劉 蒙 漆玉金 趙翠蘭 張雪竹

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)

伽瑪相機(jī)可直接用于二維平面顯像，是構(gòu)建SPECT和 PET成像系統(tǒng)的核心部件。但傳統(tǒng)伽瑪相機(jī)的分辨率低[1]，小型模塊化是新型伽瑪相機(jī)的發(fā)展趨勢[2]。日本濱松公司生產(chǎn)的H8500系列多陽極位置靈敏光電倍增管(MAPSPMT)[3]體積小、性價(jià)比高，廣泛用于發(fā)展高分辨小型伽瑪相機(jī)模塊[4,5]。其有 64個(gè)5.6 mm×5.6 mm分離陽極，按8×8陣列構(gòu)成；有12級金屬通道倍增極，電子倍增增益可達(dá)1.5×106；總體尺寸為 52 mm×52 mm×28 mm，光陰極的靈敏面積為49 mm×49 mm；其邊緣死區(qū)較小，宜于以陣列拼接方式拓展探測面積。

用于活體小動(dòng)物 SPECT成像的高分辨伽瑪相機(jī)，探測器成像視野為10 cm左右，則需多個(gè)H8500拼接集成來拓展探測面積，因而有64路×拼接倍數(shù)探測器的信號讀出，通道數(shù)及復(fù)雜性都將成倍增加，如何簡化其讀出電子學(xué)電路是當(dāng)前研究的熱門課題。本文在文獻(xiàn)[6]基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種性價(jià)較高的簡化讀出電子學(xué)電路，用于2×2陣列H8500多陽極位置靈敏光電倍增管的前端位置信號讀出與處理。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是：把256路讀出簡化至4路處理信號，同時(shí)使探測器的整體性能(像素分辨和有效成像視野)實(shí)現(xiàn)最大化。

1 簡化位置讀出電路的設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)思想

簡化讀出電路設(shè)計(jì)的有效視野比傳統(tǒng)讀出法增大 20%左右[6]，其基本設(shè)計(jì)思想是：用兩級電路簡化讀出信號的通道數(shù)，并在兩級簡化間加入局域重心法定位的區(qū)域選擇電路，以去除噪聲及其它干擾，提高定位精度及線性度。2×2陣列的4個(gè)H8500共有256個(gè)陽極信號輸出，經(jīng)三級處理后，最終輸出四路位置信號和一路觸發(fā)信號，供后端的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)處理，極大地降低后續(xù)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的復(fù)雜性(圖 1)。

圖1 2×2 H8500多陽極位置靈敏光電倍增管陣列的整體讀出電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the readout design of a 2×2 H8500 multi-anode PSPMT array.

1.2 第一級簡化的讀出電阻網(wǎng)絡(luò)電路

該電阻網(wǎng)絡(luò)電路的設(shè)計(jì)基于 Popov等[7,8]提出的均衡電荷分配，將上述256個(gè)分離陽極的電荷平均分配到X和Y電阻網(wǎng)絡(luò)上分別讀出(圖2)。X和Y網(wǎng)絡(luò)共有32個(gè)通道，經(jīng)獨(dú)立的前級放大后輸出，前級放大器采用電壓靈敏放大器，反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)高通濾波電容以降低高頻噪聲的影響。

圖2 均衡電荷分配讀出的二維電阻網(wǎng)絡(luò)Fig.2 2D resistive network based on symmetric charge division.

H8500管的陽極間的增益差異較大，會影響探測器的定位精度。為提高定位精度，在電阻網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)中，對每個(gè)陽極加一個(gè)對地電阻 Rc*以調(diào)節(jié)增益，以增益最小的陽極為基準(zhǔn)，將增益大的陽極產(chǎn)生的多余電荷對地放掉，從而使所有陽極的等價(jià)增益與參考陽極相同。對地電阻阻值為：Rc*=0.5 RGmin/(Gi–Gmin), 其中 R為均衡電荷分配讀出法電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值，Gmin為參考陽極的增益，Gi為當(dāng)前陽極的增益[8]。

