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技术领域
本发明是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，
实现的主要功能是从时间相关单光子技术系统的数据中估计出各组分荧光寿命及各组分
比例。
背景技术
时间相关单光子计数时间相关单光子计数技术（TCSPC）首先由Bollinger、
Bennett、Koechlin三人在六十年代为检测被射线激发的闪烁体发光而建立的，后来逐渐应
用到荧光寿命的测量。TCSPC技术的优点如下：时间分辨率高，灵敏度高，测量精度高，动态
范围大，输出数据数字化，便于计算机存贮和处理等。在近代物理、化学、生物等领域中获得
了广泛的应用，特别是在时间分辨激光扫描显微、单分子光谱、光子关联实验和生物组织扩
散光层析中更有其特殊用途。
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，造成估计结果可信度较差。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术，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
本发明在分析TCSPC数学模型基础上，有效利用数据，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，在荧光寿命基
础上，可以一次计算出各组分含量信息。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。
假设共有种组分，TCSPC在某一时刻输出的数据可以建模如下
,
其中为第个组分的含量，为第个组分的荧光寿命，为加性散粒噪声。则在
TCSPC输出的直方图中第个区间的输出数据为
.
其中为TCSPC的分辨率。
将直方图所有区间的数据可以列在一起
Y=,
其中为直方图的区间个数。
其自相关矩阵为
,
其中表示共轭转置，为噪声的自相关矩阵。
定理：令和为等式的解，其中按照降序排列，则
和为矩阵束的特征值和特征向量。如果为满秩矩阵，则矩阵的每一列都正交
于矩阵。
因此，在获得矩阵，令
其中。则的最大的个峰值对应的时间就是荧光
寿命的估计时间。
在模型中，由于各个组分均为常数，在多组分情况下将缺秩，直接用上述公式是
不能得到个峰值的。同时，在单组份时直接用上述公式，由于噪声的影响，性能也会比较
差。
首先，我们对TCSPC输出的直方图数据进行数据聚合，把相邻的个数据加起来，假
设聚合后，共有个区间。数据如下
为了消除将缺秩的情况，我们对自相关矩阵进行平滑处理。可以采用如下的平滑处
理：
其中，为一系列从中取出的连续数据，各个均等长。
对进行特征值分解，按照上述方法可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，我们可以用下式获得各组分的含量信息：
。
本方法优点在于：（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
用于多个组分分析，且一次搜索就可以完成多个组分荧光寿命估计。（3）在各组分荧光寿命
估计结果的基础上，采用经过严格数学推导的组分含量的计算公式，一次运算可以得出所
有组分的含量。（4）估计结果精度高，运算量适中，便于嵌入式系统实时实现。（5）对TCSPC输
出直方图的组数要求较小，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
对TCSPC输出的数据进行聚合处理，得到新的直方图数据
。
得到平滑后的自相关矩阵数据
。
对平滑后的自相关矩阵进行特征值分解，得到矩阵，根
据可能的荧光寿命，构造向量，得到
查找的个峰值对应的时间，即为估计出的各组分的荧光寿命。
根据估计出的各组分荧光寿命，根据
获得各组分的含量估计。