝并且计时单元被重置。

然而，这些解决方案仍然遭受光学探测器必须被冷却以便将暗计数噪 声减少到可接受水平的缺点。另外，时间戳触发单元的高阈值限制了可实 现的计时分辨率。

发明内容

本发明的目的是改进在高能粒子物理应用中在对探测到的辐射量子创 建时间戳中的噪声抑制。本发明的另一目的是改进对这样的探测到的辐射 量子进行计时的准确度。

这些目的通过一种辐射探测设备来实现，所述辐射探测设备包括光学 探测器像素阵列、时间戳触发单元和计时单元。还公开了用于实现这些目 的一种系统、一种方法和一种计算机程序产品。在所述辐射探测设备中， 所述光学探测器像素阵列包括能够由光子触发的一个或多个像素单元。所 述时间戳触发单元与所述计时单元操作通信。所述时间戳触发单元接收来 自所述光学探测器像素阵列的信号，并且被配置为确定在所述光学探测器 像素阵列内的所述一个或多个像素单元的像素单元触发速率。根据本发明 的第一方面，所述时间戳触发单元被配置为基于针对在所述光学探测器像 素阵列内的所述一个或多个像素单元的所述像素单元触发速率来使所述计 时单元生成时间戳。在优选实施方式中，当所述像素单元触发速率超过预 定速率时生成时间戳。在其他预见到的实施方式中，当所述像素单元触发 速率小于预定速率、在预定速率的预定范围内或等于预定速率时生成时间 戳。这与已知方法形成对比，在所述已知方法中，当已经探测到在闪烁光 脉冲中的第一光子时，时间戳触发单元使计时单元生成时间戳。一般通过 基于所述像素单元触发速率来鉴别并且由此使所述计时单元生成时间戳来 改进在对探测到的辐射量子的计时中的噪声抑制，因为光脉冲特征在于对 其的探测通常发生在短时间段内。例如，在PET成像中，起因于通过闪烁 体元件对伽玛光子的接收的闪烁光脉冲的特征在于光子生成的高初始速率 以及由此的高像素单元触发速率，然而暗计数噪声的特征在于以更低的速 率对像素单元的触发。在所谓的直接探测应用中，还设想到感兴趣的原始 光脉冲以与光子的短脉冲同样的方式发生。通过基于像素单元触发速率来 使所述计时单元生成时间戳，所述时间戳触发单元提供在起因于光子的电 信号与由暗计数噪声引起的电信号之间的改进的鉴别。由于所述计时单元 仅仅当存在电信号源自于光子的高概率时生成时间戳，所以减少了所述计 时单元在其已经由噪声触发以生成时间戳之后被重置的频率。因此，改进 了在对探测到的辐射量子创建时间戳中的噪声抑制。用这种方式，较不频 繁地调用所述计时单元在由噪声的虚假触发之后的固有重置时间，并且所 述计时单元能够用于在更大比例的时间对光子的探测创建时间戳。由虚假 地触发所述计时单元的频率的减少引起的另一优点是对光学探测器的冷却 要求的缓解。这是因为使用本发明的所述计时单元能够在比现有方法更高 的温度生成相同时间比例的时间戳。例如，在PET成像中，归因于在闪烁 体元件中的光子生成的高初始速率，还能够在短时间段内评估触发速率， 由此允许在起因于对伽玛光子的接收的闪烁光脉冲与起因于暗计数噪声的 闪烁光脉冲之间的快速鉴别。另外，这改进了计时准确度。由基于像素单 元触发速率对所述计时单元的触发引起的又一优点是其改进的噪声抑制允 许在探测到较少光子之后生成时间戳。这使得能够减少时间戳触发单元的 触发水平以更接近光学探测器的噪声水平，从而允许在探测到例如第一光 子之后生成时间戳，由此改进所述时间戳单元的计时分辨率。

根据本发明的另一方面，当所述像素单元触发速率超过阈值速率值时 生成时间戳。通过基于所述像素单元触发速率超过阈值速率值来决定生成 时间戳改进针对暗计数噪声的鉴别，暗计数噪声通常引起比来自起因于辐 射量子的光脉冲的像素单元触发速率更低的像素单元触发速率。

根据本发明的另一方面，通过计算在预定延迟周期内在光学探测器像 素阵列内的触发的像素单元的数量来确定所述像素单元触发速率。所述像 素单元可以是单光子雪崩探测器(SPAD)，在其他情况下被称为硅光电倍 增管(SiPM)像素单元，所述硅光电倍增管(SiPM)像素单元具有对应于 所述像素单元是否已经被触发的数字输出状态。因此，可以通过计算已经 触发并且由此被设置成指示在被称为延迟周期的预定周期内对光子的探测 的触发状态的像素单元的数量并且由此对其进行计数来确定所述速率。对 预定延迟周期的使用允许基于触发的像素单元的时间型线来鉴别来自所述 光学探测器像素阵列的信号。

根据本发明的另一方面，基于在满足像素单元触发速率条件之前满足 触发的像素单元计数条件来生成时间戳。例如，所述条件可以是所述触发 的像素单元计数或所述像素单元触发速率相应地超过预定计数或速率、小 于预定计数或速率、在预定计数或速率的预定范围内或等于预定计数或速 率。有利地，在生成时间戳之前改进了来自光学探测器阵列的信号的真实 性，从而得到改进的噪声抑制。

根据本发明的另一方面，当在所述像素单元触发速率超过阈值速率值 之前所述触发的像素单元计数超过阈值计数值时生成时间戳。另外，通过 计算在预定延迟周期内在所述光学探测器像素阵列(3a)内的触发的像素 单元的数量来确定所述像素单元触发速率，当所述触发的像素单元计数超 过所述阈值计数值时，所述预定延迟周期开始。因此，当所述触发的像素 单元计数超过所述阈值计数值并且之后在所述预定延迟周期结束之前随后 超过更高的计数值使得所述阈值速率值被超过时生成时间戳。有利地，在 生成时间戳之前改进了来自光学探测器阵列的信号的真实性，从而得到改 进的噪声抑制。

根据本发明的另一方面，还提供了时间戳调节单元，所述时间戳调节 单元被配置为接收来自所述计时单元的所述时间戳。所述时间戳调节单元 被配置为通过从所述第一时间戳的时间减去所述预定延迟周期来生成经调 节的第一时间戳，所述经调节的第一时间戳指示满足预定触发的像素单元 计数条件的时间。可以通过例如控制单元内的处理器来执行所述减法。有 利地，由于时间戳的时间指示来自光学探测器阵列的信号的型线上的可靠 位置，所以与其他时间戳相比较，这样的时间戳可以是更可靠的。这样的 时间戳在例如PET成像中特别有用，在所述PET成像中，可以更准确地确 定对伽玛量子的探测的时间。

根据本发明的另一方面，所述时间戳触发单元使所述计时单元还基于 在稍后的时间点处确定的第二像素单元触发速率来生成时间戳。这样的系 统通过基于更准确地确定的像素单元触发速率型线来生成时间戳的决定来 允许在电信号与暗计数噪声之间的改进的鉴别。

根据本发明的另一方面，当第一像素单元触发速率超过第一阈值速率 并且在稍后的时间点处确定的第二像素单元触发速率超过第二阈值速率 时，所述时间戳触发单使所述计时单元生成时间戳。这样的系统通过基于 更准确地确定的光学脉冲的型线来生成时间戳的决定来允许甚至进一步改 进的信号鉴别。具体地，这允许对来自闪烁光脉冲的具有不充分的能量来 指示有效闪烁事件的电脉冲的抑制。

根据本发明的另一方面，提供了第二计时单元，并且所述时间戳触发 单元还被配置为使所述第二计时单元生成时间戳，所述时间戳指示由在所 述光学探测器像素阵列内的像素单元对一个或多个光子的探测的时间。指 示对所述一个或多个光子的探测的时间的计时信息能够用于通过允许基于 更准确地确定的光脉冲型线的鉴别来进一步改进来自所述光学探测器像素 阵列的信号起因于有效信号的置信度。这样的信息能够由例如PET成像系 统使用以排除明显时间上符合的量子，借助于其光脉冲型线所述明显时间 上符合的量子实际上是散射的结果。

