可擴(kuò)展熒光壽命探測(cè)范圍的質(zhì)心算法cmm的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬電學(xué)領(lǐng)域，為擴(kuò)展可探測(cè)的熒光壽命的范圍，使可探測(cè)的熒光壽命的范圍不受誘發(fā)熒光激光脈沖頻率以及TDC量化范圍的影響，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，可擴(kuò)展熒光壽命探測(cè)范圍的質(zhì)心算法CMM，包括如下步驟：對(duì)于一個(gè)單指數(shù)響應(yīng)的熒光壽命衰減曲線：f(t)＝Aexp(-t/τ)(1)CMM算法的精度及誤差關(guān)系式定為： <mrow> <mfrac> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>M</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mi>T</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>T</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>T</mi> <mo>/</mo> <mi>&amp;tau;</mi> </mrow> </msup> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>T</mi> <mo>/</mo> <mi>&amp;tau;</mi> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>M</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msub> <mi>jN</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>C</mi> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>h</mi> </mrow>修正后的熒光壽命的標(biāo)準(zhǔn)差為 <mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>M</mi> <mi>M</mi> <mo>.</mo> <mi>C</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>&amp;tau;</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>M</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>&amp;tau;</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>d&amp;tau;</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>M</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>h</mi> <mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <msqrt> <msub> <mi>N</mi> <mi>C</mi> </msub> </msqrt> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mrow> <msqrt> <mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>x</mi> <mi>M</mi> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>x</mi> <mi>M</mi> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>M</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <msup> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <msup> <mi>x</mi> <mi>M</mi> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> <mo>.</mo> </mrow>本發(fā)明主要應(yīng)用于探測(cè)熒光壽命場(chǎng)合。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
可擴(kuò)展黃光壽命探測(cè)范圍的質(zhì)心算法CMM
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及生物成像忍片領(lǐng)域，尤其是實(shí)時(shí)巧光壽命成像領(lǐng)域。具體講，設(shè)及可擴(kuò) 展巧光壽命成像換測(cè)范圍的質(zhì)屯、算法(CMM)。
【背景技術(shù)】
[0002] 巧光壽命成像是一種廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物分子識(shí)別方法。巧光壽 命成像技術(shù)是利用合適波長(zhǎng)的入射脈沖光對(duì)生物樣品進(jìn)行激發(fā)，通過(guò)測(cè)量生物組織中的自 發(fā)巧光發(fā)光強(qiáng)度衰減過(guò)程時(shí)間的不同，來(lái)獲得巧光團(tuán)分子內(nèi)部的能級(jí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)可用來(lái)區(qū) 分樣品中的不同分子種類(lèi)的成像技術(shù)。巧光壽命成像廣泛應(yīng)用在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如細(xì) 胞生物學(xué)、癌癥的診斷、器官組織分析、藥品的傳遞和釋放、血液病理學(xué)等領(lǐng)域。