1.3 局域區(qū)選擇電路

局域重心定位[9]對上一級簡化輸出的16路X和16路Y信號進(jìn)行優(yōu)化處理，是用一個(gè)減法電路實(shí)現(xiàn)局域區(qū)的選擇，去除遠(yuǎn)離γ射線入射區(qū)的噪聲本底及其它干擾影響，以提高定位精度[9–11]。具體設(shè)計(jì)方案是：設(shè)定一個(gè)閾值，低于閾值的信號即為噪聲，高于閾值者方為有效信號，閾值以與噪聲的平均值相當(dāng)為宜。如圖 3(a)，以虛線為閾值，就能有效去除噪聲干擾。根據(jù)重心定位原理，此法能大大降低噪聲對定位精度的影響且能有效降低邊沿壓縮效應(yīng)。電路為可調(diào)比例的反向鉗位減法電路，將一個(gè)方向上各通道信號加和后取一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤?，分別做反向模擬加法運(yùn)算到各通道中，幅度＜0的信號被鉗位電路屏蔽掉，只輸出幅度＞0的信號。另外，各通道信號加和后得到的信號同時(shí)做后級放大后作為一路觸發(fā)信號輸出。

圖3 局域重心定位法原理(a)與局域區(qū)選擇電路原理(b)Fig.3 Principal of truncated center of gravity (TCOG) positioning (a) and the local region selection circuit (b).

1.4 第二級簡化的阻抗電橋電路

該級簡化電路的設(shè)計(jì)采用常規(guī)的阻抗電橋電路，對上一級電路輸出的X和Y方向上各16路讀出簡化為4路輸出。由圖4，16路讀出簡化為 X+和X–兩路輸出；同理，Y方向也通過與X方向類似的阻抗電橋電路處理，16路讀出簡化為 Y+和 Y–兩路輸出。

在阻抗電橋讀出電路中，每一路通道經(jīng)一對定位電阻與后端相應(yīng)的放大器和反饋電阻構(gòu)成兩個(gè)反向放大回路，信號按通道對應(yīng)位置以相應(yīng)的放大倍數(shù)分送到X+、X–輸出。定位電阻和RBn需滿足總的電壓放大倍數(shù)為恒定值，設(shè)R為所有通道中阻值最大的電阻；N為總的讀出通道數(shù)；n為當(dāng)前通道號；G為電橋輸出對輸入的最大轉(zhuǎn)化增益；定位電阻的計(jì)算公式如下[4]：

簡化后輸出僅X–、X+、Y–、Y+等4個(gè)位置信號，經(jīng)后級放大后輸出，放大倍數(shù)的確定依據(jù)三條原則：(1) 每個(gè)方向上的一對輸出信號的后級放大倍數(shù)要相同；(2) 信號最大時(shí)保證所有輸出都不能出現(xiàn)飽和失真；(3) 輸出不飽和失真的前提下讓所有輸出盡可能大。這三條原則能有效提高輸出信號對采集和定位的準(zhǔn)確有效性。根據(jù)最終的整體位置信號，確定γ光子在2×2的H8500陣列上的入射位置坐標(biāo)的計(jì)算公式為：

圖4 X方向的阻抗電橋電路Fig.4 Resistive bridge circuit in the X direction.

2 讀出電路的制作和測試

2.1 讀出電路的制作

由圖5，讀出電路由3張雙層PCB子板構(gòu)成，每張PCB子板間用接插件聯(lián)接。用信號發(fā)生器調(diào)試電路，重點(diǎn)是各通道的增益平衡和各放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)。盡量保證各級反饋放大電路和模擬運(yùn)算電路在零輸入時(shí)的輸出為零，各通道放大率(X++X–)盡量調(diào)節(jié)到相對于其所對應(yīng)的位置的偏差最小，這樣更有利于定位的精確性。