根据本发明的另一方面，提供了第二计时单元，并且所述时间戳触发 单元被配置为使所述第二计时单元生成时间戳，所述时间戳指示所述像素 单元触发速率满足预定触发速率条件的时间。例如，所述触发速率条件可 以是所述像素单元触发速率超过预定速率、小于预定速率、在预定速率的 预定范围内或等于预定速率。由所述第二计时单元提供的触发速率信息能 够用于进一步改进来自光学探测器阵列的信号被确定为指示诸如对辐射量 子的接收的有效事件的置信度。

根据本发明的另一方面，公开了一种PET成像系统。所述PET成像系 统包括多个根据前面的方面所述的辐射探测设备，并且每个辐射探测设备 还包括与所述光学探测器像素阵列光学通信的闪烁体元件。经改进的辐射 探测设备有利地改进了PET成像系统中的图像质量。

根据本发明的另一方面，公开了一种PET成像系统。所述PET成像系 统包括多个根据本发明的各方面所述的具有至少第二计时单元的辐射探测 设备。每个辐射探测设备还包括与所述光学探测器像素阵列光学通信的闪 烁体元件。所述PET成像系统还包括相互作用深度计算单元；其中，所述 相互作用深度计算单元被配置为基于在由第一时间戳单元生成的第一时间 戳与由第二时间戳单元生成的第二时间戳之间的时间差来计算在所述闪烁 体元件中的辐射量子的相互作用深度。可以根据将时间差与相互作用深度 相关的查找表或统计函数的查找表或统计函数来确定相互作用深度。可以 基于所述闪烁体元件的几何结构根据启发式或模拟时间差信息来生成这样 的查找表或统计函数。可以通过处理器来执行这样的计算。这样的信息能 够由例如PET成像系统使用以排除明显时间上符合的量子，凭借其轨迹所 述明显时间上符合的量子实际上是散射的结果。

根据本发明的另一方面，公开了一种PET成像系统。所述PET成像系 统包括多个根据本发明的方面所述的具有至少第二计时单元的辐射探测设 备。每个辐射探测设备还包括与所述光学探测器像素阵列光学通信的闪烁 体元件。所述PET成像系统还包括时间戳校正单元；其中，所述时间戳校 正单元被配置为基于对由第一计时单元生成的第一时间戳和由第二计时单 元生成的第二时间戳的加权平均来计算经校正的时间戳。所述加权平均可 以根据与各时间戳之间的时间差有关的查找表或统计函数来确定并且基于 两个输入时间戳来提供更准确的时间戳。可以基于所述闪烁体元件的几何 结构根据启发式或模拟时间戳来生成这样的查找表或统计函数。可以通过 处理器来执行这样的计算。这样的信息能够由例如PET成像系统使用以减 少计时抖动。

根据本发明的另一方面，提供了一种计时方法。所述计时方法可以在 例如PET成像或切伦科夫成像中使用。所述计时方法包括以下步骤：i)接 收来自光学探测器像素阵列的信号，所述信号指示对在所述光学探测器像 素阵列内的一个或多个像素单元的触发，ii)确定针对在所述光学探测器像 素阵列内的所述一个或多个像素单元的至少第一像素单元触发速率，并且 iii)基于针对在所述光学探测器像素阵列内的所述一个或多个像素单元的所 述至少第一像素单元触发速率来生成第一时间戳，所述第一时间戳指示对 辐射量子的探测。所述计时方法可以任选地包括根据本发明的其他方面公 开的额外的方法步骤。

根据本发明的另一方面，公开了一种计算机程序产品，所述计算机程 序产品包括用于执行根据本发明的计时方法方面的方法步骤的计算机可执 行指令。所述计算机程序产品可以是诸如软盘、磁性硬盘驱动器、USB驱 动器、光盘、ROM或RAM的计算机可读存储介质，并且另外，所述计算 机可执行指令可以是能够下载的。

根据本发明的另一方面，在所述辐射探测设备中，所述计时单元是时 间数字转换器。时间数字转换器通常提供超过模拟时间转换器的改进的时 间准确度，从而改进了对辐射量子的探测进行计时的准确度。

根据本发明的另一方面，在所述辐射探测设备中，在所述光学探测器 像素阵列内的像素单元是硅光电倍增管(SiPM)像素单元。这样的像素单 元具有快速响应并且当在对辐射量子的探测中使用时提供良好的计时准确 度。

根据本发明的另一方面，在所述辐射探测设备中，针对在所述光学探 测器像素阵列内的所述一个或多个像素单元的像素单元触发速率被确定在 0.001ns到200ns的范围内的时间间隔内。这样的时间间隔使得能够在暗计 数噪声与起因于辐射量子的闪烁脉冲之间进行快速鉴别。

根据本发明的另一方面，在所述辐射探测设备中，在由在所述光学探 测器像素阵列内的像素单元对一个或多个光子的探测之后，针对在所述光 学探测器阵列内的所述一个或多个像素单元的像素单元触发速率被确定在 0.001ns到200ns的范围内的时间间隔内。在确定所述速率之前对特定数量 的光子的探测允许从在光脉冲的型线中的预定点触发，由此提供可重复的 计时性能。

根据本发明的另一方面，辐射探测设备还包括验证逻辑单元。所述验 证单元被配置为接收来自所述光学探测器像素阵列的信号，并且还被配置 为确定在所述光学探测器像素阵列的至少部分内的触发的像素单元的数 量。所述验证逻辑单元被配置为基于在所述光学探测器像素阵列的部分内 的触发的像素单元的数量来生成指示有效时间戳的验证信号。例如，可以 通过将在所述像素单元阵列中的所述像素单元的数字状态连串地移动到并 行加法器来确定触发的像素单元的数量。通过提供的验证，这样的配置有 利地改进了在闪烁光脉冲与暗计数噪声之间的鉴别。

附图说明

图1图示了根据本发明的某些方面的多个伽玛光子探测器。

图2图示了根据本发明的某些方面的示范性PET成像系统。

图3图示了在飞利浦数字光子计数(PDPC)PET成像系统中使用的现 有技术计时方案。

图4图示了根据本发明的某些方面的计时单元和时间戳触发单元的第 一实施例。

图5图示了根据本发明的某些方面的计时单元和时间戳触发单元的第 二实施例。

具体实施方式

为了改进在高能粒子物理应用中对探测到的辐射量子创建时间戳中的 噪声抑制，提供了包括一种辐射探测设备的本发明。还提供了一种系统、 一种方法和一种计算机程序产品。所述辐射探测设备包括光学探测器像素 阵列、时间戳触发单元和计时单元，并且参考在PET成像系统中的伽玛光 子探测进行描述。具体参考实施方式，在所述实施方式中，所述计时单元 是时间数字转换器(TDC)，但是应当认识到可以备选地采用诸如模拟计时 单元的其他形式的计时单元。还应当认识到，本发明也应用于高能粒子物 理的更广泛的领域中，包括例如对切伦科夫辐射的直接探测。