[0003] 在還原壽命的方法中，質(zhì)屯、法(Center-of-mass Method，CMM)由于其利用光子效 率高W及硬件易于實(shí)現(xiàn)，十分適合應(yīng)用在目前上處于發(fā)展階段的光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Photo Diode,SPAD)圖像傳感器的后端數(shù)據(jù)處理中。傳統(tǒng)的CMM方法的 測(cè)量范圍是與前級(jí)時(shí)間轉(zhuǎn)化電路(TDC)的量化范圍直接相關(guān)的，一般來(lái)說(shuō)，若保持壽命估算 誤差保持在5% W內(nèi)，CMM能測(cè)量的最大巧光壽命為T(mén)DC量化范圍的1Λ左右，超過(guò)此范圍，誤 差將不容忽視;CMM算法能測(cè)算的最小巧光壽命則是由探測(cè)系統(tǒng)的儀器響應(yīng)函數(shù)決定的，而 非由算法本身影響的。對(duì)于SPAD巧光壽命成像忍片，其誘發(fā)巧光的激光脈沖的頻率(周期） 一般為40MHz(25ns)、20MHz(50ns)、10MHz(100ns)，相應(yīng)的能夠測(cè)量的最大巧光壽命分別為 3.6ns、7.lns、14.3ns。
[0004] 下面W單指數(shù)衰減情況為例W簡(jiǎn)化分析，對(duì)于一個(gè)單指數(shù)響應(yīng)的巧光壽命衰減曲 線，其巧光強(qiáng)度表達(dá)式為：
[0005] f(t)=A exp(-t/x) (1)
[0006] 其中，A為巧光強(qiáng)度的幅度，t為探測(cè)窗口所處的時(shí)刻點(diǎn)，τ為待測(cè)巧光的衰減壽命， 若巧光激發(fā)的激光周期為Τ1，則測(cè)量的時(shí)間長(zhǎng)度是0<t<Tl，使用一個(gè)十位的TDC對(duì)光子達(dá) 到時(shí)間進(jìn)行量化。CMM算法能夠測(cè)算出巧光衰減曲線的質(zhì)屯、，樣本的質(zhì)屯、可W近似等于巧光 壽命：
[0007]
[000引其中CM為巧光強(qiáng)度曲線的質(zhì)屯、，h為T(mén)DC的量化精度，也就是TDC的一個(gè)LSB，M為T(mén)DC 時(shí)間窗口總數(shù)(十位精度），T為T(mén)DC量程，Nj是第j個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)所記錄的事件個(gè)數(shù)，Nc是TDC 所記錄的總的時(shí)間個(gè)數(shù)。CMM算法的精度^及標(biāo)準(zhǔn)差^關(guān)系式分別為： Τ' τ
[0009]
[0010]
[0011]其中中間參變量x，P(x)和G(x)分別定義為


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，擴(kuò)展可探測(cè)的巧光壽命的范圍，使可探測(cè)的巧光壽命的 范圍不受誘發(fā)巧光激光脈沖頻率W及TDC量化范圍的影響。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案 是，可擴(kuò)展巧光壽命換測(cè)范圍的質(zhì)屯、算法CMM，包括如下步驟：
[0016] 對(duì)于一個(gè)單指數(shù)響應(yīng)的巧光壽命衰減曲線：
[0017] f (t) = Aexp(-t/x) (8)
[0018] CMM算法的精度及誤差關(guān)系式定為：
[0021] Nj是第j個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)所記錄的事件個(gè)數(shù)，NC是TDC所記錄的總的時(shí)間個(gè)數(shù)，h為 TDC的量化精度；
[0022] 使用下列方式進(jìn)行遞推近似來(lái)求解：
[0023]
(10)
[0024] 其中1 = 0，1，2，...，1：日=叫麗，當(dāng)滿足誤差條件
[0025] |τ?+：ι-τ?|<ε (11)
[0026] 時(shí)，遞推過(guò)程停止;其中，根據(jù)公式(8)遞推的結(jié)果通過(guò)向量使TCMM與τ對(duì)應(yīng);并使用 內(nèi)插技術(shù)進(jìn)一步提高查找表的精度;從公式（1)、（2)、（4)得到，修正后的壽命信息的精度表 示為
[0027] 通過(guò)公式(9)，修正后的巧光壽命的標(biāo)準(zhǔn)差為 [002引
[0029]其中中間參變量χ，Ρ(χ)和G(x)分別定義為
[0033] A為巧光強(qiáng)度的幅度，t為探測(cè)窗口所處的時(shí)刻點(diǎn)，τ為待測(cè)巧光的衰減壽命，h為 TDC的量化精度，也就是TDC的一個(gè)LSB，Μ為T(mén)D別寸間窗口總數(shù)，T為T(mén)DC量程。
[0034] 根據(jù)公式(8)遞推的結(jié)果通過(guò)向量使TCMM與τ對(duì)應(yīng);并使用內(nèi)插技術(shù)進(jìn)一步提高查 找表的精度具體是，根據(jù)公式(8)遞推的結(jié)果提前把所有情況計(jì)算出來(lái)并存儲(chǔ)在軟件中，通 過(guò)查找表把初次計(jì)算得到的質(zhì)屯、壽命和修正后壽命直接對(duì)應(yīng)起來(lái)。
[0035] 本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：
[0036] 本發(fā)明在傳統(tǒng)CMM算法的技術(shù)上通過(guò)引入查找表的方式，擴(kuò)展了 CMM算法對(duì)于巧光 壽命的還原范圍，使用本修正算法能準(zhǔn)確估算的最大巧光壽命為2Τ，使量化范圍擴(kuò)大了 14 倍左右。
