[發明專利]一種熒光共振能量轉移多成分熒光壽命估計方法

有效

• 申請號: 201610052283.3
• 申請日: 2016-01-27
• 公開（公告）號: CN105548120B
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 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

本發明涉及一種熒光共振能量轉移多成分熒光壽命估計方法，測量熒光共振能量轉移時各個像素點的平均熒光壽命。首先將時間相關單光子計數輸出的直方圖數據進行組合形成區間較少的新直方圖，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并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。對信號子空間進行矩陣分割，形成兩個矩陣，兩個矩陣通過旋轉矩陣進行變換。獲得旋轉矩陣的特征值后，通過運算得到平均熒光壽命的估計。本方法在不需要分量個數及大致組分含量和大致熒光壽命信息，通過兩次矩陣特征值分解及簡單變換，就可以直接估計出平均熒光壽命信息。

技術領域

本發明是一種熒光共振能量轉移多成分熒光壽命估計方法，實現的主要功能是測量熒光共振能量轉移時各個像素點的平均熒光壽命。

背景技術

熒光能量共振轉移是距離很近的兩個熒光分子間產生的一種能量轉移現象。當供體熒光分子的發射光譜與受體熒光分子的吸收光譜重疊，并且兩個分子的距離在10nm范圍以內時，就會發生一種非放射性的能量轉移，即FRET現象，使得供體的熒光強度比它單獨存在時要低的多（熒光猝滅），而受體發射的熒光卻大大增強。FRET已經成為檢測活體中生物大分子納米級距離和納米級距離變化的有力工具，在生物大分子相互作用分析、細胞生理研究、免疫分析等方面有著廣泛的應用。

熒光能量共振轉移可以通過時間相關單光子計數技術（TCSPC）進行測量，由于TCSPC系統輸出直方圖對應的光子個數受漂白的影響，不能太大，且SPAD采集到的各個像素點數據中，有的地方只包含供體的熒光壽命，有的地方則發生了熒光能量共振轉移而包含多個熒光壽命。在熒光壽命成像中，平均熒光壽命是一個重要的參數，因此獲得平均熒光壽命具有重要意義。由于光子個數有限，通過測量出受體和供體的熒光參數，再根據含量信息來測算出平均熒光壽命不太可能。目前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，而且需要實現知道每個像素點對應的熒光壽命的個數，這在試驗中是不可能的，造成估計結果可信度較差，而且多使用嘗試的方法，使用多種模型進行計算，再對結果進行分析。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算，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

為解決上述問題，本發明特提出一種熒光共振能量轉移多成分熒光壽命估計方法，測量熒光共振能量轉移時各個像素點的平均熒光壽命。在分析熒光能量共振轉移特點和TCSPC數學模型基礎上，有效利用數據，不需要分量個數及大致組分含量和大致熒光壽命信息，通過兩次矩陣特征值分解及簡單變換，就可以直接估計出平均熒光壽命信息。

首先將時間相關單光子計數（TCSPC）輸出的直方圖數據進行組合形成區間較少的新直方圖，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并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。對信號子空間進行矩陣分割，形成兩個具有旋轉關系的矩陣，兩個矩陣可以通過旋轉矩陣進行變換。獲得旋轉矩陣的特征值后，通過簡單的運算可以得到平均熒光壽命的估計。根據熒光共振能量轉移及TCSPC系統的特點，我們采用一維信號子空間，可以直接得到各個像素點的平均熒光壽命估計。便于后續熒光壽命成像系統（FLIM）進行圖像處理。

假設共有種組分，TCSPC在某一連續時刻輸出的數據可以建模如下

,

其中為第個組分的含量，為第個組分的熒光壽命，為加性散粒噪聲。

對上式時間離散化，得到

其中為采樣時間，m表示第m次采樣。

則在TCSPC輸出的直方圖中第個區間的輸出數據為