在PET成像中，通过多个伽玛光子探测器来执行对伽玛光子的探测。 这样的伽玛光子探测器通常围绕PET成像区域被设置，以便接收来自PET 成像区域的伽玛光子。在操作时，包括与光学探测器光学通信的闪烁体元 件的每个伽玛光子探测器通过在闪烁体元件中创建闪烁光脉冲来响应对伽 玛光子的接收。光学探测器通过生成电信号来响应对光子的探测，所述光 学探测器可以是包括能够由光子触发的一个或多个像素单元的光学探测器 像素阵列。对伽玛光子的接收进行计时的过程对于PET成像是基本的，在 PET成像中，伽玛光子的原始位置通过符合来确定。该计时过程通常由一 个或多个时间戳单元执行，其中，时间戳单元将时间戳分配给接收到的伽 玛光子。本发明的所述计时单元和所述时间戳触发单元应用在PET成像系 统的时间戳单元内，在所述时间戳单元中，它们协作以生成对应于对每个 伽玛光子的探测的时间的时间戳。在本发明中，所述时间戳触发单元被配 置为接收来自所述光学探测器像素阵列的电信号，并且还被配置为确定针 对在所述光学探测器像素阵列内的所述一个或多个像素单元的至少第一像 素单元触发速率。另外，所述时间戳触发单元被配置为基于针对所述光学 探测器像素阵列内的所述一个或多个像素单元的所述至少第一像素单元触 发速率来使所述计时单元生成时间戳。因此，基于所述第一像素单元触发 速率，由此基于光子探测速率来生成时间戳。

图1图示了根据本发明的某些方面的多个伽玛光子探测器。在图1中， 示出了多个伽玛光子探测器1，其中，每个伽玛光子探测器包括与对应的光 学探测器像素阵列3a、3b、3c或3d光学通信的闪烁体元件2a、2b、2c或 2d。为了便于图示，在图1中仅仅示出了四个伽玛光子探测器1，并且应当 认识到，可以重复该构造以便接收来自扩大的接收面积的伽玛光子。例如， 多个伽玛光子探测器1可以围绕PET成像系统的成像区域被设置。为了便 于图示，在图1中的闪烁体元件2a、2b、2c、2d被图示为与其对应的光学 探测器像素阵列3a、3b、3c、3d分开；然而实际上示范性闪烁体元件2a 的面5和其对应的光学探测器像素阵列3a的面6可以是密切接触的，或者 任选地借助于光学索引匹配层进行光学耦合以便促进在两者之间的光学通 信。另外，在图1中，借助于反射和光屏蔽层7、8由2a、2b、2c、2d例示 的单个闪烁体元件任选地与彼此光学隔离，以便防止在相邻闪烁体元件之 间的闪烁光的耦合。这样的反射和光屏蔽层7、8也可以被使用在闪烁体元 件2a、2b、2c、2d的除了与图1中示出的光学探测器像素阵列的光学接口 以外的所有表面上。用这种方式，在闪烁体元件内生成的闪烁光被保留在 该闪烁元件内，直到所述闪烁光通过其对应的光学探测器像素阵列被探测 到。在操作时，由闪烁体元件2a例示并且在图1中将其对应的光学探测器 像素阵列3a示为阴影的伽玛光子探测器响应于对诸如伽玛光子10的辐射 量子的接收。伽玛光子10可以是由于放射性衰减之后的湮没事件而形成的 一对反向伽玛光子对10、13中的一个，其中，放射性衰减产生正电子14 并且由电子15湮没。放射性衰减源可以例如是放射性示踪剂。通过闪烁体 元件2a对伽玛光子10的接收导致对闪烁光11的生成，闪烁光11通过全内 反射和反射层7、8的组合被保留在闪烁体元件2a内，直到通过光学探测 器像素阵列3a对其的探测，从而在阵列电输出12a处得到电信号。光学探 测器像素阵列3a包括一个或多个光学探测器像素6，其在图1中被示为暗 阴影，其中，每个光学探测器像素6包括一个或多个像素单元9。因此，最 小的光学探测器元件是像素单元9，例如其可以是连接在盖革模式下的硅光 电倍增管(SiPM)。

图2图示了根据本发明的某些方面的示范性PET成像系统。图1的示 范性伽玛光子探测器可以例如在图2中图示的系统中使用。在图2中，PET 成像系统20包括多个伽玛光子探测器模块，或者更具体地围绕成像区域21 被设置的伽玛光子探测器模块24、25。每个伽玛光子探测器模块24、25可 以包括一个或多个伽玛光子探测器，例如由图1中的项2a和3a的组合形成 的伽玛光子探测器。在伽玛光子探测器模块24、25内的每个伽玛光子探测 器产生指示对伽玛光子的接收的电信号，经由总线通过时间戳单元28来接 收来自所述每个伽玛光子探测器的电信号。尽管被图示为单个单元，但是 时间戳单元28可以被复制，使得一个或多个时间戳单元与每个伽玛光子探 测器模块24相关联，由此将时间戳功能局部地提供给伽玛光子探测器，在 所述伽玛光子探测器处接收伽玛光子。在操作时，分别通过伽玛光子探测 器模块24、25对示范性伽玛光子22、23的探测得到分别经由总线26和总 线27通过时间戳单元28接收的电信号。每个总线26、27表示在每个伽玛 光子探测器模块24、25内的一个或多个伽玛光子探测器的图1中的一个或 多个阵列电输出12a、12b、12c、12d。返回到图2，时间戳单元28至少发 出指示对每个接收到的伽玛光子的接收的时间的时间戳。积分单元还可以 被包括在时间戳单元28内以对与每个伽玛光子相关联的闪烁光求积分以便 确定其能量。时间戳单元28与符合确定单元29通信，如果接收到的伽玛 光子的时间戳发生在彼此的窄时间间隔内，符合确定单元29将接收到的伽 玛光子识别为符合，所述窄时间间隔通常为+/-3ns。符合确定单元29还可 以分析与每个接收到的伽玛光子相关联的能量，并且排除具有位于预定能 量窗外的伽玛光子能量的明显符合的伽玛光子。符合确定单元29与重建处 理器30通信，重建处理器30构建针对被认为符合的每对接收到的光子的 响应线，并且进一步处理多个这样的响应线，以便重建表示符合伽玛光子 的原始位置的图像的数据。在飞行时间(TOF)PET中，重建处理器还可 以考虑在接收到的符合伽玛光子之间的小时间差，以便更好地定位其原始 位置。在相互作用深度(DOI)PET中，还可以评估两个探测到的伽玛光子 的轨迹，以便通过减小视差误差来改进重建图像的空间分辨率。重建处理 器30还与图像处理单元31通信，图像处理单元31被配置为将表示符合光 子的原始位置的数据处理成适合于将图像呈现在输出设备上的格式。图像 处理单元31还与呈现图像的输出设备32通信，输出设备32例如显示器、 打印机等。控制单元33与PET成像系统的所有描述的单元通信并且协调以 上描述的操作。

当使用时，要被成像的对象的部分，例如人或动物身体的部分被定位 在图2中的示范性PET成像系统的成像区域21中。所述部分可以是期望在 其中测量对放射性示踪剂的摄取的对象内的器官。在将对象的部分定位在 成像区域21中之前，可以将放射性示踪剂施予给对象，并且可以允许经过 摄取周期。在成像过程期间，多个伽玛光子探测器1接收起因于在成像区 域21内的放射性衰减事件，例如起因于被施予到对象的放射性示踪剂的衰 减的伽玛光子。在成像过程之后，PET成像系统20产生指示在成像区域21 内的放射性示踪剂的分布的图像。本发明的所述计时单元和所述时间戳触 发单元应用在图2中的时间戳单元28内。

