PET成像前端集成電路設計 9787121311253 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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高武 著

圖書標籤:

• PET成像
• 核醫學
• 集成電路設計
• 醫學影像
• 電子工程
• 信號處理
• 放射性藥物
• 探測器
• 數據采集
• 低功耗設計

店鋪： 博學精華圖書專營店

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121311253

商品編碼：29623446864

包裝：平裝

齣版時間：2017-04-01

基本信息

書名:PET成像前端集成電路設計

定價：69.00元

售價：50.4元,便宜18.6元,摺扣73

作者:高武

齣版社：電子工業齣版社

齣版日期：2017-04-01

ISBN：9787121311253

字數：

頁碼：184

版次：01

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

內容提要

本書針對正電子發射斷層成像係統的需求，係統地介紹瞭輻射探測器前端集成電路的電路結構和設計方法學。全書分為三部分：部分主要介紹正電子發射斷層成像前端讀齣電路的研究進展和發展動態分析、低噪聲前端讀齣電路設計技術和電流模式前端讀齣電路設計技術等，第二部分主要介紹時間/數字轉換器技術綜述、低抖動延遲鎖相環設計技術和多通道大動態範圍時間/數字轉換器設計技術等；第三部分給齣多通道低功耗模擬/數字轉換器的設計技術。全書後給齣對下一代正電子發射斷層成像前端集成電路的展望。本書適閤集成電路設計領域的專業人員使用。

目錄

作者介紹

西北工業大學教授，法國斯特拉斯堡大學科學博士、西北工業大學工學博士，主要從事低噪聲前端讀齣集成電路、抗輻射集成電路和空間嵌入式係統的設計與開發。承擔本科生'模擬集成電路設計”、研究所'前端微電子係統”等課程。

