基线恢复器电路

技术领域

本公开涉及一种用于光子计数系统的基线恢复器电路。本公开还涉及光子计数系统和用于医学诊断的设备，其包括基线恢复器电路。

背景技术

在传统的X射线传感器中，使用间接检测原理来检测容易穿过患者身体的软组织的光子。间接检测器包括闪烁体，以将X射线转换成可见光，可见光由光电检测器或光电二极管捕获，以响应于撞击在闪烁体的材料上的X射线而提供电信号。

在光子计数系统中，使用直接检测原理，其允许检测和计数单光子事件以便获得强度和光谱信息。而在典型的图像或X射线传感器系统中，仅测量总输入强度，在光子计数系统中，由于光子是单独检测的，因此也可以提取光子能量。

图1示出了光子计数电路100的框图，光子计数电路100包括前端电子电路104、光子检测器102和能量鉴别器112。光子检测器102生成由光子撞击光子检测器102的光敏区域引起的瞬态电流脉冲I

输出电压峰值的高度与光子能量成比例，因此包含光谱信息。光谱信息(输出脉冲高度)的数字化可以使用能量鉴别器112来执行，能量鉴别器112例如是快速ADC，其包括具有不同阈值Vth1、……、VthN-1、VthN的若干比较器114、118。比较器114、118的输出信号然后由计数器116、120单独计数，以便获得光谱分布。

前端电子电路104在其输入处没有电流脉冲的情况下的静态输出电压被称为基线信号V

图2示出了针对图1中所示的光子计数电路100的示例时序图。如图2中所示，由曲线200示出的检测器电流I

为了使其准确地工作，需要在前端电子电路104的输入处补偿I

在从前端电子电路104的输入到光子检测器102的输出的DC路径的情况下，泄漏电流能够直接影响基线稳定性。检测器空闲电流需要由“基线恢复器”(BLR)电路122准确地补偿。通过从电压脉冲之间提取基线并通过注入补偿电流I

发明内容

基线恢复器(BLR)需要包含电压监测机构以提取脉冲之间的基线电压V

光子检测器可以包括像素矩阵(例如，16×16像素矩阵)。光电检测器的每个像素可以与其自己的光子计数电路相关联，用于对入射在该像素上的光子进行计数。快速且准确的用于BLR的电压监测器在面积和功率方面是昂贵的，但是可用面积是有限的，因为BLR需要适配到一个检测器像素的面积中。因此，期望速度和准确度与面积之间的最佳折衷。

另外，如现有技术所教导的，基于绝对阈值做出电压监测决策使系统面临卡住的风险。这是因为在启动时或在意外充电事件(例如静电放电(ESD)或电源毛刺)期间，实际基线电压V

总体上，本公开提出克服上述问题。

根据本公开的一个方面，提供了一种基线恢复器电路，该基线恢复器电路包括：控制器；采样控制电路，该采样控制电路被布置成接收从包括放大器的电路级输出的输入电压信号，其中该采样控制电路被配置成响应于从该控制器接收到第一控制信号而在采样时间捕获该输入电压信号的样本；模拟处理级，该模拟处理级被布置成接收该输入电压信号的该样本和恒定基线参考电压，以及选择性地处理该输入电压信号的该样本以提供输出电压；跨导级，该跨导级被配置成将该输出电压转换为补偿电流以及将该补偿电流提供到该电路级的输入；以及改变检测器，该改变检测器被配置为监测输入电压信号在采样时间周围的时间间隔期间是否改变，并且如果在该时间间隔期间在输入电压信号中没有检测到改变，则控制器还被配置为向模拟处理级发送第二控制信号以控制模拟处理级处理输入电压信号的样本。

因此，改变检测器感测输入电压信号的变化而不是与基线电压的绝对差。

本公开的实施例有利地避免了上述系统卡住的问题。

在一些实施方式中，改变检测器包括改变检测器级，其被布置为连续地接收输入电压信号。

可以通过控制器向改变检测器发送第三控制信号来控制时间间隔的开始和到期。

在时间间隔开始时，改变检测器可以被配置为捕获输入电压信号的瞬时值，并且可以被配置为通过将输入电压信号与输入电压信号的所述瞬时值进行比较来监测输入电压信号在时间间隔期间是否改变。

