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PET系统时间信息之定时 1

PET系统时间信息之定时 1

PET系统时间信息之定时


概述
         在《PET系统基础之时间信息概述》一文中介绍了PET系统的时间信息,其实说白了,这个时间信息就是指事件发生的时间,或者说是粒子击中探测器的时间,也可以说是粒子到达时间(arrival time)。问题关键是如何精确地获取这个时间,所以需要精确的定时,在PET系统这个精度至少应该是亚纳秒级的。

图1:LYSO得到的典型PMT输出脉冲信号

产生时间晃动的几个主要因素
         在《PET系统基础之时间信息概述》一文中提到了arrival time的晃动是导致测量误差重要因素。那么又是什么导致的时间晃动呢,主要有以下几个因素:
1、  探测器的固有晃动。
2、  噪声引起时检点路输出的时间晃动。
3、  幅度时间游动效应。
4、  上升时间游动效应。
以上几种因素在不同条件喜爱对晃动所起的影响是不同的,因为要具体加以分析,分清主次。应着重分析幅度和上升时间游动效应产生的时间晃动及其解决办法。另外,上述列出的因素,主要讨论的是信号调理阶段,也即模拟信号处理。在后端时间量化的时候,也会存在所谓的量化误差(比如TDC误差、时钟Skew和jitter等),这是另外一个概念,这里论述的是时间定时的基础,如果基础不精确也就谈不上后续TDC的测量精度了。
         首先我们来看探测器固有晃动,这是因为不同探测器元件的电流信号输出的时间晃动不一样,产生原因也不相同,大致因为载流子在探测器内运动途径不同造成。至于PET系统,其探测器是PMT,由于伽玛光子击中的位置不同使得光传输到PMT的时间不同,这样其输出信号的时间发生差异,而击中的位置往往是随机的,因为信号输出的时间产生晃动。对于这个因素,目前信号调理电路还没有好的办法应对,只能是在挑选PMT的时候下功夫,另外通过多次试验可以在后端对PMT传输时间进行Time Correction,这个Correction的参数通过大量实验获取,并能随时进行更新,所以现在也基本能保证对探测器固有晃动进行很好的补偿。
         第二个因素是噪声,噪声叠加在信号上会引起时检电路输出的时间晃动,这个需要通过提高调理电路设计来进行处理,这里不展开。
         第三个因素是幅度时间游动效应,探测器输出信号的随机变化造成了时间上晃动,称为幅度时间游动效应。不同幅度经过时检电路之后在输出时间上产生差异,如图2所示。

图2:幅度时间游动效应

         最后一个因素就是上升时间游动效应,PMT的输出信号上升存在随机变化,这就带来了时检电路的输出信号在时间上晃动,这称为上升时间游动效应。不同的上升时间的信号经过时间检测电路之后会产生在输出信号时间上的差异,如图3所示。

图3:上升时间游动效应

         通过图2和图3,那么我可以假设同一个信号通过不同的PMT那么得到不同的幅度以及不同的上升时间,按图示,我们必然会得到不同的定时,这种定时误差必须通过相应的时间检测电路进行避免。

时间晃动大小的度量
         具体的理论推导公式以及实验不是笔者的重点,相关的参考文件上可以找到详细的内容。这里借用参考材料上推论时间晃动大小度量时做的实验模型来说明另外一个问题。如图3所示,这是参考资料上实验示意框图。

图4:时间晃动实验测量

         这里笔者需要强调的是,图4所示的实验,在PET系统设计中也用得到。一个PET设计完成之后,需要做大量如图4所示的实验,由于PET系统中探测器采用PMT,一个系统有好几百个PMT,尽管PMT采用同一厂家同一批次,但是PMT之间的差异总是存在的,应用图4所示的实验需要获取每一个PMT的光子传输时间信息,有了这些数据才能在后端数字处理的时候进行Time Correction补偿。

前沿定时甄别器-固定阈值甄别器
         甄别器是时间检测电路的核心,传统的方式就是直接对前沿进行甄别,后来发展到双沿甄别。
         首先我们来看所谓的前沿定时特性,如图5(a)所示,假设将输入信号近似看成线性上升,可以用下述关系表示:

Vi(t)=t     0<t<tm

图5:信号前沿

         那么输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为:td = tt + ta,其中tt为输入信号从出现到上升为VT所需时间,ta为渡越时间,假定在快甄别器情况下,ta很小,暂时不加以考虑。

td = tt = tm

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