为了突出本发明的益处，图3图示了在飞利浦数字光子计数(PDPC) PET成像系统中使用的现有技术计时方案。在专利申请WO2006/111883A2 中公开了这样的系统。在现有技术图3中，闪烁体元件40与光学探测器像 素阵列41光学通信以形成伽玛光子探测器。多个这样的伽玛光子探测器可 以被使用在图2中图示的PET成像系统20中。返回到现有技术图3，通过 在光学探测器像素阵列41内的像素单元探测在闪烁体元件40内生成的闪 烁光。光学探测器像素阵列41包括一个或多个光学探测器像素，其中，每 个光学探测器像素包括一个或多个像素单元。像素单元可以是单光子雪崩 探测器(SPAD)，在其他情况下被称为硅光电倍增管(SiPM)，并且可以被 操作在盖革模式下。在操作时，SiPM或像素单元被初始重置，使得其输出 处于逻辑假状态。通过SiPM对光子的接收导致对其结的击穿和对在其输出 处的逻辑真状态的触发。因此，在光学探测器像素阵列41中的最小光学探 测器元件是像素单元，其中，能够单个地启用和禁用每个像素单元，并且 能够读出其逻辑输出。在一种配置中，光学探测器像素具有大约4mm的间 距，并且像素单元具有大约50微米的间距。因此，光学探测器像素可以包 括数千个像素单元，但是也预见到具有一个或多个像素单元的实施方式。 在光学探测器像素阵列41内的像素单元被布置成行，如由像素单元行42、 43例示的，为了便于图示，仅仅示出了其中的两行。可以存在一个或多个 这样的像素单元行。逻辑OR操作(未示出)还在像素单元行42、43中的 一个或多个像素单元的输出上被执行并且被用于在行触发输出48、49处生 成行触发信号。因此，当在其像素单元行42、43中的像素单元中的一个或 多个已经被触发成逻辑真状态时，行触发输出48、49被设置成逻辑真状态。 通过例示的方式参考图1，闪烁体元件40对应于项2a；光学探测器像素阵 列41对应于项3a。

返回到现有技术图3；当由触发逻辑单元45触发时，被实施为时间数 字转换器(TDC)44的计时单元生成指示通过闪烁体元件40对伽玛光子的 接收的时间的时间戳。验证逻辑单元46的验证输出60控制到控制单元33 的时间戳的输出，使得如果在行触发输出48、49处的电信号似乎起因于伽 玛光子，则向控制单元33输出时间戳，否则，不输出时间戳并且重置TDC。 任选的积分器单元47可以被用于通过对响应于其接收产生的闪烁光求积分 来确定每个接收到的伽玛光子的能量。在诸如PET成像的应用中伽玛光子 的能量是有用的参数，在PET成像中，符合确定单元可以使用所述伽玛光 子能量来改进在散射伽玛光子与非散射伽玛光子之间的鉴别，并且由此确 定响应线的有效性。任选的积分器单元47可以被配置为生成指示由光学探 测器像素阵列41内的像素单元探测到的闪烁光的总量的信号。当触发逻辑 单元45使TDC 44生成时间戳时，可以经由控制单元33来初始化由积分器 单元47的积分。任选的控制单元33可以协调以上描述的各个操作，还可 以接收来自TDC 44的时间戳，并且还可以控制其到在图1中图示的PET 成像系统20内的符合确定单元29的传输。

在操作时，在现有技术图3中通过闪烁体元件40对伽玛光子的接收导 致对包括大量光子的闪烁光脉冲的生成。通过光学探测器像素阵列41内的 像素单元来探测光子，如果在其对应的像素单元行42、43中的一个或多个 像素单元探测到光子，则在行触发输出48、49处得到逻辑真状态。闪烁光 的特征在于通过来自多个像素单元行42、43的像素单元对其光子的探测， 并且因此特征在于在多个行触发输出48、49处的逻辑真状态。触发逻辑单 元45执行在多个行触发输出48、49上的逻辑操作，以便在TDC触发连接 64处生成信号，当满足预定逻辑条件时，触发逻辑单元45使TDC 44生成 时间戳。通常期望当尽可能少的行触发输出48、49处于逻辑真状态时生成 时间戳以便优化探测的灵敏度。因此，通过将触发逻辑单元45配置为OR 逻辑单元来实现最低触发阈值，在所述OR逻辑单元中，当行触发输出48、 49中的一个或多个处于逻辑真状态时，TDC触发连接64使TDC 44生成时 间戳。这样的配置对应于基于对第一光子的探测对时间戳的生成。备选地， 具有改进的暗计数噪声抑制的更高阈值能够通过将触发逻辑单元45实现具 有AND和OR逻辑的组合来实现，AND和OR逻辑的组合具有行触发输出 48、49的预定选集作为输入。

在现有技术图3中的验证逻辑单元46包括接收来自行触发输出48、49 的信号的逻辑电路，所述信号指示在像素单元行42、43中对光子的探测， 以便确定这些信号是否源自于伽玛光子。当在光学探测器像素阵列41中的 预定数量的行触发输出48、49已经被设置成真状态时，验证逻辑单元46 在验证输出60处生成真信号，所述真状态指示通过在对应的像素单元行42、 43中的像素单元对一个或多个光子的探测。改变验证输出60的状态需要的 像素单元的阈值数量高于由触发逻辑单元45使TDC 44生成时间戳需要的 数量。用这种方式，验证逻辑单元46提供针对噪声的鉴别和闪烁光脉冲， 其中，所述针对噪声的鉴别通常将光学探测器像素阵列41内的低总数量的 像素单元设置成真状态，所述闪烁光脉冲将光学探测器像素阵列41内的高 得多的总数量的像素单元设置成真状态。如果验证逻辑单元46证实预定数 量的行触发输出48、49已经被设置成真状态，则闪烁光脉冲被解读为源自 于伽玛光子，并且验证输出60使TDC 44向控制单元33输出时间戳。然后 将当由触发逻辑单元45触发时产生的时间戳从寄存器(未示出)传输到控 制单元33。如果验证逻辑单元46未证实预定数量的行触发输出48、49已 经被设置成真状态，则不将时间戳传输到控制单元33并且经由控制单元33 来重置TDC 44和积分器单元47。

如早前所陈述的，SiPM光学探测器的缺点是在其盖革模式操作下固有 的高暗计数噪声。当在诸如在现有技术图3中图示的伽玛光子探测器的伽 玛光子探测器中使用时，由暗计数噪声引起的在行触发输出48、49处的电 信号具有与起因于对伽玛光子的探测的电信号相似的特性，从而混淆了两 者之间的鉴别。因此，在像素单元行42、43内的像素单元中的暗计数噪声 可以引起触发逻辑单元45使TDC 44生成时间戳，并且未能正确地将验证 逻辑单元46的验证输出60设置成真状态并且由此使TDC 44向控制单元 33输出时间戳。在这种情况下，TDC 44被重置以准备用于生成下一个时间 戳。在图3的现有技术系统中，对TDC的重置花费大约50ns。因此，对 TDC 44的虚假触发导致大约50ns的“空载时间”，在这期间TDC 44不能 够生成时间戳。在PET成像中使用的这样的光学探测器中的暗计数噪声已 经被发现在室温达到每秒一千万个脉冲，因此当触发逻辑单元45被配置为 以其最低可能阈值启动TDC 44时，由此基于对第一光子的探测，空载时间 总计达50％。因此，TDC 44在50％的时间不能够发出时间戳，从而降低对 伽玛光子的灵敏度。在图3中图示的现有技术系统中，通过阈值来将噪声 鉴别提供给分别使触发逻辑单元45和验证逻辑单元46两者具有真输出状 态需要的一定数量的行触发输出48、49。尽管如此，光学探测器也必须被 冷却以减少暗计数噪声，以便其中断不干扰对伽玛光子的计时。

在本发明中，采取不同的方法来改进对探测到的辐射量子的计时中的 噪声抑制。在本发明中，基于在光学探测器像素阵列内的像素单元触发速 率，由此基于光子探测速率，通过时间戳触发单元来使由TDC例示的计时 单元生成时间戳。发明人已经发现，基于像素单元触发速率来使计时单元 生成时间戳提供在由光子对像素单元的触发与由暗计数噪声对像素单元的 触发之间的改进的鉴别。因此，减少了暗计数噪声使计时单元生成时间戳 的频率，并且减少了由噪声触发的空载时间禁用计时单元期间的时间的比 例。因此，计时单元能够在更大比例的时间对伽玛光子的接收创建时间戳。 对计时单元的改进的时间利用有利地缓解了对光学探测器的冷却要求。计 时单元的减少的活动也减少其自身的功耗，由此减少邻近的光学探测器的 温度，从而进一步减少其暗计数噪声。另外，改进的计时方法已经改进了 计时准确度，当在PET成像系统中使用时，所述计时准确度改进图像分辨 率。