改变检测器可以被配置为：基于所述比较来确定电压差值；以及通过以下中的至少一个来确定输入电压信号在时间间隔期间已经改变：检测到电压差值小于第一负预定阈值电压；以及检测到该电压差值大于第二正预定阈值电压。

在一些实施方式中，改变检测器包括改变检测器级，改变检测器级被布置为接收从能量鉴别器输出的数字信号，其中数字信号由能量鉴别器根据输入电压信号的电平与至少一个阈值的比较来生成，改变检测器级被配置为基于数字信号监测输入电压信号在采样时间周围的时间间隔期间是否改变。该改变检测器级可以被配置为通过检测数字信号的状态的改变来确定输入电压信号在时间间隔期间已经改变。

因此，在该基线恢复器电路用于光子计数电路的实施例中，该改变检测器级可以用于增加该改变检测器的准确度，该改变检测器包括被布置为连续地接收该输入电压信号的另一改变检测器级，或者该改变检测器级可以用作该改变检测器的唯一改变检测器级，以降低该改变检测器的复杂性并减小由该基线恢复器电路引起的电路面积。

改变检测器可以被布置为向控制器提供输出信号，所述输出信号指示输入电压信号在时间间隔期间是否已经改变。

如果改变检测器在时间间隔期间检测到输入电压信号的改变，则控制器还可以被配置为将第二控制信号发送到模拟处理级以控制模拟处理级丢弃输入电压信号的样本。

在一些实施方式中，存在两个监测机构，改变检测器和比较器(例如，窗口比较器)，的组合。因此，一些实施方式使用改变检测器和比较器一起的组合来高效地提取(即识别)输入电压信号处的脉冲之间的真实基线电压样本。

具体地，基线恢复器电路还可以包括比较器，该比较器被布置为接收输入电压信号的样本和恒定基线参考电压，该比较器被配置为：将输入电压信号的样本与恒定基线参考电压进行比较以确定差分电压值；以及使用差分电压值确定输入电压信号的样本是否在恒定基线参考电压的可接受范围内；以及将第四控制信号输出到处理器，第四控制信号指示输入电压信号的样本是否在恒定基线参考电压的可接受范围内，其中将第二控制信号发送到模拟处理级以控制模拟处理级处理输入电压信号的样本还基于第四控制信号指示输入电压信号的样本在恒定基线参考电压的可接受范围内。

比较器可以被配置为通过以下中的至少一个来确定输入电压信号的样本在恒定基线参考电压的可接受范围内：检测到差分电压值大于第三负预定阈值电压；以及检测到差分电压值小于第四正预定阈值电压。因此，比较器可以是窗口比较器。

如果比较器确定输入电压信号的样本在恒定基线参考电压的可接受范围之外，则控制器还可以被配置为将第二控制信号发送到模拟处理级以控制模拟处理级丢弃输入电压信号的样本。

这种组合监测提供了许多优点：

比较器的速度由它在接收到输入电压之后直到它设法在其数字输出处做出决策所需的时间来反映。比较器的速度受其内部增益级链所需的稳定时间的影响。可以通过花费更多的电源电流和/或通过减小组件尺寸和/或通过减小增益级的增益或数量来减少稳定时间(速度增加)。后两个因素降低了准确度。相反，较慢的比较器可以以较小的电源电流操作，和/或可以接受较大的组件以获得较高的准确度，和/或可以接受较大的增益以获得较高的准确度。在本公开的实施例中，比较器可以是慢的，因为它仅需要对输入电压信号的恒定(采样)版本进行操作，并且仅需要做出一个单个决策。在比较器决策时间期间，采样控制电路记忆(memorize)采样的输入电压信号以供以后使用。

