一种荧光共振能量转移多成分荧光寿命估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种荧光共振能量转移多成分荧光寿命估计方法，实现的主要功能是测 量荧光共振能量转移时各个像素点的平均荧光寿命。
【背景技术】
[0002] 荧光能量共振转移是距离很近的两个荧光分子间产生的一种能量转移现象。当供 体荧光分子的发射光谱与受体荧光分子的吸收光谱重叠，并且两个分子的距离在l〇nm范围 以内时，就会发生一种非放射性的能量转移，即FRET现象，使得供体的荧光强度比它单独存 在时要低的多（荧光猝灭），而受体发射的荧光却大大增强。FRET已经成为检测活体中生物 大分子纳米级距离和纳米级距离变化的有力工具，在生物大分子相互作用分析、细胞生理 研究、免疫分析等方面有着广泛的应用。
[0003] 荧光能量共振转移可以通过时间相关单光子计数技术（TCSPC)进行测量，由于 TCSPC系统输出直方图对应的光子个数受漂白的影响，不能太大，且SPAD采集到的各个像素 点数据中，有的地方只包含供体的荧光寿命，有的地方则发生了荧光能量共振转移而包含 多个荧光寿命。在荧光寿命成像中，平均荧光寿命是一个重要的参数，因此获得平均荧光寿 命具有重要意义。由于光子个数有限，通过测量出受体和供体的荧光参数，再根据含量信息 来测算出平均荧光寿命不太可能。目前在荧光寿命估计算法上，通常用数据拟合方法。由于 拟合方法运算量巨大，且很容易收敛到局部极值，而且需要实现知道每个像素点对应的荧 光寿命的个数，这在试验中是不可能的，造成估计结果可信度较差，而且多使用尝试的方 法，使用多种模型进行计算，再对结果进行分析。最近几年发展出了 Prony方法、IEM方法、 CMM方法、Phasor方法等运算量较小方法，但这些方法大都适用于单组分，对于多组分，还是 需要采用拟合方法进行技算，且部分算法采用近似的方法，估计结果存在偏差，需要对结果 进行校正。
【发明内容】
[0004] 为解决上述问题，本发明特提出一种荧光共振能量转移多成分荧光寿命估计方 法，测量荧光共振能量转移时各个像素点的平均荧光寿命。在分析荧光能量共振转移特点 和TCSPC数学模型基础上，有效利用数据，不需要分量个数及大致组分含量和大致荧光寿命 信息，通过两次矩阵特征值分解及简单变换，就可以直接估计出平均荧光寿命信息。
[0005] 首先将时间相关单光子计数(TCSPC)输出的直方图数据进行组合形成区间较少的 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 相关运算并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。对信号子空间进行矩阵分割，形成两个具有旋转关系的矩阵，两个矩阵可以通过旋转矩 阵进行变换。获得旋转矩阵的特征值后，通过简单的运算可以得到平均荧光寿命的估计。根 据荧光共振能量转移及TCSPC系统的特点，我们采用一维信号子空间，可以直接得到各个像 素点的平均荧光寿命估计。便于后续荧光寿命成像系统(FUM)进行图像处理。
[0006] 假设共有，种组分，TCSPC在某一连续时刻料俞出的数据可以建模如下 = y 、尸：厂：卜 '，， ... 其中1?为第I个组分的含量，符为第I个组分的荧光寿命，_11为加性散粒噪声。
[0007] 对上式时间离散化，得到 獅_:;罵: 其中F为米样时间，m表;^第m次米样。
[0008] 则在TCSPC输出的直方图中第嫩?个区间的输出数据为 其中Ιι为TCSPC的分辨率。直方图数据_够Ip是由累加组成的，即 _?麟:=鐵:1:_:_.。
[0009] 将直方图所有区间的数据可以列在一起
其中贫为直方图的区间个数，_;= . 其自相关矩阵为 :?..二琴麵F]:=.玛(麥:千.姆1(忍.+與)? f 夺夺2 Σ ^ 其中·^表示共辄转置，&为噪声的自相关矩阵。
[0010] 对矩阵_进行特征值分解，按特征值.?从大到小的顺序排列，最大特征值对应的 特征向量为繼。把權分解为两个矩阵和觀如下： _ I I ! -I第一钥 呷_撣后一行]_.!仏」 旋转矩阵·满足如下关系 ^ = %ψ 通过LU分解等方法求解出矩阵淨 对矩阵Ρ进行特征值分解，得到其特征值I则平均荧光寿命可以通过下式估计出 τ:二:為:界喊凝。
