一種用于時間相關單光子計數的多成分熒光壽命及成分比例估計方法
【技術領域】
[0001]本發明是一種用于時間相關單光子計數的多成分熒光壽命及成分比例估計方法， 實現的主要功能是從時間相關單光子技術系統的數據中估計出各組分熒光壽命及各組分 比例。
【背景技術】
[0002]時間相關單光子計數時間相關單光子計數技術（TCSPC)首先由Bollinger、 Bennett、Koechlin三人在六十年代為檢測被射線激發的閃爍體發光而建立的，后來逐漸應 用到熒光壽命的測量。TCSPC技術的優點如下：時間分辨率高，靈敏度高，測量精度高，動態 范圍大，輸出數據數字化，便于計算機存貯和處理等。在近代物理、化學、生物等領域中獲得 了廣泛的應用，特別是在時間分辨激光掃描顯微、單分子光譜、光子關聯實驗和生物組織擴 散光層析中更有其特殊用途。
[0003] 在熒光壽命估計算法上，通常用數據擬合方法。由于擬合方法運算量巨大，且很容 易收斂到局部極值，造成估計結果可信度較差。最近幾年發展出了 Prony方法、IEM方法、CMM 方法、Phasor方法等運算量較小方法，但這些方法大都適用于單組分，對于多組分，還是需 要采用擬合方法進行技術，且部分算法采用近似的方法，估計結果存在偏差，需要對結果進 行校正。
【發明內容】
[0004] 本發明在分析TCSPC數學模型基礎上，有效利用數據，不需要知道多分量的大致熒 光壽命和大致組分含量信息，一次就可以計算出所有組分的熒光壽命信息，在熒光壽命基 礎上，可以一次計算出各組分含量信息。首先將采集到的直方圖數據進行組合形成區間較 小的新直方圖，以消除部分噪聲的影響并能大大減小算法運算量。對新直方圖區間數據進 行自相關運算，根據TCSPC的特點，對自相關矩陣進行平滑處理。對其自相關矩陣進行特征 值分解，獲得信號子空間。根據可能的熒光壽命范圍，形成搜索向量，根據搜索的譜峰位置 獲得熒光壽命的估計，再利用最小二乘方法，估計出各成分含量。
[0005] 假設共有F種組分，TCSPC在某一時刻《輸出的數據可以建模如下
其中1?為第I個組分的含量，巧:為第I個組分的熒光壽命，_::_為加性散粒噪聲。則在 TCSPC輸出的直方圖中第槪i個區間的輸出數據為
其中&.為TCSPC的分辨率。
[0006] 將直方圖所有區間的數據可以列在一起
其中Μ為直方圖的區間個數。
[0007] 其自相關矩陣為
其中feF表示共輒轉置，&為噪聲的自相關矩陣。
[0008] 定理:令項〉為等式&歡*:_^辭的解，其中A;按照降序排列，則1.;: 和m為矩陣束的特征值和特征向量。如果_為滿秩矩陣，則矩陣Λ的每一列都正交 于矩陣:__=^:.|啤故.釋找：。…:斧喊。
[0009] 因此，在獲得矩陣
其中…?'κ?。則的最大的:Ρ個峰值對應的時間就是熒光 壽命的估計時間。
[0010]在模型中，由于各個組分均為常數，在多組分情況下將缺秩，直接用上述公式是 不能得到i3個峰值的。同時，在單組份時直接用上述公式，由于噪聲的影響，性能也會比較 差。
[0011] 首先，我們對TCSPC輸出的直方圖數據進行數據聚合，把相鄰的I?個數據加起來，假 設聚合后，共有r個區間。數據如下
為了消除_將缺秩的情況，我們對自相關矩陣進行平滑處理。可以采用如下的平滑處 理：
其中，X,為一系列從X中取出的連續數據，各個X)均等長。
[0012] 對I?進行特征值分解，按照上述方法可求解出各個熒光壽命的估計。
[0013] 在獲得熒光壽命的估計結果后，我們可以用下式獲得各組分的含量信息： S 考