比较器的准确度主要由随机偏移(样本到样本的扩展)定义。实际的比较器不会恰好在0mV输入电压(或任何其期望的非零跳变点)跳变，而是在平均跳变点附近表现出样本到样本的变化。该准确度通常被指定为标准偏差值，其可以例如是1.0mV。在本公开的实施例中，与利用独立窗口比较器(没有改变检测器)的已知技术相比，比较器可能不太准确，原因是阈值窗口可以更宽，因为它不必识别即将到来的脉冲的轻微开始或先前脉冲的剩余衰减。而采样时刻(采样发生的时间点)周围脉冲的存在由改变检测器识别。也就是说，对于给定的BLR决策性能，与利用独立窗口比较器(没有改变检测器)的已知技术相比，包括改变检测器的本公开的实施例需要准确度较低的比较器(例如，窗口比较器)。

允许的较宽窗口比较器范围还使得能够放宽模拟处理级的偏移准确度。具有紧密窗口比较器范围的已知解决方案通常需要在窗口比较器和模拟处理级两者处的特殊偏移消除技术。这是为了避免BLR电路由于相反的偏移而停止操作，即模拟处理级将其输入调节到其偏移电压，如果该范围必须窄，则偏移电压可能不会落入窗口比较器范围中，导致BLR不能找到基线样本。本公开的实施例有利地可以不需要这种特殊的偏移消除技术。

在高脉冲密度下，脉冲的开始和衰减不会开始影响基线调节(只要脉冲峰值足够大以触发改变检测器)，即，与仅涉及绝对阈值监测的已知解决方案相比，基线在更高的脉冲速率下更稳定。

改变检测器可能不如比较器准确，因为它必须检测脉冲的峰值电压，这与仅涉及绝对阈值监测的已知解决方案形成对比，在已知解决方案中，比较器需要准确到期望的基线精度水平。

在一些实施方式中，控制器还被配置为：对输入电压信号的仅由于比较器输出的第四控制信号而被丢弃的样本的数量进行计数；以及如果所计数的样本数量超过阈值，则进入操作模式，在该操作模式中，控制器仅根据改变检测器的输出信号来处理输入电压信号的另外的样本。

控制器可以被配置为响应于第四控制信号指示输入电压信号的样本在恒定基线参考电压的可接受范围内而退出所述操作模式。

操作模式使得大但恒定的基线误差(实际基线电压V

基线恢复器电路可以利用这种操作模式从大的基线误差中恢复，而对高脉冲密度操作几乎没有损害：在这种操作模式中，仍然丢弃具有脉冲的所有样本。这与已知的解决方案形成对比，在已知的解决方案中，加宽(或移除)绝对阈值将导致被脉冲污染的样本被处理为基线样本，从而在高脉冲密度情况下导致错误的基线调节。

在一些实施方式中，由比较器接收的输入电压信号的样本是由采样控制电路捕获的输入电压信号的样本。可替代地，由比较器接收的输入电压信号的样本由另一采样控制电路捕获，该另一采样控制电路被布置为接收从电路级输出的输入电压信号。

采样控制电路可以被布置为接收恒定基线参考电压并且被配置为捕获恒定基线参考电压的样本，其中比较器被布置为接收恒定基线参考电压的样本。

另一采样控制电路可以被布置为接收恒定基线参考电压，并且可以被配置为捕获恒定基线参考电压的样本，其中比较器被布置为接收恒定基线参考电压的样本。

采样控制电路可以被布置为接收恒定基线参考电压并且被配置为捕获恒定基线参考电压的样本，其中模拟处理级被布置为接收恒定基线参考电压的样本。

采样控制电路通常引入系统误差。通过也对恒定基线参考电压进行采样，这有利地提供了更好的匹配。如果在恒定基线参考电压和输入电压信号两者处引入该误差，则它从稍后的减法运算中抵消，从而利用差分系统的益处。这对于具有更高准确度要求的系统可能是期望的。