文摘

序言

PET成像中的電子學前沿：從信號捕獲到圖像重建的集成化挑戰 一、引言：PET成像的電子學核心與集成化需求 正電子發射斷層成像（Positron Emission Tomography，PET）作為一種重要的分子成像技術，在醫學診斷、藥物研發以及生物科學研究等領域扮演著不可或缺的角色。其核心原理在於探測由放射性核素衰變産生的正電子，這些正電子與體內電子湮滅後生成一對反嚮傳播的光子，PET探測器陣列即是捕獲這些光子的關鍵。探測器的效率、分辨率和速度直接決定瞭PET圖像的質量。而支撐這一切的，正是前端集成電路（Integrated Circuit，IC）的設計與性能。 PET探測器前端電子學麵臨著一項艱巨的任務：如何在極短的時間內、極小的空間內、以極低的功耗捕獲並處理海量高能光子探測信號，並將其轉化為可供後續數字處理的數據。這要求前端電路不僅要具備高靈敏度、低噪聲、寬動態範圍以及高速響應等基本特性，更要能夠實現高度集成化。集成化設計能夠顯著減小探測器的體積和功耗，提高係統的整體穩定性和可靠性，降低製造成本，並最終實現更高性能的PET係統。 本書將聚焦於PET成像前端電子學的集成化設計，深入探討從光電探測信號的捕獲，到模擬信號的預處理、數字化轉換，再到與探測器陣列的緊密集成等一係列關鍵技術與挑戰。我們將從基本原理齣發，逐步深入到復雜的電路設計細節，並結閤當前PET成像技術的發展趨勢，展望未來集成化前端電路的設計方嚮。 二、PET探測器信號的産生與特性 要設計高效的前端集成電路，首先必須深入理解PET探測器産生的信號特性。PET探測器主要由閃爍晶體和光電探測器組成。當高能光子（通常為511 keV）與閃爍晶體相互作用時，會激發閃爍晶體産生大量可見光或紫外光。這些光子隨後被光電探測器（如光電倍增管PMT或矽光電倍增SiPM）轉化為電信號。 光電探測器的選擇與信號特性： 光電倍增管（PMT）： 具有高增益、低暗電流和快速響應的優點，但體積較大，易受磁場影響，且功耗相對較高。PMT産生的信號是脈衝電流，其幅度和時間寬度與入射光子數量和到達時間相關。 矽光電倍增（SiPM）： 采用大量微型雪崩光電二極管（APD）陣列構成，具有體積小、低壓工作、抗磁場等優點，且具有良好的能量分辨能力。SiPM的輸齣信號是離散的脈衝，每個微型APD的導通代錶一個光子的探測，輸齣信號的幅度是所有導通的微型APD信號的疊加。 信號的挑戰： 低信號幅度： 單個光子激發的閃爍光子數有限，導緻光電探測器輸齣的電信號幅度通常非常微弱，需要高靈敏度的放大電路來捕獲。 噪聲： 係統噪聲是影響PET成像分辨率和靈敏度的重要因素，包括暗電流噪聲、熱噪聲、放大器噪聲以及串擾等。前端電路必須具備齣色的信噪比（SNR）性能。 高速響應： PET成像需要精確的時間測量以實現時間飛行（Time-of-Flight, TOF）功能，這對於提高圖像對比度和降低背景噪聲至關重要。前端電路必須能夠快速響應並精確地記錄信號的到達時間。 能量分辨： 區分不同能量的光子對於排除非511 keV的事件，以及優化成像質量非常重要。前端電路需要能夠對探測到的光子的能量進行準確的測量。 動態範圍： 同一個探測器可能同時接收到大量光子（如一次事件）或極少量光子（如背景輻射），前端電路需要能夠處理寬範圍的信號幅度。 串擾（Crosstalk）： 尤其是在SiPM中，一個微型APD的雪崩效應可能觸發相鄰的微型APD，産生錯誤的信號，前端電路需要能夠識彆和抑製串擾。 三、前端集成電路的核心功能模塊 針對上述信號特性與挑戰，PET成像前端集成電路通常包含以下幾個核心功能模塊： （一）低噪聲前置放大器（Low-Noise Preamplifier, LNPA）： LNPA是前端電路的第一級，其首要任務是以最小的噪聲增加來放大微弱的探測器信號。其設計直接決定瞭整個係統的信噪比。 設計要點： 低輸入等效噪聲電壓和電流： 這是LNPA設計的核心目標。通常采用低噪聲晶體管（如JFET或MOSFET）作為輸入級，並進行精心偏置。 寬帶寬： 以確保對快速變化的信號具有良好的響應，滿足TOF探測的需求。 高輸入阻抗： 避免對探測器輸齣産生過大的負載效應，確保信號的完整性。 集成化考慮： 針對SiPM等探測器，通常需要設計集成化的LNPA，例如將放大器直接集成在SiPM的傳感器芯片上，或者與SiPM芯片封裝在一起，以縮短信號傳輸路徑，降低寄生電容和電感，進一步降低噪聲。 功耗優化： 在追求低噪聲的同時，也需要考慮功耗的限製，尤其是在大規模探測器陣列的應用中。 （二）濾波與整形電路（Filtering and Shaping Circuits）： 前置放大器輸齣的信號通常是粗糙的、帶有噪聲的，需要通過濾波電路來抑製高頻噪聲，並可能通過整形電路將其轉化為適閤後續模數轉換（ADC）的脈衝形狀。 濾波類型： 低通濾波器： 用於去除高頻噪聲。 帶通濾波器： 用於選擇特定頻率範圍的信號，有時也用於區分噪聲和有效信號。 脈衝整形： CR-RC整形： 一種經典的脈衝整形方法，可以將信號轉化為近似高斯或二階導數高斯形狀的脈衝，有助於改善時間分辨能力。 其他整形技術： 根據具體的應用需求，可能采用更復雜的整形方法，以進一步優化噪聲抑製和時間分辨。 集成化設計： 濾波和整形電路可以與LNPA集成在同一芯片上，或者緊密連接，以減少信號損耗和乾擾。 （三）增益控製與動態範圍擴展（Gain Control and Dynamic Range Extension）： 如前所述，PET探測器産生的信號幅度變化範圍很大，需要電路具備一定的動態範圍擴展能力，以適應不同的信號強度。 可變增益放大器（Variable Gain Amplifier, VGA）： 通過調整放大器的增益來適應不同幅度的信號。增益的控製可以根據信號的幅度自適應進行，也可以通過外部信號進行控製。 自動增益控製（Automatic Gain Control, AGC）： 一種自動調整增益的機製，可以保證輸齣信號在一定的範圍內，避免信號飽和或淹沒在噪聲中。 事件幅度測量： 在某些設計中，並不需要將所有信號都放大到相同的幅度，而是需要精確測量事件的幅度，用於能量重建。此時，更側重於高精度幅度測量電路的設計。 （四）時間測量與觸發電路（Timing Measurement and Trigger Circuits）： PET成像的時間測量是實現TOF功能的基礎。精確測量光子到達時間（Time-of-Arrival, ToA）對於提高成像質量至關重要。 時間數字轉換器（Time-to-Digital Converter, TDC）： 將模擬的信號到達時間轉換為數字信號。TDC的精度直接決定瞭TOF分辨率。 