[发明专利]用于飞行时间PET的集成多通道时间-数字转换器

说明书

技术领域

本申请涉及数据采样、时间标记(TimesTamping)以及相关技术。本 申请提供了在时间-数字转换器中的具体应用，并且对其进行具体描述，该 时间-数字转换器用于在飞行时间正电子发射断层成像(PET)扫描中提供 对辐射探测事件的亚纳秒分辨率的时间标记。然而，下面主要提供了时间 -数字转换在其他医学应用中的更普遍的应用，以及采用这种时间-数字转 换的应用、方法和设备，例如光或光速事件的计时、核过程中辐射探测事 件的计时、其他时间敏感事件的计时等等。

背景技术

在PET中，人类患者或其他成像主体服用放射性药物。放射性药物发 生发射正电子的放射衰变事件，正电子传播一个很短的距离就与周围成像 主体的邻近电子在正负电子湮灭事件中迅速相互作用，正负电子湮灭事件 产生两个相反方向的伽玛射线。成像主体周围的辐射探测器将伽玛射线作 为基本上同时发生的两个辐射探测事件进行探测，这两个基本上同时的辐 射探测事件限定了两者间的一条响应线(LOR)。

虽然是“基本上同时”探测伽玛射线，但是如果相关的两个辐射探测 器中的一个相对于另一个辐射探测器更接近于正负电子湮灭事件，那么在 两个辐射探测事件之间将会有一个小的时间差。因为伽玛射线以光速传播 并且探测器仅相隔大约两米或更少，所以探测间的这个时间差一般约为纳 秒或更小，并且如果正负电子湮灭事件沿着伽玛射线的路径与两个探测器 等距，那么这个时间差可能低至0。在飞行时间PET(TOF-PET)中，辐 射探测器以足够高的速度运行以使得能够测量较小的飞行时间差，所测量 的飞行时间差用来沿着LOR定位正负电子湮灭事件。将LOR与来自飞行 时间测量组件的时间限制信息进行组合的数据有时被称为组织投影 (hisToprojecTion)。

对于TOF-PET，应以亚纳秒时间分辨率对辐射探测事件进行时间标 记。通常，随着时间分辨率的提高，沿着LOR定位湮灭事件的空间分辨 率也得到提高。需要一种集成的、多通道、高性能和低功耗的读出结构， 其执行对辐射探测事件的数字化(能量和空间位置或分布)和对超过100 个通道的具有亚纳秒时间分辨率的辐射探测事件发生时间的数字化(时间 -数字转换)。可用的分立式时间-数字转换器是高输入功率设备，并且不 易适用于TOF-PET。在单一芯片上实现探测和处理的集成方案是有优势 的。

现有的时间-数字转换器采用由中央基准时钟同步的环形振荡器。时间 -数字转换是基于当检测到触发事件(例如PET扫描情况下的辐射探测事 件)时锁存环形振荡器的延时元件的状态。环形振荡器包括诸如反相器或 缓冲器的几个数字延迟元件的串行互连。该延迟链的输出端反馈到输入 端。如果该延时链包括反相连接，则该配置没有稳定状态。

然而，当采用环形振荡器在亚纳秒分辨率上进行时间-数字转换时，难 以达到足够高的精度。为达到如此高的时间分辨率，每个数字延迟元件的 延迟很短，例如几皮秒到几十皮秒。例如，在CMOS中，通过实现较短的 栅极长度来获得足够快速的设备。然而，对于快速、短栅极长度的设备， 设备间的匹配一般较差，并且环形振荡器中的不同数字延迟元件间的延时 变化一般也变得明显，而这会限制时间标记的时间精度。试图通过重新设 计数字延迟设备(例如实现更长的栅极长度)以克服这些问题，降低了总 体速度并增加了电容和设备功耗。环形振荡器中的抖动也可以通过采集后 的处理来解决，例如通过对时间-数字转换器的输出进行数字校正。然而， 这种校正增加了复杂性并且增大了带宽和系统成本。而且，即使进行这种 校正，部分抖动仍旧存在。

发明内容

本申请提供了新的改进的时间-数字转换器、辐射探测器、PET扫描仪 和与之相关的方法，因此克服了上述问题和其他问题。

根据第一方面，公开了一种飞行时间PET扫描仪。设置辐射探测器以 探测从成像区域发射的辐射。辐射探测器包括至少一个时间-数字转换器， 用以对辐射探测事件进行时间标记。所述时间-数字转换器包括：多个数字 延迟元件，其可操作地互连为环形振荡器；延迟修整元件，其可操作地连 接到所述数字延迟元件并且可配置为对数字延迟元件设定基本共同的延 迟；以及读出电路，其被配置为至少基于响应于辐射探测事件的环形振荡 器的至少一个状态来产生时间标记。