应当理解，在一些实施例中，基线恢复器电路中不存在比较器。在这些实施方式中，基线恢复器电路被简化并且引起较少的电路面积。此外，不需要上述操作模式(在本文中也称为恢复模式)，这简化了控制器的设计。

根据本公开的另一方面，提供了一种光子计数电路，包括：本文描述的基线恢复器电路；光子检测器，其具有光子敏感区域，该光子检测器被配置为根据光子对该光子敏感区域的冲击来生成电流信号；前端电子电路，用于接收该电流信号，该电路级该包括放大器，该电路级被布置为接收该电流信号并响应于该电流信号提供该输入电压信号；以及连接到该前端电子电路的能量鉴别器，该能量鉴别器被配置为根据该输入电压信号的电平与至少一个阈值的比较来生成数字信号。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于医学诊断的设备，包括本文描述的光子计数电路，其中该设备被配置为X射线装置或计算机断层扫描仪。

根据下面描述的实施例，这些和其他方面将是显而易见的。本公开的范围不旨在受本发明内容的限制，也不旨在受必须解决所提到的任何或所有缺点的实施方式的限制。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本公开的一些实施例，附图中：

图1图示了包括基线恢复器电路的光子计数电路；

图2是图1中所示的光子计数电路的示例时序图；

图3示出了根据本公开的实施例的基线恢复器电路；

图4图示了包括图3中所示的基线恢复器电路的光子计数电路；

图5示出了图3所示的基线恢复器电路的示例时序图；

图6示出了在图3所示的基线恢复器电路中使用的改变检测器的示例实施方式；

图7示出了在图3所示的基线恢复器电路中使用的改变检测器的另一示例实施方式；

图8图示了包括基线恢复器电路的光子计数电路，该基线恢复器电路监测来自光子计数电路的脉冲鉴别器的信息；以及

图9是用于医疗诊断的设备的示意性框图。

具体实施方式

现在将参考附图描述具体实施例。

首先参考图3，其示出了根据本公开的一个实施例的基线恢复器电路300。

如图3所示，基线恢复器电路300包括采样保持级302(在本文中另外称为采样控制电路)、改变检测器级314、控制器324、模拟处理级326和跨导级328。基线恢复器电路300还可以包括比较器312。

图3中示出了采样保持级302的一个示例实施方式。如图所示，采样保持级302被布置为接收从光子计数电路的前端电路级104输出的输入电压信号V

采样保持级302被配置为响应于从控制器324接收到控制信号(sh)而在采样时间捕获输入电压信号V

采样保持级302还可以被布置为接收期望的基线参考电压V

采样保持级302可以被配置为在与输入电压信号V

可替代地，采样保持级302可以不对期望的基线参考电压V

改变检测器级314被布置为接收输入电压信号V

响应于从控制器324接收到控制信号(chen)，改变检测器级314被配置为捕获输入电压信号V

改变检测器级314被配置为监测输入电压信号V

改变检测器级314包括比较器320，比较器320接收作为连续的非采样输入的输入电压信号V

图3中所示的比较器320是窗口比较器，其被配置为确定电压差值(x)是否在由V1≤x≤V2限定的电压范围内。

如果电压差值(x)总是在由窗口比较器320限定的电压范围内，例如电压差值(x)大于第一负预定阈值电压V1(例如-20mV)并且小于第二正预定阈值电压(例如+20mV)，则改变检测器级314确定输入电压信号V

如果电压差值(x)离开由窗口比较器320限定的电压范围至少一次，例如电压差值(x)小于第一负预定阈值电压V1(例如-20mV)或大于第二正预定阈值电压(例如+20mV)，则改变检测器级314确定输入电压信号V

