[發明專利]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

有效

• 申請號: 201610052282.9
• 申請日: 2016-01-27
• 公開（公告）號: CN105675568B
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 于紅旗
• 申請（專利權）人: 湖南君瀚信息技術有限公司
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

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。

技術領域

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

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。

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

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。

假設共有P種組分，TCSPC在某一時刻t輸出的數據可以建模如下

其中f_Dj為第j個組分的含量，τ_j為第j個組分的熒光壽命，n(t)為加性散粒噪聲。則在TCSPC輸出的直方圖中第mh個區間的輸出數據為

其中h為TCSPC的分辨率，m為離散化序列的序號；

將直方圖所有區間的數據可以列在一起

其中M為直方圖的區間個數；

其自相關矩陣為

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

其中(·)^H表示共軛轉置，∑₀為噪聲的自相關矩陣，R_S＝E[SS^H]；