[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

摘要

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。

主权项

1.一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，不需要知道多分量的荧光寿命和组分含量信息，一次就计算出所有组分的荧光寿命信息，在荧光寿命基础上，一次计算出各组分含量信息，其特征在于，具体步骤如下：步骤一：首先将采集到的直方图数据进行组合形成新直方图，以消除噪声的影响并减小算法运算量，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，步骤二：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，步骤三：再利用最小二乘方法，估计出各成分含量；所述步骤一至三具体为：假设共有P种组分，TCSPC在某一时刻t输出的数据建模如下其中fDj为第j个组分的含量，τj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列在一起其中M为直方图的区间个数，为便于简化公式，将上式等号右边记为AS+N其自相关矩阵为RI＝E[YYH]＝E[(AS+N)(AS+N)H]＝ARSAH+σ2Σ0其中(·)H表示共轭转置，Σ0为噪声的自相关矩阵，RS＝E[SSH]，E[NNH]＝σ2∑0；σ2为噪声能量；令λi和ui为等式Rxu＝λΣ0u的解，其中i＝1,2,…,M，λi按照降序排列，则λi和ui为矩阵束(Rx,Σ0)的特征值和特征向量，如果RS为满秩矩阵，则矩阵A的每一列都正交于矩阵Un＝[uP+1 uP+2 … uM]因此，在获得矩阵Un，令其中A(τ)＝|1 eh/τ … e(M‑1)h/τ|，则Qsearch(τ)的最大的P个峰值对应的时间就是荧光寿命的估计时间，首先，对TCSPC输出的直方图数据进行数据聚合，把相邻的b个数据加起来，假设聚合后，共有K个区间，数据如下其中：为了消除R_S将缺秩的情况，对自相关矩阵进行平滑处理，采用如下的平滑处理：其中，Xi为一系列从X中取出的连续数据，各个Xi均等长，l为荧光成分数；对R进行特征值分解，求解出各个荧光寿命的估计，在获得荧光寿命的估计结果后，用下式获得各组分的含量信息：S＝(BHB)‑1BHB