虽然图3中所示的比较器320是窗口比较器，但是在其他实施方式中，改变检测器级314包括仅在一个方向上敏感的比较器320。

控制器324被配置为向模拟处理级326发送控制信号(exe)以控制模拟处理级326丢弃或处理输入电压信号V

当从控制器324接收的控制信号(exe)为高(例如，逻辑1)时，模拟处理级326处理输入电压信号V

在基线恢复器电路300不包括比较器312的实施例中，控制信号(exe)的值仅依赖于从改变检测器级314接收的输出信号(chg)。

也就是说，响应于控制器324接收到指示输入电压信号V

模拟处理级326被布置为从采样保持级302接收输入电压信号V

模拟处理级326可以是积分器(例如，开关电容器积分器)。在操作中，模拟处理级326计算期望的基线参考电压V

跨导级328被布置为从模拟处理级326接收输出电压，并将输出电压转换为补偿电流I

本文描述的控制器324的功能可以以存储在包括一个或多个存储介质的存储器上并且被布置用于在包括一个或多个处理单元的处理器上执行的代码(软件)来实现。代码被配置为使得当从存储器获取并在处理器上执行时，执行与下面讨论的实施例一致的操作。可替代地，不排除控制器324的一些或全部功能在专用硬件电路或可配置硬件电路(如FPGA)中实现。

如上所述，基线恢复器电路300还可以包括比较器312。比较器312被布置为从采样保持级302接收输入电压信号V

比较器312被配置为通过确定输入电压信号V

图3所示的比较器312是窗口比较器，因为它被配置为确定差分电压值(x)是否在由V3≤x≤V4限定的电压范围内。

如果差分电压值(x)在由窗口比较器312限定的电压范围内，例如差分电压值(x)大于第三负预定阈值电压V3(例如-5mV)并且小于第二正预定阈值电压(例如+5mV)，则窗口比较器312确定输入电压信号V

如果差分电压值(x)在由窗口比较器312限定的电压范围之外，例如差分电压值(x)小于第三负预定阈值电压V3(例如-5mV)或大于第二正预定阈值电压(例如+5mV)，则窗口比较器312确定输入电压信号V

虽然图3中所示的比较器312是窗口比较器，但是在其他实施方式中，比较器312仅在一个方向上敏感。

在基线恢复器电路300包括比较器312的实施例中，控制信号(exe)的值取决于从改变检测器级314接收的输出信号(chg)和从比较器312接收的输出信号(inw)两者。

在这些实施例中，控制器324被配置为提供具有高(例如，逻辑1)值的控制信号(exe)以允许仅当控制器324接收到(i)来自改变检测器级314的低输出信号(chg)(例如，逻辑0)，其指示输入电压信号V

在比较器320和比较器312都是窗口比较器的实施例中，优选地，比较器320的V1和V2将被选择为提供比与比较器312相关联的V3和V4的值更宽(更大)的范围，因为更容易与仅接收一个恒定输入以进行处理的采样窗口比较器进行准确比较，而改变检测器级314必须快速地对输入电压信号V

虽然图3示出了单个采样保持级302，但是在其他实施方式中，基线恢复器电路300包括并行操作的两个采样保持级。也就是说，第一采样保持级302馈送模拟处理级326，并且另一采样保持级302馈送比较器。两个采样保持级都从控制器324接收控制信号(sh)，并且因此以输入电压信号V

在本文描述的实施例中，控制器324可操作以进入“恢复模式”，如果输入电压信号V

图4图示了在光子计数电路100中使用基线恢复器电路300。

参考图4，光子计数电路100包括具有光子敏感区域的光子检测器102。光子检测器102被配置为根据光子对光子敏感区域的撞击来生成电流信号I

光子计数电路100包括被连接到前端电路级104的能量鉴别器112。具体地，前端电路级104将电压信号V

能量鉴别器112被配置为根据电压信号V

如图4所示，基线恢复器电路300接收从前端电路级104输出的电压信号V

如图4所示，跨导级328被布置为将补偿电流I

光子计数电路100可以用于各种光子计数应用，尤其是需要低噪声强度测量并且还可能需要光谱信息的那些应用。这包括医学成像、光谱学、安全扫描仪、计算机断层扫描等。

图5示出了三个示例时序图以说明图3中所示的基线恢复器电路300的操作。在图5中，时间t

因此，时间t

图5示出了采样保持级302对输入电压信号V

图5示出了采样保持级302对输入电压信号V

图5示出了采样保持级302对输入电压信号V

图6示出了改变检测器级314的变型，其具有与图3中所示的开关/电容器配置不同的开关/电容器配置。具体地，图6中所示的改变检测器级314在开关316的输入处具有电容器318，使得其被布置为连续地接收输入电压信号V