[0011] 本方法的优点在于：（1)盲分析。事先不需要知道任何成分的荧光寿命及组分。（2) 适用于光子个数较少的情况，直接得到平均荧光寿命估计。（3)估计结果精度高，运算量适 中，便于嵌入式系统实时实现。（4)对TCSPC输出直方图的组数要求很少，大大降低了采集系 统到计算机传输的数据量，可以在现有TCSPC系统上采用更高像素的SPAD。
【具体实施方式】
[0012]对TCSPC输出的数据进行合并处理，得到新的直方图数据
[0013]求解其自相关矩阵 蔌，:Ι_υ_:〇
[0014]对自相关矩阵进行特征值分解，得到矩阵議，对其分块得到矩阵·和懇。 [0015] 通过LU分解等方法求解出矩阵V。
[0016] 求出療的特征值:?，则平均荧光寿命可以通过下式估计出 _ 姻趣:慕
【主权项】
1. 一种巧光共振能量转移多成分巧光寿命估计方法，在分析巧光能量共振转移特点和 TCSPC数学模型基础上，有效利用数据，不需要分量个数及大致组分含量和大致巧光寿命信 息，通过两次矩阵特征值分解及简单变换，就可W直接估计出平均巧光寿命信息，其特征在 于，具体步骤如下： 步骤一:首先将时间相关单光子计数TCSPC输出的直方图数据进行组合形成新直方图， W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并对自相关矩 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:对信号子空间进行矩阵分割，形成两个具有旋转关系的矩阵，两个矩阵通过旋 转矩阵进行变换， 步骤Ξ:获得旋转矩阵的特征值后，通过运算得到平均巧光寿命的估计。2. 根据权利要求1所述的一种巧光共振能量转移多成分巧光寿命估计方法，其特征在 于，所述步骤一具体为： 假设共有护种组分，TCSPC在某一连续时刻输出的数据建模如下其中&为第I;个组分的含量，巧为第《个组分的巧光寿命，《化)为加性散粒噪声， 对上式时间离散化，得到其中1^为采样时间，111为第111次采样， 贝帷TCSPC输出的直方图中第m忿个区间的输出数据为其中男为TCSPC的分辨率，鷄麵^由I猶馨累加组成，即鑽蹲):娶1?寒餐聲 将直方图所有区间的数据列在一起其中《为直方图的区间个数，攘雜-志典巧簽穀-半资嗜 其自相关矩阵为其中(、严表示共辆转置為为噪声的自相关矩阵。3. 根据权利要求1所述的一种巧光共振能量转移多成分巧光寿命估计方法，其特征在 于，所述步骤二具体为： 对矩阵相进行特征值分解，按特征值％从大到小的顺序排列，最大特征值对应的特征向 量为;^，把U 3分解为两个矩阵靈和整如下： 旋转矩阵P满足如下关系通过LU分解等方法求解出矩阵爭:。4.根据权利要求1所述的一种巧光共振能量转移多成分巧光寿命估计方法，其特征在 于，所述步骤Ξ具体为： 对矩阵梁进行特征值分解，得到其特征值a,则平均巧光寿命可W通过下式估计出
【专利摘要】本发明涉及一种荧光共振能量转移多成分荧光寿命估计方法，测量荧光共振能量转移时各个像素点的平均荧光寿命。首先将时间相关单光子计数输出的直方图数据进行组合形成区间较少的新直方图，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并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。对信号子空间进行矩阵分割，形成两个矩阵，两个矩阵通过旋转矩阵进行变换。获得旋转矩阵的特征值后，通过运算得到平均荧光寿命的估计。本方法在不需要分量个数及大致组分含量和大致荧光寿命信息，通过两次矩阵特征值分解及简单变换，就可以直接估计出平均荧光寿命信息。
【IPC分类】G01N21/64
【公开号】CN105548120
【申请号】CN201610052283
【发明人】于红旗
【申请人】湖南君瀚信息技术有限公司
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年1月27日