对比之下，在现有技术图3中的系统被配置使得当已经触发预定数量 的光学探测器像素单元时由TDC 44实施的计时单元生成时间戳。

图4图示了根据本发明的某些方面的计时单元和时间戳触发单元71的 第一实施例。在图4中，闪烁体元件40与光学探测器像素阵列41光通信 以形成伽玛光子探测器。通过光学探测器像素阵列41来探测在闪烁体元件 40内生成的闪烁光。多个这样的伽玛光子探测器可以被使用在图2中图示 的PET成像系统20中。尽管缺少闪烁体元件40，但是可以以相同的方式 来直接探测来自例如切伦科夫辐射的光子。光学探测器像素阵列41包括一 个或多个光学探测器像素，每个光学探测器像素包括一个或多个像素单元。 像素单元可以是单光子雪崩探测器(SPAD)，在其他情况下被称为硅光电 倍增管(SiPM)，并且可以被操作在盖革模式下，在盖革模式中，对光子的 接收导致对结的击穿和在像素单元输出处的逻辑真状态。在操作时，SiPM 或像素单元被初始重置，使得其输出处于逻辑虚假状态。通过SiPM对光子 的接收导致对其结的击穿，由此触发其输出改变到逻辑真状态。因此，在 光学探测器像素阵列41中的最小光学探测器元件是像素单元，其中，能够 单个地启用和禁用每个像素单元，并且能够读出其逻辑输出。在一种配置 中，光学探测器像素具有大约4mm的间距，并且像素单元被布置成具有大 约50微米的间距的行。因此，光学探测器像素可以包括数千个像素单元， 但是也预见到具有一个或多个单元的实施方式。在光学探测器像素阵列41 内的像素单元可以被布置成行，如由图4中的像素单元行42、43例示的， 为了便于图示，仅仅示出了其中的两行。可以存在一个或多个这样的像素 单元行。逻辑OR操作(未示出)还在像素单元行42、43中的一个或多个 像素单元的输出上被执行并且被用于在行触发输出48、49处生成行触发信 号。因此，当在其像素单元行42、43中的像素单元中的一个或多个处于逻 辑真状态时，行触发输出48、49被设置成逻辑真状态。通过例示的方式参 考图1，闪烁体元件40对应于项2a；光学探测器像素阵列41对应于项3a。 返回到图4；当AND逻辑50在TDC触发连接64处生成逻辑真状态时， 由TDC 44例示的计时单元生成时间戳，所述时间戳指示通过闪烁体元件 40对伽玛光子的接收的时间。诸如模拟计时单元的备选计时单元也可以被 用于实施计时单元。脉冲缩短单元51包括一个或多个单稳态组件52、53， 每个单稳态组件被配置为接收来自像素单元行42、43的电信号，并且当在 其对应的行触发输出48、49的信号指示在其对应的像素单元行42、43中 的一个或多个像素单元已经被触发成指示对光子的探测的真状态时生成逻 辑真输出脉冲。单稳态脉冲的周期可以在0.001ns到10ns的范围中，优选 在0.001ns到5ns的范围中，并且甚至更优选在0.001ns到1ns的范围中， 并且最优选在0.001ns到0.5ns的范围中。用这种方式，当通过在其对应的 像素单元行42、43中的像素单元已经探测到单个光子时，单稳态组件52、 53生成逻辑真输出脉冲。在脉冲缩短单元51中的单稳态组件52、53的电 输出随后连接到初级触发逻辑单元54。初级触发逻辑单元54的输出57被 配置为当满足预定触发条件时输出逻辑真状态。在一个实施方式中，初级 触发逻辑单元54执行逻辑OR操作，使得其输出57使延迟单元56在脉冲 缩短单元51中的单稳态组件中的任一个满足其阈值条件之后的由延迟单元 56的延迟周期确定的固定时间在输出58处生成逻辑真输出脉冲。用这种方 式，延迟单元56被配置为在光学探测器像素阵列41内的像素单元中的任 一个中探测到单个光子之后的固定时间生成逻辑真输出脉冲。在另一实施 方式中，初级触发逻辑54可以包括，当针对光学探测器像素阵列41内的 像素单元的任何预定选集满足脉冲缩短单元51中的单稳态组件52、53的 阈值条件时，使输出57处于逻辑真状态的逻辑的任何组合。用这种方式， 延迟单元56可以被配置为在通过在光学探测器像素阵列41内的像素单元 探测到任何数量n的光子之后的由延迟单元56的延迟周期确定的固定延迟 周期在输出58处生成逻辑真输出脉冲。因此，在已经探测到第n个光子之 后或在已经触发第n个像素单元之后的固定延迟周期创建逻辑真输出脉冲。 如果在延迟单元56的延迟周期内次级触发逻辑单元55的输出59随后被设 置成真状态，则AND逻辑50的输出64使TDC生成时间戳。由于通过触 发第n个光子或第n个像素单元的时间加上延迟单元56的延迟周期来确定 时间戳的时间，所以能够通过从时间戳的时间减去延迟单元56的延迟周期 来确定探测到第n个光子或触发第n个像素单元的时间。这在PET成像中 在改进计时测量结果的可重复性中具有有用的应用。

次级触发逻辑单元55接收来自一个或多个行触发输出48、49的电信 号。其输出59被配置为当满足针对行触发输出48、49的预定逻辑条件时 处于逻辑真状态。该条件可以对应于例如像素单元触发速率超过预定速率、 小于预定速率、在预定速率的预定范围内或等于预定速率。用这种方式， 基于像素单元触发速率来生成时间戳。在一个实施方式中，次级触发逻辑 55被配置为当处于逻辑真状态的行触发输出48、49的总数量超过预定数量 时在输出59处生成逻辑真信号，所述预定数量大于使初级触发逻辑单元54 将其输出54设置成逻辑真状态的数量。例如，将次级触发逻辑输出59设 置成逻辑真状态需要的行触发输出48、49的数量可以是两个或更多个。在 延迟单元56中的延迟周期确定在其期间确定像素单元触发速率的周期。通 过计算在延迟单元56的延迟周期内在将次级触发逻辑单元55设置成真状 态需要的触发像素单元的阈值数量与将初级触发逻辑单元54设置成真状态 需要的触发像素单元的阈值数量之间的差来确定像素单元触发速率。例如， 将初级触发逻辑单元54的输出57设置成逻辑真状态需要的像素单元的数 量的阈值设置成一，并且将次级触发逻辑单元55的输出59设置成逻辑真 状态需要的像素单元的数量设置成二，并且将延迟单元56的延迟周期设置 成100ps，得到每100ps一个触发的像素单元的阈值像素单元触发速率，其 对应于每100ps一个光子。可以在初级触发逻辑单元54的输出57之后或在 AND逻辑50的输出64之后重置在像素单元行42、43中的像素单元，以 便将在光学探测器像素阵列41中的像素准备用于生成下一个时间戳。用这 种方式，在延迟周期的结束，当在光学探测器像素阵列41内的像素单元触 发速率超过预定速率时，由此当光子探测速率超过预定速率时，延迟单元 56的输出58使TDC 44生成时间戳。另外，在该配置中，时间戳的时间对 应于触发第一像素单元的时间加上延迟单元56的延迟周期，从而允许对第 一触发像素单元的探测的时间的后续计算。更一般地，通过调节将初级触 发逻辑单元54的输出57设置成真逻辑状态需要的像素单元的数量的阈值 或范围，并且同样地调节将次级触发逻辑单元55的输出59设置成真逻辑 状态需要的像素单元的数量的阈值或范围，可以在满足其他基于像素单元 触发速率的条件之后生成时间戳。明确地，必须触发至少一个像素单元， 以便初级触发逻辑单元54将其输出设置成高状态。然而，除了上述像素单 元触发速率条件之外，另外通过调节初级触发逻辑单元54将其输出设置成 逻辑真状态的条件，在对触发像素单元的阈值数量的先前探测的条件下可 以进行对时间戳的生成。用这种方式，在满足针对初级触发逻辑单元54的 输入条件之后，时间戳的时间是延迟单元56的延迟周期。用这种方式，图 4中的电路可以被配置为生成对应于对第n个光子的时间的探测的时间加上 延迟单元56的延迟周期的时间戳，其中，时间戳的条件是对n个触发的光 子的初始探测和像素单元触发速率条件的后续满足。这样的实施方式通过 基于探测到的光子的型线生成时间戳有利地改进噪声的抑制。