基於鎖存器（Latch-based）TDC： 結構簡單，但精度受限。 基於延遲綫（Delay-line based）TDC： 精度較高，但功耗和麵積較大。 基於模數轉換器（ADC-based）TDC： 將時間信息轉化為幅度信息，再由ADC進行轉換。 觸發電路： 當探測器檢測到符閤條件的事件時，産生一個觸發信號，激活TDC和ADC等後續電路進行數據采集。觸發信號的設計需要兼顧靈敏度和抗乾擾能力。 集成化設計： TDC和觸發電路通常集成在專門的ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）中，與探測器和LNPA等模塊協同工作，實現高效的時間信息采集。 （五）能量測量與數模轉換（Energy Measurement and Analog-to-Digital Conversion, ADC）： 精確測量每個光子事件的能量有助於排除僞影，並提高圖像的準確性。 能量積分器（Energy Integrator）： 對探測器輸齣的信號進行積分，得到與光子能量成正比的電荷量。 模擬數字轉換器（ADC）： 將模擬的能量信號轉換為數字信號，以便進行後續的計算和處理。 逐次逼近型ADC（SAR ADC）： 常用在低功耗、中等速度的應用中。 Σ-Δ ADC： 具有高分辨率，但速度相對較慢。 流水綫型ADC（Pipelined ADC）： 速度較快，分辨率較高，適用於需要高速采樣的場閤。 分辨率與采樣率： ADC的分辨率決定瞭能量測量的精度，采樣率則決定瞭其處理速度。在PET成像中，通常需要較高的能量分辨率和足夠快的采樣速度。 （六）數字信號處理與接口（Digital Signal Processing and Interface）： 雖然本書主要關注前端模擬電路，但瞭解數字處理部分對於前端設計至關重要。前端ADC輸齣的數字數據需要經過數字信號處理，包括事件篩選、時間戳生成、坐標計算等，最終通過接口電路傳輸給後端的數據采集與圖像重建係統。 片上存儲器（On-chip Memory）： 用於臨時存儲數據，減少對外部接口的依賴。 通信接口： 如SPI、I2C、LVDS等，用於與後端係統進行數據通信。 低功耗設計： 數字處理部分的功耗也需要嚴格控製，特彆是在大規模探測器陣列中。 四、集成化設計的關鍵挑戰與解決方案 PET成像前端集成化設計並非易事，其麵臨著諸多技術挑戰： 功耗與散熱： 大規模集成化意味著大量的晶體管在小範圍內工作，功耗和散熱成為嚴重的問題。需要采用低功耗設計技術，如動態電壓/頻率調整（DVFS）、低功耗工藝等。 噪聲耦閤與串擾： 在高度集成的芯片上，不同模塊之間的電磁耦閤和信號串擾容易發生，影響電路性能。需要精心的版圖設計、屏蔽技術以及差分信號傳輸等。 信號完整性： 高速信號在芯片內部和封裝過程中容易失真。需要考慮傳輸綫效應、阻抗匹配等問題。 工藝選擇與器件特性： 不同的半導體工藝（如CMOS、BiCMOS）具有不同的特性，需要根據應用需求選擇閤適的工藝，並優化器件模型。 測試與驗證： 集成化芯片的測試和驗證是極其復雜的工程，需要開發高效的測試方法和設備。 成本控製： 集成化設計旨在降低整體係統成本，因此在電路設計階段就需要考慮材料、製造工藝以及良品率等因素。 五、先進集成化設計理念與技術趨勢 為瞭剋服上述挑戰，PET成像前端集成化設計正朝著以下幾個方嚮發展： ASIC設計： 針對PET探測器前端的特定需求，設計高度優化的ASIC，將多個功能模塊集成在一塊芯片上，實現最佳性能和最小的體積與功耗。 片上係統（System-on-Chip, SoC）： 將更多功能（包括部分數字處理）集成到同一芯片上，實現更高級彆的集成。 3D堆疊與先進封裝技術： 將多個芯片（如傳感器芯片、ASIC芯片）垂直堆疊，或采用扇齣（Fan-out）等先進封裝技術，進一步減小體積，縮短信號路徑。 低功耗模擬電路設計： 采用創新的低功耗設計技術，如亞閾值電路、動態偏置等，最大限度地降低功耗。 自適應與智能電路： 設計能夠根據環境和信號特性進行自適應調整的電路，以優化性能和功耗。 與探測器材料的緊密結閤： 如將光電探測器（如SiPM）與前端電子學芯片直接集成，實現“探測即處理”的模式。 六、結論：麵嚮未來的PET成像電子學 PET成像前端集成化設計是推動PET技術進步的關鍵驅動力之一。本書對這一領域進行瞭係統而深入的探討，旨在為相關研究人員和工程師提供堅實的理論基礎和實用的設計思路。通過對低噪聲放大、精確時間與能量測量、以及高度集成化等關鍵技術問題的深入剖析，我們希望能夠啓發讀者在未來的PET係統設計中，創造齣更小巧、更高效、更精準的成像設備，從而更好地服務於人類健康與科學探索。 隨著半導體工藝的不斷進步以及新型探測器技術的湧現，PET成像前端集成化設計將迎來更廣闊的發展空間，為實現下一代高性能、低成本PET係統奠定堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書的理論深度和廣度簡直讓人驚嘆，它不僅僅是簡單地羅列公式和技術指標，更重要的是，它深入探討瞭設計背後的物理原理和工程權衡。我尤其欣賞作者在描述那些尖端工藝挑戰時所展現齣的那種“過來人”的洞察力，比如在處理低噪聲放大器（LNA）設計時，如何平衡增益、噪聲係數和功耗這三大互相製約的要素，書中給齣的分析路徑非常具有啓發性，不是那種教科書式的理想化模型，而是貼近真實晶圓製造限製的實用指導。它成功地架起瞭一座從基礎半導體物理到實際芯片實現的橋梁，讓原本抽象的概念變得可觸摸、可操作。對於想要在這一領域深耕的研發人員來說，這本書提供的不僅僅是知識點，更是一種解決實際問題的思維框架和方法論，讀完後感覺視野一下子開闊瞭許多，對未來項目中的潛在風險也有瞭更早期的預判能力。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計真的很用心，封麵采用瞭啞光處理，手感溫潤，拿在手裏沉甸甸的，一看就是精心製作的專業書籍。字體選擇上，正文排版清晰易讀，關鍵術語的標注也很到位，讓人在閱讀復雜的技術細節時，能夠快速抓住重點。特彆是書中對那些高深莫測的電路圖和流程圖，都進行瞭細緻入微的重新繪製，綫條流暢，邏輯一目瞭然，這對於我們這些需要反復對照圖錶來理解理論的工程師來說，簡直是福音。我可以想象，為瞭達到這樣的印刷效果和排版質量，齣版社和作者團隊投入瞭巨大的心血。書中的章節劃分也非常閤理，從基礎理論的鋪陳到具體模塊的深入剖析，再到最後的係統集成和測試驗證，過渡自然，層層遞進，整體閱讀體驗非常順滑流暢，完全不像某些技術書籍那樣生硬晦澀，讓人望而卻步。這種對細節的極緻追求，讓我對書中內容的專業性也充滿瞭信心。

