原创 四代SiPM读出系统规划及基于SiPM的PET概览

概述

SiPM读出测试系统经过前面几代修改，基本结构也已经定型下来，后面努力的方向是在此基础之上，如何将性能更进一步的优化提高。

SiPM测试板从版本3开始将主要电源模块和读出电路分开成独立的两块板子，版本3遇到了比较器输出到或门的时间信号链路上的振荡问题。为了解决该振荡问题，进行了改版，即版本4，主要在版本3的基础上，修改了比较器与或门之间的ECL走线的端接问题，以及尽量缩小该走线的长度，并让这些高速走线尽量不要靠近板子边沿。

PET系统概览

PET实物架构如图1左侧所示，而图1右侧显示了PET基本工作原理，PET类似被动雷达一样接收来自病人体内因为代谢发生的正电子湮灭产生的伽马射线对。后台通过解算这些大量伽马射线对来获取图中湮灭发生的物理位置，找到了该位置，就帮助医生找到了病灶的位置。方向近乎反向的射线对，有个专业名称叫响应线，即LOR（Line of Response），PET成像的基础就是众多LOR的集合。

图1：PET实物架构及基本工作原理示意图

SiPM读出电路简介

SiPM读出电路是整个基于SiPM的PET的关键的前端电路系统，它可以将SiPM探测的伽马光子信息转换为电信号输出。根据SiPM厂家不同，读出电路有些微差别。如图2所示，是由日本滨松公司提供的SiPM读出系统框图，其读出电路已经完成ASIC封装设计。可以看到滨松的SiPM器件只有单一输出，所以需要在读出电路中分离出能量和时间处理分支。

图2：滨松给出SiPM读出系统

而参考[1]使用了SensL（目前已被安森美公司收购）的SiPM，SensL的SiPM输出分成了两部分，一部分是标准输出，一部分是快速输出。所谓标准输出就是慢速分量，用于能量处理，快速输出则用于时间处理，如图3所示为其读出系统框图。

图3：使用安森美公司的SiPM的读出系统框图

图3中安格尔（Anger）逻辑由模拟电路直接实现，并输出的E、X和Y会送入后级的ADC进行模数转换，而比较器和或门处理后的时间脉冲T则会送入后级的TDC模块。

SST开发的SiPM读出电路特点

图2所示的滨松公司提供读出电路属于典型的TOT处理模式，ASIC并未进行完整的能量处理。SST采样了滨松的SiPM器件，而整体读出电路更接近于图3所示的结构。借鉴了软件无线电思路，将ADC尽量前移，数字化更靠近Anger算法的输入端，直接将ABCD整型信号数字化，Anger算法在后级的FPGA中通过可编程逻辑进行数字化设计完成。另外，时间支路脉冲也直接送入FPGA，因为TDC也可以有FPGA来实现。对比图3和图4，SST全面践行“软件无线电”思路，将数字化尽可能前移。如图4所示，SST开发的SiPM读出电路结构框图。

后续将重点讨论如何将比较器与或门用于时间支路脉冲处理之中，另外SST的SiPM读出电路属于原型设计，所以与图2和图3的区别还在用ASIC的实现和应用上。如图5所示，为比较器基本功能原理和要求。

图4：SST开发的SiPM读出电路功能框图

图5：比较器工作原理

如图5所示，为了尽量减小时间测量的涨落（起伏），比较器的比较阈值需要尽可能的设置小一些，这就要求前端模拟电路对杂波（暗脉冲）、噪声进行滤除或压制。

参考

[1] Development of Multi-Channel Fast SiPM Readout Electronics for Clinical TOF PET Detector