针对在图4中的脉冲缩短单元51中的单稳态组件的脉冲周期期望短于 延迟单元56的延迟周期，以便防止在到初级触发逻辑单元54的输入处触 发脉冲交叠。优选地，延迟单元56的延迟周期被制定得尽可能地短，以便 快速在暗计数噪声与指示对伽玛光子的接收的电信号之间进行鉴别。改进 的计时性能已经被发现在针对延迟单元56中的延迟周期的下列范围中： 0.001ns到200ns的范围、0.001ns到20ns的范围、0.001ns到10ns的范围、 0.001ns到1ns的范围。当与现有技术进行比较时，因为不生成时间戳，除 非像素单元触发速率，由此光子探测速率满足预定速率条件，所以通过由 图4例示的计时方案提供改进的噪声鉴别。利用了以下观察的优点：针对 噪声和针对起因于对伽玛光子的探测的真实闪烁光脉冲，光子探测速率比 在每种情况下触发的像素单元的总数量差异更明显。

如上所述，图4中的配置可以被调整使得由伽玛光子产生的第一光子 填装AND逻辑50，并且如果在延迟单元56的延迟周期内在闪烁体元件40 中的光子生成的速率随后足以使次级触发逻辑55处于逻辑真状态，则由 TDC 44生成时间戳。因此，可以通过从时间戳的时间减去延迟单元56的 延迟周期来确定对第一光子的探测的时间。所述配置也可以被调整使得第n 个光子经由延迟单元56填装AND逻辑50，并且使得k个或更多个光子将 次级触发逻辑单元55设置成真逻辑状态，其中，k超过n。由此，如果超 过由每个由延迟周期确定的周期的(k-n)个光子确定的速率条件，则在由 对第n个光子的探测之后的由延迟周期确定的时间生成时间戳。可以经由i) 延迟单元56的延迟周期ii)必须被设置成逻辑真状态以便触发在脉冲缩短 单元51中的每个单稳态组件的像素单元的阈值数量iii)必须被设置成逻辑 真状态以便引起初级触发逻辑单元54的输出的改变的像素单元的阈值数量 或iv)必须被设置成逻辑真状态以便引起次级触发逻辑单元55的输出的改 变的像素单元的阈值数量来调节生成时间戳需要的阈值光子探测速率。增 大生成时间戳需要的阈值光子探测速率总体上减小对由暗计数噪声对TDC 的错误触发的易感性。由于将丢失一些光脉冲，所以使阈值速率过高减小 对起因于伽玛光子的闪烁光脉冲的灵敏度。

在一个示范性实施方式中，图4中的系统被配置使得第一光子经由初 级触发逻辑54填装AND逻辑50，并且由此当随后在延迟单元56的延迟 周期内已经探测到更高数量的光子时，次级触发逻辑55被配置为引起AND 逻辑50以使TDC 44生成在更高触发水平的时间戳。典型的闪烁体元件材 料LYSO响应于对在511keV的单伽玛光子的接收而产生大约2000个光子。 这些光子在LYSO中经受大约40ns的衰减时间，并且得到50个光子/ns的 初始光子通量。能够通过将延迟单元56设置具有1ns的延迟周期来提供显 著的噪声鉴别，在这种情况下，当探测到的光子通量超过大约5个光子/ns 时，次级触发逻辑55的输出59应当被配置为处于逻辑真状态。

图4中的任选的验证逻辑单元46包括接收来自行触发输出48、49的 指示在像素单元行42、43中对光子的探测的信号的逻辑电路以便确定这些 信号是否起源于伽玛光子的逻辑电路。因此，当在光学探测器像素阵列41 中的预定数量的行触发输出48、49已经被设置成真状态时，任选的验证逻 辑单元46可以被配置为生成在验证输出60处的真信号，所述真状态指示 通过在对应像素单元行42、43中的像素单元对一个或多个光子的探测。改 变验证输出60的状态需要的像素单元的阈值数量优选被设置为比触发逻辑 单元45使TDC 44生成时间戳需要的数量更高的数量。用这种方式，验证 逻辑单元46能够被用于提供针对噪声的额外鉴别和起因于通过闪烁体元件 40对伽玛光子的接收的闪烁光脉冲，其中，所述针对噪声的额外鉴别通常 将光学探测器像素阵列41内的低总数量的像素单元设置成真状态，所述闪 烁光脉冲将光学探测器像素阵列41内的高得多的总数量的像素单元设置成 真状态。如果任选的验证逻辑单元46证实预定数量的行触发输出48、49 已经被设置成真状态，则闪烁光脉冲被解读为源自于伽玛光子，并且验证 输出60使TDC 44向控制单元33输出时间戳。然后将当由触发逻辑单元 45触发时产生的时间戳从寄存器(未示出)传输到控制单元33。如果任选 的验证逻辑单元46未证实预定数量的行触发输出48、49已经被设置成真 状态，则不将时间戳传输到控制单元33，并且经由控制单元33来重置TDC  44和积分器单元47。

优选地，将任选的验证逻辑单元46的输出设置成有效状态需要的预定 数量的行触发输出48、49使得响应于在触发连接64处的大约10ns的逻辑 真信号内的闪烁光脉冲而生成真验证输出60。用这种方式，如果噪声使TDC  44生成时间戳，其重置可以在10ns内被初始化并且因此没有太长的延迟。

图4中的任选的积分器单元47可以被用于通过对响应于对伽马光子的 接收产生的闪烁光求积分来确定每个接收到的伽玛光子的能量。每个伽玛 光子的能量是可以在诸如PET成像的高能物理应用中使用的参数，在PET 成像中，所述参数能够由符合确定单元使用以改进在散射伽玛光子与非散 射伽玛光子之间的鉴别，并且由此确定来自时间上符合的伽玛光子的响应 线的有效性。因此，积分器单元47可以被配置为生成指示由光学探测器像 素阵列41内的像素单元探测到的闪烁光的总量的信号。所述积分可以通过 以多路复用方式将在像素单元行42、43中的像素单元的逻辑输出间歇地传 输到积分器单元47并且对在逻辑真状态的像素单元的数量进行求和来执 行。当触发逻辑单元45使TDC 44生成时间戳时，可以经由控制单元33来 初始化由积分器单元47进行的积分。

图4中的任选的控制单元33可以协调上述各个操作，并且还可以接收 来自TDC 44的时间戳，并且还控制其到在图1图示的PET成像系统20内 的符合确定单元29的传输。

图5图示了根据本发明的某些方面的计时单元和时间戳触发单元的第 二实施例。图5中的实施例被配置为在满足第一像素单元触发速率条件并 且随后满足第二像素单元触发速率条件两者之后生成时间戳。通过在生成 时间戳之前的随后时间点满足触发速率条件的要求来提供改进的噪声抑 制。这允许基于闪烁光的光子探测速率的型线来生成时间戳。通过这种方 式，直到存在来自光学探测器像素阵列内的像素单元的电信号起因于闪烁 光的甚至更高的可能性，才启动由示范性TDC 44实施的计时单元。这避免 了在由噪声使计时单元生成时间戳之后与重置计时单元相关联的空载时 间。正如图4中图示的第一实施例所述，应当认识到，可以备选地由诸如 模拟计时单元的另一计时单元来实施由示范性TDC 44实施的计时单元。