2.2 實(shí)驗(yàn)測試

該讀出電路與探測器結(jié)合進(jìn)行了聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)測試。探測器使用美國Saint-Gobain公司100 mm×100 mm×5 mm的NaI(Tl)陣列晶體，搭配4個(gè)以陣列方式拼接的日本Hamamatsu公司的H8500位置靈敏光電倍增管(圖 6)。其中，陣列閃爍晶格大小為 1.2 mm×1.2 mm, 晶格間填充的全反射層厚度為 0.2 mm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用美國國家儀器公司的PCI-6110數(shù)據(jù)采集卡，它有4路模擬輸入同步采樣保持，最高采樣率5 MS/s, 分辨率12-bit。

圖5 自制的讀出電路板照片F(xiàn)ig.5 Photograph of the implemented readout circuit boards.

圖6 探測器的組成部件 (a) NaI(Tl)陣列閃爍晶體, (b) 2×2 H8500陣列Fig.6 Photograph of the detector components.(a) NaI(Tl) crystal array, (b) 2×2 H8500 array.

測試用γ射線源為2.2×106Bq的57Co面源，置于離探測器～1 m位置，對探測器進(jìn)行均勻照射，通過探測器對面源照射的響應(yīng)檢測其性能。四個(gè)H8500管分別進(jìn)行偏壓測試，確定其工作高壓分別為-850、-780、-790和-800 V，使每個(gè)管子處于相同的增益水平。

3 結(jié)果與討論

NaI(Tl)陣列晶體直接與光電倍增管耦合測得的探測器響應(yīng)圖像見圖7。由圖7(a)，在每個(gè)H8500管的靈敏區(qū)內(nèi)，探測器響應(yīng)達(dá)到預(yù)期效果，各晶體像素都能較好分辨，但在各H8500管的邊緣區(qū)及拼接的交界區(qū)的探測器響應(yīng)很差，與正常的靈敏區(qū)存在顯著差異。圖7(b)是選取正常靈敏區(qū)里的局部放大圖像，并對放大圖像整體向X軸和Y軸投影，可清楚看到探測器正常區(qū)域具有很好的響應(yīng)性能。

圖7 陣列晶體與光電倍增管直接耦合測得的探測器的原始整體響應(yīng)圖像(a)和選取區(qū)域的局部放大圖及在X和Y投影(b)Fig.7 The detector’s raw flood image measured with the scintillation crystals coupled directly to the PSPMTs (a), and an enlarged view of a selected region and its projections in X and Y directions (b).

選取探測器正常靈敏區(qū)內(nèi)的一行像素，對其灰度值向X軸投影所得投影分布見圖8。探測器中心的死區(qū)只能分辨出兩個(gè)像素，探測單元拼接的交界區(qū)域的圖像失真現(xiàn)象嚴(yán)重，其他像素都被壓縮到MAPSPMT的邊界或隨著光子信息丟失。由于各MAPSPMT單元拼接交界處位于探測器中心地帶，若不能較好彌補(bǔ)上述死區(qū)現(xiàn)象，會對探測器的成像性能帶來很大影響。因此，必須對交界區(qū)域的死區(qū)現(xiàn)象進(jìn)行必要的改善或彌補(bǔ)。

圖8 圖7(a)中探測器正常靈敏區(qū)選取一行像素向X軸的投影分布Fig.8 Projection histogram in X direction of a selected pixel-row in Fig.7(a).

分析產(chǎn)生上述像素失真的原因是由于死區(qū)不能接收利用光子，導(dǎo)致光子信息丟失，使最終定位信息不完整所致。因此，必須使丟失的信息得到補(bǔ)償，我們采用兩種光學(xué)方面的改進(jìn)措施：(1) 用特殊反射材料將射向死區(qū)的光子導(dǎo)向鄰近的陽極；(2) 在陣列閃爍晶體和H8500受光面之間填充全透明的光學(xué)硅脂，以增強(qiáng)光偶合，彌補(bǔ)死區(qū)丟失的光子。