[0014] 本方法優點在于：（1)盲分析。事先不需要知道任何成分的熒光壽命及組分。（2)適 用于多個組分分析，且一次搜索就可以完成多個組分熒光壽命估計。（3)在各組分熒光壽命 估計結果的基礎上，采用經過嚴格數學推導的組分含量的計算公式，一次運算可以得出所 有組分的含量。（4)估計結果精度高，運算量適中，便于嵌入式系統實時實現。（5)對TCSPC輸 出直方圖的組數要求較小，大大降低了采集系統到計算機傳輸的數據量，可以在現有TCSPC 系統上采用更高像素的SPAD。
【具體實施方式】
[0015] 對TCSPC輸出的數據進行聚合處理，得到新的直方圖數據
[0016] 得到平滑后的自相關矩陣數據
[0017] 對平滑后的自相關矩陣進行特征值分解，得到矩陣輸士_料1: *與S: _1，根 據可能的熒光壽命，構造向量
查找的浐個峰值對應的時間，即為估計出的各組分的熒光壽命。
[0018] 根據估計出的各組分熒光壽命，根據 獲得各組分的含量估計。
【主權項】
1. 一種用于時間相關單光子計數的多成分熒光壽命及成分比例估計方法，不需要知道 多分量的熒光壽命和組分含量信息，一次就計算出所有組分的熒光壽命信息，在熒光壽命 基礎上，一次計算出各組分含量信息，其特征在于，具體步驟如下： 步驟一：首先將采集到的直方圖數據進行組合形成新直方圖，以消除噪聲的影響并減 小算法運算量，對新直方圖區間數據進行自相關運算，根據TCSPC的特點，對自相關矩陣進 行平滑處理，對其自相關矩陣進行特征值分解，獲得信號子空間， 步驟二:根據可能的熒光壽命范圍，形成搜索向量，根據搜索的譜峰位置獲得熒光壽命 的估計， 步驟三:再利用最小二乘方法，估計出各成分含量。2. 根據權利要求1所述的一種用于時間相關單光子計數的多成分熒光壽命及成分比例 估計方法，其特征在于:所述步驟一至三具體為： 假設共有f種組分，TCSPC在某一時刻鱗俞出的數據建模如下其中？為第I:個組分的含量，·為第丨:個組分的熒光壽命，**麵I:為加性散粒噪聲，則在 TCSPC輸出的直方圖中第梯_個區間的輸出數據為其中|1為TCSPC的分辨率， 將直方圖所有區間的數據列在一起其中麵為直方圖的區間個數， 其自相關矩陣為其中表示共輒轉置，Σs為噪聲的自相關矩陣， 令七和紅柄娜 束的特征值和特征向量，如果為滿秩矩陣，則矩陣身的每一列都正交于矩陣 .-、、''等為1:， 因此，在獲得矩陣_，令其中I議碎：的最大的F個峰值對應的時間就是熒光 壽命的估計時間， 首先，對TCSPC輸出的直方圖數據進行數據聚合，把相鄰的S個數據加起來，假設聚合 后，共有IT個區間，數據如下為了消除驗將缺秩的情況，對自相關矩陣進行平滑處理，采用如下的平滑處理：其中,?為一系列從?中取出的連續數據，各個_均等長， 對費進行特征值分解，求解出各個熒光壽命的估計， 在獲得熒光壽命的估計結果后，我們可以用下式獲得各組分的含量信息：
【專利摘要】本發明涉及一種應用在時間相關單光子計數TCSPC中的多成分熒光壽命及成分比例估計方法。首先將采集到的直方圖數據進行組合形成區間較小的新直方圖，以消除部分噪聲的影響并能大大減小算法運算量。對新直方圖區間數據進行自相關運算，根據TCSPC的特點，對自相關矩陣進行平滑處理。對其自相關矩陣進行特征值分解，獲得信號子空間。根據可能的熒光壽命范圍，形成搜索向量，根據搜索的譜峰位置獲得熒光壽命的估計，再利用最小二乘方法，估計出各成分含量。本方法不需要知道多分量的大致熒光壽命和大致組分含量信息，一次就可以計算出所有組分的熒光壽命信息。
【IPC分類】G01N21/64
【公開號】CN105675568
【申請號】CN201610052282
【發明人】于紅旗
【申請人】湖南君瀚信息技術有限公司
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月27日