[0037] 經(jīng)過(guò)仿真，可W看出在巧光壽命等于TDC量化范圍兩倍的時(shí)候，傳統(tǒng)CMM算法還原 的壽命偏離了50% W上，而擴(kuò)展CMM算法基本與實(shí)際壽命一致，出現(xiàn)的偏差主要由于隨機(jī)過(guò) 程中的方差引起。需要注意的是，當(dāng)實(shí)際壽命遠(yuǎn)大于TDC量化范圍時(shí)，擴(kuò)展CMM算法還原壽命 的方差將不容忽視，運(yùn)也導(dǎo)致在實(shí)際的應(yīng)用中，測(cè)量的壽命應(yīng)小于兩倍的量化范圍。
【附圖說(shuō)明】：
[003引圖1:基于TCSPC的巧光壽命原理；
[0039] 圖2:Matlab模擬巧光光子的發(fā)射的模擬結(jié)果；
[0040] 圖3:查找表的實(shí)現(xiàn)方式；
[0041]
[0042]
【具體實(shí)施方式】
[0043] 傳統(tǒng)的CMM算法只有在T > 7τ時(shí)才可W使TCMM接近于實(shí)際τ，對(duì)于Τ<7τ的情況，公式 (1)提供了一個(gè)有偏估計(jì)量，它可W快速的收斂到一個(gè)不確定的小于實(shí)際壽命的值。為了擴(kuò) 展可還原的巧光壽命范圍，公式（1)需要被重新檢驗(yàn)，當(dāng)τ<7τ時(shí)，公式（1)中的后一項(xiàng)不能 被忽略，公式（1)重新寫(xiě)成
[0044]
(巧)
[0045] 上式仍是不可解的，但可W使用下列方式進(jìn)行遞推近似：
[0046]
[0047]
。8)
[004引其中1=0，1，2, . . .，T0=TCMM為第一次估算得到的衰減壽命值，當(dāng)滿足誤差條件
[0049] |τ?+：ι-τ?|<ε (19)
[0050] 時(shí)，遞推過(guò)程停止，ε為由應(yīng)用環(huán)境決定的檢驗(yàn)常量。每進(jìn)行一次遞推，TCMM所得到 的壽命估算值就越接近理論衰減壽命值。但是當(dāng)tcmmA接近0.5時(shí)，求根過(guò)程收斂得速度較 慢，為了提高成像速度，根據(jù)公式(8)遞推的結(jié)果可W提前把所有情況計(jì)算出來(lái)并存儲(chǔ)在軟 件中，通過(guò)查找表把初次計(jì)算得到的質(zhì)屯、壽命和修正后壽命直接對(duì)應(yīng)起來(lái)，節(jié)約硬件資源， 簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。從公式(1)、（2)、（4)得到，修正后的壽命信息的準(zhǔn)確度可W表示為
[0化1 ]
[0052]只有TDC引入的量化噪聲得到了保留。通過(guò)公式(9)，巧光壽命的可解性得到了顯 著的提高。修正后的巧光壽命的精確度為
[0化3]
[0054] 圖3為查找表示意圖，由原始數(shù)據(jù)得到的Tcmm/T得到TcMM,corr/T，進(jìn)而得到TcMM,corr， 其中tCMM，corr/T的分辨率為0.0001。
[0055] W測(cè)量40ns壽命為例，TDC的量化范圍為100ns，時(shí)間分辨率為loops,使用3200個(gè) 光子進(jìn)行測(cè)量;使用擴(kuò)展CMM算法得到的平均壽命為40.353ns，方差為Ins;使用傳統(tǒng)CMM算 法得到的平均壽命為31.2ns，方差為0.5ns。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可擴(kuò)展熒光壽命探測(cè)范圍的質(zhì)心算法CMM，其特征是，包括如下步驟： 對(duì)于一個(gè)單指數(shù)響應(yīng)的熒光壽命衰減曲線： f(t)=A exp(-t/x)(l) CMM算法的精度及誤差關(guān)系式定為：N j是第j個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)所記錄的事件個(gè)數(shù)，NC是TDC所記錄的總的時(shí)間個(gè)數(shù)，h為T(mén)DC的 量化精度； 使用下列方式進(jìn)行遞推近似來(lái)求解：其中i = 0，l，2, · · ·，T〇 = T：CMM，當(dāng)滿足誤差條件 Ti+i-ii | <ε (4) 時(shí)，遞推過(guò)程停止;其中，根據(jù)公式(8)遞推的結(jié)果通過(guò)向量使tcmm與τ對(duì)應(yīng);并使用內(nèi)插 技術(shù)進(jìn)一步提高查找表的精度;從公式(1)、（2)、（4)得到，修正后的壽命信息的精度表示為(5)通過(guò)公式（9)， 修正后的熒光壽命的標(biāo)準(zhǔn)差為其中中間參變量χ，Ρ(χ)和G(x)分別定義為P (X) = x-M2xm+ (2M2-2) xm+1-M2xm+2+X2M+1 (8) x = exp(-h/x) (9) A為熒光強(qiáng)度的幅度，t為探測(cè)窗口所處的時(shí)刻點(diǎn)，τ為待測(cè)熒光的衰減壽命，h為T(mén)DC的 量化精度，也就是TDC的一個(gè)LSB，Μ為T(mén)DC時(shí)間窗口總數(shù)，T為T(mén)DC量程。2. 如權(quán)利要求1所述的可擴(kuò)展熒光壽命探測(cè)范圍的質(zhì)心算法CMM，其特征是，根據(jù)公式 (8)遞推的結(jié)果通過(guò)向量使τα*與τ對(duì)應(yīng);并使用內(nèi)插技術(shù)進(jìn)一步提高查找表的精度具體是， 根據(jù)公式(8)遞推的結(jié)果提前把所有情況計(jì)算出來(lái)并存儲(chǔ)在軟件中，通過(guò)查找表把初次計(jì) 算得到的質(zhì)心壽命和修正后壽命直接對(duì)應(yīng)起來(lái)。
【文檔編號(hào)】G01N21/64GK105823765SQ201610160871
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月21日
【發(fā)明人】徐江濤, 喬俊, 高靜, 史再峰, 高志遠(yuǎn), 聶凱明, 王鑫磊
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)