[发明专利]基于单光子雪崩二极管探测器的快速荧光寿命成像方法

说明书

本发明公开了基于单光子雪崩二极管探测器的快速荧光寿命成像方法，该方法利用单光子雪崩二极管作为探测器件，通过离散与混叠复用的探测窗口进行光子采样。通过蒙特卡罗仿真的原理，拟合出荧光衰减曲线，计算出荧光寿命。整个电路工作分为探测的准备阶段、探测阶段和读出阶段。在探测阶段，激光使待测样品荧光激发，利用控制SPAD的工作状态以及门控选通信号控制光子引起的雪崩脉冲的选通来实现离散与混叠混用的窗口探测，并将探测的数据记录下来。本发明利用离散与混叠复用的探测方法能够扩大时间探测窗口法的最佳探测范围，减少了探测误差。在每个像素单元集成了两个计数模块，使其在单次荧光激发后能够采样两组数据，能够有效的提高成像速度。

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于单光子探测技术的荧光寿命快速成像方法。

背景技术

荧光寿命成像由于其具有高的灵敏度和分子特异性，以及其无损的测量方式，在对测试样品所处微环境中的诸多生物物理参数，如氧压、溶液、疏水性等及生物化学参数，如pH值离子浓度等进行定量测量有着重要应用。在荧光寿命成像的过程中，需要对荧光光子进行检测。单光子雪崩二极管(SPAD)探测器件具有高的灵敏度、高的时间精度分辨率，已被广泛应用于生物医学、军事和光通信等领域，在荧光寿命成像系统中非常适合作为光子探测器使用。传统的荧光寿命成像方法通常利用特定几个时间段开启一定时间的探测窗口，记录探测窗口内的光子数目，通过多次测量，将采样得到的光子数代入公式，计算出荧光寿命。而且传统的荧光寿命测量方法探测窗口多为连续的或者混叠的探测，采样范围多集中在荧光衰减的前段，采样得到的数据不具有代表性，这样会造成一定的计算误差，能够保证较小误差的最佳探测范围较小，不利于普遍的应用。此外，由于像素电路中只包含一个计数电路，在每次激光激发周期内，只能探测一组数据，这样会导致成像速度的较慢。

因此如何减少荧光寿命拟合计算的误差，以及提高像素阵列的成像速度就是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对荧光寿命拟合计算的高误差以及较慢的像素阵列的成像速度提出了一种基于SPAD的快速荧光寿命成像方法，采用离散的窗口采集荧光衰减时的光子信息，能够减少荧光寿命拟合计算过程中的计算误差，在一个像素中集成两个计数单元，增加单位时间内的信息采集量，还能够有效提高荧光寿命成像的成像速度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于单光子雪崩二极管探测器的快速荧光寿命成像方法，包含以下步骤：

(1)探测准备阶段：在激光激发荧光物质发射激光前，首先将计数单元里面的数据清零，关断计数电路的清零信号，使计数电路处于待计数状态；

(2)探测阶段：经过一定时间延时后，开启荧光寿命成像芯片的探测窗口进行测量，通过三个特定时间的探测窗口对荧光衰减光强进行探测，其中前两个探测窗口位于衰减前期，且相互交叠50％，第三个时间窗口位于荧光衰减的末期，与前两个窗口呈离散分布；

(3)数据读出阶段：将上述测量数据读出利用Newton-Rhapson公式，计算出最终的荧光寿命。