图7示出了改变检测器级314的变型，其使用输入电容器318来也执行由晶体管704和电流源702组成的增益级的自动归零(AZ)操作，以减小粗窗口比较器320前面的偏移。增益级通过向粗窗口比较器320提供放大信号来降低粗窗口比较器320的准确度要求。窗口比较器320被配置为导出其在开关316断开时刻(chen上升沿)的输入电压与其在整个监测时段内的输入电压(chen高)之间的电压差x，并将该电压差与阈值V1和V2进行比较。图7还示出了存储器元件322(例如，D-触发器)可以如何用于记忆在监测时段期间检测到的改变：在监测时段开始时(chen上升沿)，D-触发器322使用其时钟输入和D输入被初始化为低状态。之后，其设置输入处的高信号将状态改变为高，并将其留在那里。这样，即使窗口比较器阈值的短暂违反也被捕获并记忆在D触发器322中。

虽然图6和图7的改变检测器中的比较器320可以是窗口比较器，但是在其他实施方式中，这些改变检测器级可以包括仅在一个方向上敏感的比较器320。

上述改变检测器级314执行对输入电压信号V

改变检测器级802在图8中示出。

如图8所示，改变检测器级802被布置为接收从光子计数电路100的能量鉴别器112的比较器114、118中的每个比较器输出的数字信号，其中，每个数字信号由能量鉴别器112根据输入电压信号V

如果在改变检测器级802的监测时段期间(对应于图5中的t

在上述实施例中，为了增加找到真实基线样本的机会，基线恢复器电路300可以按照每个检测器像素被复制多次，以便增加对输入电压信号V

在上述实施例中，采样重复可以由时钟信号控制，以获得所限定的BLR环路调节速度。也就是说，控制器324可以被配置为控制基线恢复器电路300以一个时钟周期执行预定数量的采样试验(例如，10次)。在这些实施方式中，控制器324可以被配置为将控制信号(exe)发送到模拟处理级326，以控制模拟处理级326在时钟周期内处理输入电压信号V

在上述实施例中，可以提前重新触发采样，目的是通过更频繁地采样来增加找到真实基线样本的机会。具体地，一旦改变检测器发现由具有高(例如，逻辑1)值的输出信号(chg)指示的改变，控制器324就可以被配置为不等待完整的采样试验结束，而是立即开始新的采样试验。也就是说，不是等待和执行直到时间t

检测到的违反可能导致控制器324快进到下一个t

图9示出了应用的示例，其中，包括根据本文描述的实施例的基线恢复器电路300的光子计数电路100被提供在用于医学诊断的设备900中。设备900可以被配置为例如X射线装置或计算机断层扫描仪。

尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于这些实施例。本领域技术人员将能够鉴于本公开进行修改和替代，这些修改和替代被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以并入任何实施例中，无论是单独的还是以与本文公开或示出的任何其他特征的任何适当组合。

附图标记列表

100 光子计数电路

102 光子检测器

104 前端电路级

106 电荷敏感放大器

108 反馈电阻器

110 反馈电容器

112 能量鉴别器

114 比较器

116 计数器

118 比较器

120 计数器

122 基线恢复器电路

200 检测器电流I

250 前端电路级的输出电压V

300 基线恢复器电路

302 采样保持级

304 开关

306 电容器

308 开关

310 电容器

312 比较器

314 改变检测器级

316 开关

318 电容器

320 比较器

322 存储器元件

324 控制器

326 模拟处理级

328 跨导级

500 电压信号V

502 电压信号V

504电压信号V

702直流电流源

704开关

706反相器

802改变检测器级

900设备