[发明专利]一种用于时间相关单光子计数的多成分荧光寿命及成分比例估计方法

说明书

本发明涉及一种应用在时间相关单光子计数TCSPC中的多成分荧光寿命及成分比例估计方法。首先将采集到的直方图数据进行组合形成区间较小的新直方图，以消除部分噪声的影响并能大大减小算法运算量。对新直方图区间数据进行自相关运算，根据TCSPC的特点，对自相关矩阵进行平滑处理。对其自相关矩阵进行特征值分解，获得信号子空间。根据可能的荧光寿命范围，形成搜索向量，根据搜索的谱峰位置获得荧光寿命的估计，再利用最小二乘方法，估计出各成分含量。本方法不需要知道多分量的大致荧光寿命和大致组分含量信息，一次就可以计算出所有组分的荧光寿命信息。

技术领域

本发明是一种用于时间相关单光子计数的多成分荧光寿命及成分比例估计方法，实现的主要功能是从时间相关单光子技术系统的数据中估计出各组分荧光寿命及各组分比例。

背景技术

时间相关单光子计数时间相关单光子计数技术(TCSPC)首先由Bollinger、Bennett、Koechlin三人在六十年代为检测被射线激发的闪烁体发光而建立的，后来逐渐应用到荧光寿命的测量。TCSPC技术的优点如下：时间分辨率高，灵敏度高，测量精度高，动态范围大，输出数据数字化，便于计算机存贮和处理等。在近代物理、化学、生物等领域中获得了广泛的应用，特别是在时间分辨激光扫描显微、单分子光谱、光子关联实验和生物组织扩散光层析中更有其特殊用途。

在荧光寿命估计算法上，通常用数据拟合方法。由于拟合方法运算量巨大，且很容易收敛到局部极值，造成估计结果可信度较差。最近几年发展出了Prony方法、IEM方法、CMM方法、Phasor方法等运算量较小方法，但这些方法大都适用于单组分，对于多组分，还是需要采用拟合方法进行技术，且部分算法采用近似的方法，估计结果存在偏差，需要对结果进行校正。

发明内容

本发明在分析TCSPC数学模型基础上，有效利用数据，不需要知道多分量的大致荧光寿命和大致组分含量信息，一次就可以计算出所有组分的荧光寿命信息，在荧光寿命基础上，可以一次计算出各组分含量信息。首先将采集到的直方图数据进行组合形成区间较小的新直方图，以消除部分噪声的影响并能大大减小算法运算量。对新直方图区间数据进行自相关运算，根据TCSPC的特点，对自相关矩阵进行平滑处理。对其自相关矩阵进行特征值分解，获得信号子空间。根据可能的荧光寿命范围，形成搜索向量，根据搜索的谱峰位置获得荧光寿命的估计，再利用最小二乘方法，估计出各成分含量。

假设共有P种组分，TCSPC在某一时刻t输出的数据可以建模如下

其中f_Dj为第j个组分的含量，τ_j为第j个组分的荧光寿命，n(t)为加性散粒噪声。则在TCSPC输出的直方图中第mh个区间的输出数据为

其中h为TCSPC的分辨率，m为离散化序列的序号；

将直方图所有区间的数据可以列在一起

其中M为直方图的区间个数；

其自相关矩阵为

R_I＝E[YY^H]＝E[(AS+N)(AS+N)^H]＝AR_SA^H+σ²∑₀，

其中(·)^H表示共轭转置，∑₀为噪声的自相关矩阵，R_S＝E[SS^H]；