評分☆☆☆☆☆

我得說，這本書的實踐指導價值遠超我的預期。很多號稱“實踐”的教材往往隻停留在概念介紹層麵，但這一本不同，它詳盡地介紹瞭從係統級架構定義到具體IP核選擇和布局布綫的全過程。舉個例子，書中關於時間同步和時鍾抖動控製的那幾章，簡直就是一本實戰手冊，它不僅指齣瞭問題所在，還提供瞭多種解決策略及其適用場景的對比分析，這對於我們進行高速數據采集係統設計時至關重要。我試著按照書中的某些流程進行模擬驗證，發現其推薦的仿真參數設置和後仿真校準方法，確實能顯著提高設計收斂的速度和精度。這種手把手的引導，極大地降低瞭新手入門的門檻，同時也為資深工程師提供瞭一套係統化迴顧和優化的工具箱，它真正做到瞭理論指導實踐，而不是紙上談兵。

評分☆☆☆☆☆

從一個初學者的角度來看，這本書的友好度令人驚喜，盡管主題極其專業和硬核，但作者似乎深知如何與讀者進行有效溝通。在解釋那些極其復雜的反饋迴路和噪聲抑製機製時，作者並沒有直接堆砌復雜的數學推導，而是巧妙地運用類比和簡化模型進行鋪墊，讓讀者先建立起直觀的物理圖像，然後再逐步引入精確的數學描述。這種“先易後難，循序漸進”的教學方式，極大地緩解瞭初次接觸此類前端集成電路設計時的畏難情緒。我感覺自己不是在啃一本艱澀的技術報告，而是在聽一位經驗豐富的導師進行一對一的深入講解，他總能在我快要迷失在細節深處時，及時拉我迴到問題的核心。這種清晰的邏輯脈絡和耐心的引導，使得復雜的學習麯綫變得平緩可控，對於自學和提升都有極大的幫助。

評分☆☆☆☆☆

這本書在技術文獻的引用和前沿技術的追蹤方麵做得非常齣色，可以感受到作者對學術界和工業界的最新動態保持著高度的敏感性。它並沒有沉溺於已有的成熟技術，而是勇敢地探討瞭未來可能的主流方嚮，比如在新材料應用和新型信號處理算法的融閤趨勢上，作者給齣瞭非常前瞻性的見解。我特彆注意到，書中對於跨學科知識的整閤能力令人印象深刻，它將核物理、信號處理、超低功耗模擬電路設計這些看似分散的領域，巧妙地編織在一起，形成瞭一個有機的整體。這種宏大的視角，對於培養具有全局觀的工程技術人員至關重要。它促使讀者不應該隻關注自己手頭那一塊電路的性能指標，而是要理解它在整個復雜係統乃至最終應用場景中的定位和貢獻，閱讀過程本身就是一次思維的迭代升級。