改進(jìn)后以相同的實(shí)驗(yàn)條件做了對比實(shí)驗(yàn)，圖像獲取結(jié)果見圖9(a)。在死區(qū)和H8500邊沿，圖像都有明顯改善。我們?nèi)【匦慰騼?nèi)靈敏區(qū)域的局部圖像放大，并對放大的圖像整體向X軸和Y軸投影得圖9(b)，與圖 7(b)比較后可見靈敏區(qū)域的圖像質(zhì)量有了提升。

圖9(a)中選取一行像素，對其灰度值向X軸投影所得投影分布見圖10(a)；對圖9(a)的兩列像素向Y軸投影得圖10(b)。從投影圖中可看出：進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償后整體能多分辨出 3–6行(列)像素，死區(qū)像素增加 2–3行(列)，死區(qū)圖像有極大改善，峰谷比也有明顯提高；交界處的邊沿壓縮效應(yīng)有了明顯改善，整個(gè)成像質(zhì)量有了較大提升。因此，以陣列拓展讀出的方式必須同時(shí)對死區(qū)丟失的光子信息采取有效補(bǔ)償措施才能達(dá)到較滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖9 光學(xué)補(bǔ)償后測得的探測器的原始整體響應(yīng)圖像(a)和選取區(qū)域的局部放大圖及其X和Y投影(b)Fig.9 Raw flood image of the detector with optical coupling between the scintillation crystals and PSPMTs (a), and an enlarged view of a selected region and its projections in X and Y directions (b).

圖10 圖9(a)中探測器正常靈敏區(qū)選取一行像素灰度值向X軸投影(a), 以及兩列像素灰度值向Y軸投影(b)Fig.10 Projection histograms of (a) X direction of a selected pixel-row in Fig.9(a), and (b) Y direction of the selected two pixel-collumns in Fig.9(a).

4 結(jié)論

基于兩級電阻網(wǎng)絡(luò)簡化結(jié)合局域重心法定位的簡化讀出電子學(xué)電路，成功應(yīng)用于2×2 陣列H8500探測器前端位置信號的讀出與處理，獲得了滿意的成像效果，探測器的定位分辨率及有效成像視野都實(shí)現(xiàn)了最大化，接近其物理極限。各光電管單元邊緣及拼接的交界區(qū)，需進(jìn)行有效的光學(xué)補(bǔ)償，才能較好地彌補(bǔ)非靈敏區(qū)像素的探測性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：簡化讀出設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)手段切實(shí)可行，性價(jià)比高，該方法可以推廣應(yīng)用于同類更大視野高分辨伽瑪相機(jī)的電子學(xué)讀出，具有較高的開發(fā)推廣價(jià)值。

1 Blankenberg F G.IEEE Eng Med Biol Mag, 2004,23(4):51–57

2 Lewellen T.Phys Med Biol, 2008, 53: R287–R317

3 Datasheet: Hamamatsu Tube Assembly H8500.http://www.hamamatsu.com

4 Popov V, Majewski S, Weisenberger A G, et al.IEEE Nucl Sci Symp Conf Rec, 2001,4:1937–1940

5 Olcott P D, Talcott J A, Habte F, et al.IEEE Nucl Sci,2005, 51(1): 21–27

6 趙翠蘭, 漆玉金, 施 亮, 等.原子核物理評論, 2010,27(1): 63–67 ZHAO Cuilan, QI Yujin, SHI Liang, et al.Nucl Phys Rev,2010, 27(1): 63–67

7 Popov V, Majewski S, Weisenberger A G, IEEE Nucl Sci Symp Conf Rec, 2003, 3: 2156–2159

8 Popov V, Majewski S, Welch B.Nucl Instr Meth, 2006,A567(1): 319–322

9 Wojcik R, Majewski S, Kross B, et al, IEEE Nucl Sci Symp Conf Rec, 2001, 3: 1821–1825

10 張猛蛟, 漆玉金.核技術(shù), 2007, 30(7): 629–632 ZHANG Mengjiao, QI Yujin.Nucl Tech, 2007, 30(7):629–632

11 QI Yujin, ZHANG Mengjiao, ZHAO Cuilan, et al.IEEE Nucl Sci Symp Conf Rec, 2007: 3725–3728