除了图4的项之外，图5包括三级触发逻辑单元63，三级触发逻辑单 元63接收来自一个或多个行触发输出48、49、67、68的电信号。当在由 延迟单元61确定的延迟周期内触发的像素单元的数量满足预定计数条件； 由此像素单元触发速率满足如早前参考图4所描述的预定速率条件时，其 输出69被配置为处于逻辑真状态。当通过在光学探测器像素阵列41内的 像素单元探测到任何数量的光子时，图5中的三级触发逻辑单元63的输出 69可以被配置为处于逻辑真状态。另外，当该数量等于预定范围、超过预 定范围、不超过预定范围或在预定范围内时，该输出可以被配置为处于逻 辑真状态。用这种方式，可以取决于由三级触发逻辑63与延迟单元2组合 确定的像素单元触发速率是否大于预定速率的预定范围、小于预定速率的 预定范围、等于预定速率的预定范围或在预定速率的预定范围内，由TDC 44 发出时间戳。图5中的第二延迟单元61以与图4中的延迟单元56相同的 方式操作。在初级触发逻辑单元54的输出57之后或在AND逻辑62的输 出64之后可以重置在像素单元行42、43、65、66中的像素单元，以便将 在光学探测器像素阵列41中的像素准备用于生成下一个时间戳。在图5的 实施例中也包括额外的AND逻辑62。尽管在图5中也图示了额外的像素 单元行65、66和其对应的输出以便说明将电路扩展到更大数量的光学探测 器像素的可能性，但是应当认识到，电路可以适于与一个或多个这样的像 素单元行一起操作，其中，每行包括一个或多个像素单元。

图5中的实施例可以被配置为利用了以下观察的优点：通常在对伽玛 光子的接收之后在闪烁体元件40中生成的闪烁光脉冲的特征在于快速初始 光子探测速率紧跟着光子探测速率减小的优点。这样的型线是在PET成像 系统中来自伽玛光子的闪烁光脉冲的典型型线，在所述典型型线中，闪烁 光的快速初始增加紧跟着指数式衰减。衰减常数可以为大约40ns。对比之 下，来自随机生成的暗计数噪声的型线得到更均匀的像素单元触发速率。 尽管缺少闪烁体元件40，但是可以以与以上所描述的相同的方式来直接探 测来自例如切伦科夫辐射的光子。可以通过使设置次级触发逻辑55的输出 70需要的阈值像素单元触发速率取决于超过特定速率，并且使设置三级触 发逻辑63的输出69需要的阈值像素单元触发速率取决于超过特定速率、 不超过特定速率或特定速率在窄范围内，在图5图示的第二实施例中利用 在像素单元触发速率中的这些特性差。在后一范例中，这可以利用图5中 图示的系统通过将使三级触发逻辑63的输出69处于逻辑真状态需要的行 触发输出42、43、65、66的数量布置在以低于使次级触发逻辑55的输出 70处于逻辑真状态需要的数量为中心的窄范围内来实现。用这种方式，取 决于超过初始像素单元触发速率并且后续像素单元触发速率在更低的和预 定的范围内，能够进行对时间戳的生成。通过调节由次级触发逻辑55和三 级触发逻辑63设置的阈值触发速率条件，取决于在两个时间点确定的像素 单元触发速率的任何期望型线以及由此确定的光子生成速率的任何期望型 线，能够进行对时间戳的生成。

在图5中示出的实施例的一个示范性实施方式中，在脉冲缩短单元51 中的单稳态组件每个具有0.5ns的周期，延迟单元56具有1ns的延迟周期， 并且延迟单元61具有10ns的延迟周期。另外，当来自脉冲缩短单元51的 其输入中的任一个处于逻辑真状态时，初级触发逻辑54的输出57被配置 为处于逻辑真状态。当在延迟单元56的1ns延迟周期期间在光学探测器像 素阵列41中的触发单元的数量以及由此的像素单元触发速率对应于超过每 秒10⁶计数的伽玛光子接收速率时，次级触发逻辑单元55的输出59被配置 为处于逻辑真状态。当在延迟单元61的10ns周期期间在光学探测器像素阵 列41中的触发单元的数量以及由此的像素单元触发速率对应于超过每秒 10⁵计数的伽玛光子接收速率时，三级触发逻辑单元63的输出69被配置为 处于逻辑真状态。脉冲缩短单元1接收来自行触发输出48、49、67、68的 信号，行触发输出48、49、67、68对应于在光学探测器像素阵列41中的 所有像素单元行42、43、65、66。用这种方式，当在光学探测器像素阵列 41内的像素单元中的任一个被设置成逻辑真状态时，初级触发逻辑54的输 出在0.5ns的周期被设置成逻辑真状态。这对应于通过第一光子对初级触发 逻辑54的输出57的触发。延迟单元56使该脉冲到AND逻辑50的传播延 迟1ns的延迟周期。同时次级触发逻辑单元55确定在其输入处的行触发输 出48、49、67、68是否满足其预定的速率条件，所述预定速率条件对应于 超过每秒10⁶计数的伽玛光子接收速率。如果在延迟单元56的1ns延迟周 期内满足该条件，则其输出70被设置成逻辑真状态，这在延迟单元56的 1ns延迟周期的结束使从AND逻辑50输出逻辑真。延迟单元61使该脉冲 到AND逻辑62的传播延迟10ns的延迟周期。同时，三级触发逻辑单元63 确定在该第二个10ns的延迟周期内在其输入处的行触发输出48、49、67、 68是否满足其预定速率条件，所述预定速率条件对应于超过每秒10⁵计数 的伽玛光子接收速率。如果在延迟单元61的10ns周期内满足该条件，则其 输出69被设置成逻辑真状态，这在延迟单元61的10ns周期的结束使在TDC 触发连接64处输出逻辑真、从AND逻辑62输出逻辑真，由此使TDC 44 生成时间戳。用这种方式，对时间戳的生成取决于连续地满足第一像素单 元触发速率条件和第二像素单元触发速率条件；由此取决于当存在对在光 学探测器像素阵列41内的像素单元的触发源自于闪烁光脉冲的甚至更高水 平的符合时。明确地，可以使用初级触发逻辑单元54、次级触发逻辑单元 55和三级触发逻辑单元63的其他配置以及AND逻辑50和60的备选逻辑 实施例以及延迟单元56和61中的备选延迟，以便将第一像素单元触发速 率条件和第二像素单元触发速率条件设置成期望的任何速率。在输出57、 70或69或64中的任一个被设置成真逻辑状态以便将像素单元准备用于生 成下一个时间戳之后，可以重置在光学探测器像素阵列中的像素单元。通 过使所描述的逻辑电路可编程，所述配置还可以例如被重新配置在对PET 成像扫描的执行中对电路的使用之间或期间。这样做，所述系统能够被重 新配置为调节在使用期间的灵敏度和噪声抑制两者。

如参考第一实施例所描述的，在图5中图示的任选的积分器单元47还 可以对来自接收到的伽玛光子的闪烁光求积分。还如在第一实施例中所描 述的，任选的验证逻辑单元46可以基于在光学探测器像素阵列41内的触 发的像素单元的总数量通过控制从TDC 44到控制单元33的时间戳的输出 来提供针对噪声的进一步鉴别或其抑制。任选的控制单元33还可以协调各 个描述的过程。

根据第三实施例，图4中图示的第一实施例还被供应有与TDC 44操作 上类似的第二TDC，并且下文将其称为参考时间数字转换器(RTDC)。RTDC 被配置为接收来自初级触发逻辑单元54的输出57的电信号并且当该输出 从逻辑假状态转变成逻辑真状态时生成第二时间戳。用这种方式，不仅当 满足针对次级触发逻辑单元的触发速率条件时生成时间戳，而且当满足针 对初级触发逻辑单元54的条件时生成第二时间戳。与针对初级触发逻辑单 元54的条件有关的第二时间戳指示对特定数量的光子的探测的时间，而不 指示特定光子探测速率条件。由RTDC生成的时间戳能够用于提供与触发 初级触发逻辑54的闪烁光脉冲的形状有关的信息。随后该脉冲形状信息能 够用于执行时间行走校正或者用于估计在闪烁体元件40中的伽玛光子的相 互作用深度，并且由此改进对原始伽玛光子的探测的空间分辨率。随后该 相互作用深度能够在PET成像系统中使用以进一步改进确定符合的伽玛光 子对的空间分辨率，因为其允许基于伽玛光子的入射角的鉴别。能够针对 两个明显符合的伽玛光子来比较该信息以便排除似乎符合但是由于其入射 角实际上是视差误差的对象的伽玛光子。尽管由RTDC产生的第二时间戳 比由TDC 44产生的时间戳经受更高风险的虚假触发，并且因此其比TDC 44 丢失更多的有效伽玛光子，当与来自TDC 44的时间戳组合生成时，组合的 数据能够以改进成像系统的空间分辨率的方式被使用。如上所述，可以使 触发逻辑单元54和55可编程，以便能够进行对来自许多时间点的闪烁光 脉冲的特性的采样。还可以通过包括额外的触发逻辑单元来调整在该第三 实施例中描述的电路，每个额外的触发逻辑单元具有对应的时间数字转换 器以便在闪烁光脉冲中的不同时间生成额外的时间戳或者将额外的时间戳 生成作为TDC 44生成时间戳的先决条件。额外的时间戳能够用于改进对闪 烁光脉冲的形状的确定，并且由此提供甚至更准确的时间行走校正、减少 计时抖动或改进对相互作用深度的估计。当用作TDC 44生成时间戳的先决 条件时，得到的时间戳具有在来自像素单元的电信号源自于伽玛光子的甚 至更高的概率的情况下被生成的益处。

在第三实施例的范例实施方式中，图4中的系统被配置使得第一探测 到的光子使初级触发逻辑54的输出57处于逻辑真状态，并且使得当针对 在光学探测器像素阵列41内的像素单元的像素单元触发速率超过来自伽玛 光子的期望初始速率时次级触发逻辑55引起AND逻辑50使TDC 44生成 时间戳。该速率能够是例如50个光子/ns。延迟单元56可以被配置为具有 例如1ns的延迟周期。因此，接收来自初级触发逻辑单元54的输出57的电 信号的RTDC被配置为当探测到第一光子时生成时间戳。当计时是准确的 时，将期望在RTDC时间戳与TDC时间戳之间的时间差等于延迟单元56 的时间加上闪烁光脉冲的上升时间，由此大约为1ns。然而，如果并非如此， 则能够通过将TDC的时钟周期乘以缩放因子来执行时间行走校正，以便使 计时准确。另外，可以执行针对闪烁体元件中的辐射量子的相互作用深度 计算以便改进PET成像系统的空间分辨率。可以通过相互作用深度计算单 元来执行相互作用深度计算，所述相互作用深度计算单元被配置为使用将 时间差与闪烁体元件中的相互作用深度相关的查找表或统计函数来计算相 互作用深度。这样的查找表或统计函数可以基于闪烁体元件的几何结构根 据启发式或模拟时间差信息来生成。

根据第四实施例，图5中图示的第二实施例还被供应有第二TDC(下 文将其称为参考时间数字转换器(RTDC))和第三TDC；两个额外的TDC 与TDC 44操作上类似。第二TDC或RTDC被配置为接收来自初级触发逻 辑单元54的输出57的电信号并且被配置为当在该输出处的信号从逻辑假 状态转变成逻辑真状态时生成第二时间戳。第三TDC被配置为接收来自次 级触发逻辑单元55的输出70的电信号并且被配置为当该输出从逻辑假状 态转变成逻辑真状态时生成第三时间戳。用这种方式，在对伽玛光子的接 收之后生成三个时间戳。当分别已经满足初级触发逻辑单元54、次级触发 逻辑单元55和三级触发逻辑单元63的触发条件时，由TDC 44生成第一时 间戳。实际上，这是要被生成的三个时间戳中的最后一个。当满足初级触 发逻辑单元54的条件时生成第二时间戳。所述第二时间戳指示对特定数量 的光子的探测。第三时间戳与针对次级触发逻辑单元55的条件有关并且指 示已经满足在光学探测器像素阵列41内的像素单元的预定像素单元触发速 率。额外的第二时间戳和第三时间戳提供与触发初级触发逻辑54的闪烁光 脉冲的形状有关的另外的信息。正如第三实施例所述，随后该脉冲形状信 息可以用于执行时间行走校正或用于估计在闪烁体元件40中的伽玛光子的 相互作用深度，并且由此改进对原始伽玛光子的探测的空间分辨率。通过 使触发逻辑单元可编程，关于该配置采样点的大幅变化变得可能。也可以 通过添加一个或多个另外的触发逻辑单元来扩展在该第四实施例中描述的 电路，每个触发逻辑单元具有对应的时间数字转换器以便在闪烁光脉冲中 的不同时间生成额外的时间戳。这样的时间戳同样能够用于改进对闪烁光 脉冲的形状的确定，并且由此提供甚至更准确的时间行走校正或对相互作 用深度的改进的估计。

在第四实施例的示范性实施方式中，图5中的电路被配置使得在脉冲 缩短单元51中的单稳态组件每个具有0.5ns的周期、延迟单元56具有1ns 的延迟周期并且延迟单元61具有10ns的延迟周期。另外，初级触发逻辑 54的输出57被配置为当其从脉冲缩短单元51的输入中的任一个处于逻辑 真状态时处于逻辑真状态。当在延迟单元56的1ns周期期间在光学探测器 像素阵列41中触发的像素单元的数量对应于超过每秒10⁶计数的伽玛光子 接收速率时，次级触发逻辑单元55的输出70被配置为处于逻辑真状态。 当在延迟单元61的10ns周期期间在光学探测器像素阵列41中的触发的单 元的数量对应于超过每秒10⁵计数的伽玛光子接收速率时，三级触发逻辑单 元63的输出69被配置为处于逻辑真状态。脉冲缩短单元1接收来自行触 发输出48、49、67、68的信号，行触发输出48、49、67、68对应于在光 学探测器像素阵列41中的所有像素单元行42、43、65、66。用这种方式， 当在光学探测器像素阵列41内的像素单元中的任一个被设置成逻辑真状态 时，初级触发逻辑54的输出在0.5ns的周期被设置成逻辑真状态。这对应 于通过第一探测到的光子对初级触发逻辑54的输出57的触发。因此，当 满足该条件时，连接到输出57的参考TDC(未示出)生成时间戳。当在光 学探测器像素阵列41内的像素单元的像素单元触发速率对应于超过每秒 10⁶计数的伽玛光子接收速率时，次级触发逻辑单元55的输出被配置为处 于逻辑真状态。因此，当满足该条件时，第三TDC(未示出)生成时间戳。 最后如果满足针对三级触发逻辑63的条件，由此伽玛光子接收速率超过每 秒10⁵计数，则TDC 44生成时间戳。用这种方式，对伽玛光子的接收导致 对三个时间戳的连续生成，所述三个时间戳可以用于改进对闪烁光脉冲的 形状的确定并且由此提供甚至更准确的时间行走校正或对相互作用深度的 改进的估计。

总之，已经具体参考PET成像系统描述了具有改进的噪声抑制的用于 对探测到的辐射量子创建时间戳的计时单元和时间戳触发单元。本发明还 应用于在高能粒子物理应用中对辐射量子的探测以及对以诸如切伦科夫辐 射的光子的形式的辐射量子的直接探测。通过协作来实现改进的噪声抑制， 在所述协作中，时间戳触发单元基于在光学探测器像素阵列内的像素单元 的像素单元触发速率来使计时单元生成时间戳。通过所公开的本发明来实 现改进的计时分辨率，其改进的噪声抑制允许在探测到较少光子之后生成 时间戳。光学探测器的冷却要求也由于改进的噪声抑制和虚假触发速率的 减小得到缓解，使得能够在更接近室温的情况下对其操作。

尽管在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，这样的说明和 描述被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实 施例，并且能够用于在高能粒子物理领域内的各个应用中对辐射量子的探 测进行计时。