用于識別和量化系統中的放射粒子的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種依據權利要求1前序部分的方法，所述方法用于量化放射特定放 射實體(在后文中稱為"放射體"（emittends))的粒子且用于特征化所述系統中的粒子的時 間相關性能，所述系統至少包括種類j的粒子。
【背景技術】
[0002] 傳統上在熒光漲落譜的領域中采用這種方法，其中，放射光子作為放射體的粒子 被量化且特征化。傳統上粒子借助于例如激光的外部光源刺激，且粒子的放射物特征由檢 測確定，由此可以繪制在所述系統中的粒子上的結論。
[0003] 熒光相關光譜(FCS)在過去已經被證明對于量化和特征化所述系統中的粒子而言 是尤其有利的方法，如同例如在EP 0679251B1中描述的。系統傳統上是包括不同粒子的溶 液，所述不同粒子具有特定部分濃度，所述系統借助于共焦點顯微鏡透鏡測量。一方面，刺 激激光的激光束通過這種共焦點顯微鏡透鏡如此成像到系統中，以使得僅非常小的刺激量 由激光照亮，另一方面，由存在于刺激量中粒子放射的光子由共焦點顯微鏡透鏡成像在檢 測器上。刺激量因此可以由已知的共焦點顯微鏡透鏡限制到小于1Π 。
[0004] 在根據FCS的方法中，確定熒光信號，所述熒光信號表示在整個測量周期內檢測器 在測量周期期間檢測到的光子的數量。因此，受測光子的數量的時間相關進程可以從熒光 信號讀取。然后，有關放射粒子的擴散常數、粒子的放射物特征和粒子的部分濃度的信息可 以由熒光信號的時間相關自相關函數明確。也從現有技術已知FCS方法，在所述FCS方法中， 測量周期被分成具有相同長度的多個時間間隔且對于每個時間間隔確定受測光子的數量。 由此，確定熒光信號，所述熒光信號代表在整個測量周期內在時間間隔期間受測的光子的 數量的時間相關進程。因此，這允許從熒光信號的自相關函數獲知有關粒子的部分濃度和 系統中的不同種類的粒子的擴散常數的信息。
[0005] 因此，FCS方法基于借助于自相關函數的熒光信號的時間相關性能的確定。因此， 有關監測系統中的不同種類的粒子的信息由這種時間相關數據確定。然而，在FCS中，受測 光子的亮度，即，絕對數量不用于特征化和量化所述系統中的粒子。獲知有關系統的粒子的 信息借助于與由檢測器收集的數據相比顯著減小的一組數據執行，所述數據尤其包括受測 光子的絕對數量。因此，FCS方法僅僅適于數個應用領域。例如，如果不同種類的粒子在系統 中呈現類似的質量和/或類似的擴散系數，則FCS方法不適于確定所述系統中的不同種類的 粒子的部分濃度且特征化所述粒子。
[0006] 為了面對FCS方法的這些問題，PCH(光子計數統計)方法經常與FCS方法結合使用。 在這種情況下，PCH方法基于借助于照著FCS方法檢測由所述系統中的粒子放射的光子而獲 知數據，其中，數據的收集借助于與由激光源的刺激一起的共焦點顯微鏡透鏡而執行，如上 所述。PCH方法例如在Chen Y.等人于Biophysical Journal 1999年第77期第553-567頁發 表的名為"The photon counting histogram in fluorescence fluctuation spectroscopy"中描述。在PCH方法中，在具有預定間隔寬度的一段時間間隔中受測的光子 的數量在測量周期期間被數次確定。光子計數率柱狀圖由表示受測光子數量的分布的這些 數據制備。有關在所述時間間隔中受測的光子的絕對數量的信息因此被包含在光子計數率 柱狀圖中。所以PCH方法適于允許量化包括不同種類的粒子在內的所述系統中的粒子，尤其 允許確定不同種類的部分濃度，每個種類具有不同的輻射特征。然而，PCH方法不適于分析 所述系統中的粒子的時間相關性能，因為在PCH方法中確定的數據不包含時間相關信息。
[0007] 在通過借助于數值算法分別評估由FCS或PCH方法確定的數據的測量下，FCS方法 以及PCH方法允許確定特征化系統中的不同種類的粒子的數據。如上所述，PCH和FCS方法提 供對不同典型數據的存取，所述數據特征化不同種類的粒子和其在系統中的部分濃度。一 直需要執行FCS方法和PCH方法以完全獲取綜合特征。這是耗時的且要求大量計算機資源。 而且PCH和FCS方法的組合不可以保證具有不同種類的粒子的系統的完全分析。尤其幾乎不 可能的是在具有不同種類的系統中的時間相關性能的分析，所述種類呈現類似的擴散常數 和/或類似的質量。尤其當觀察時間相關過程時（比如，在系統中在不同或相同種類的粒子 之間的發生的生化反應），幾乎不可能分析借助于FCS或PCH方法通過共焦點顯微鏡透鏡獲 取的測量數據以獲取有關化學反應的數據。

【發明內容】

[0008] 因此，本發明的目的是提供一種用于量化放射粒子和用于特征化所述系統中的粒 子的時間相關性能的方法，所述方法至少部分地解決以上提及的問題且允許更簡單和/或 更廣泛地分析所述系統中的粒子。
[0009] 根據本發明，提出一種具有權利要求1的特征的方法，以解決所述技術目的。通過 根據本發明的方法，在測量周期期間的粒子的放射物在測量步驟中受測。在評估步驟中，已 經在周期內在預定間隔的時間間隔中受測的放射物的數量η在此之后被明確且存儲。尤其 評估可以在測量周期內執行具有相同間隔寬度的數個時間間隔。時間間隔可以尤其被選定 以使得它們不重疊。在評估中，受測放射物的數量η的分布函數ρ(η)被確定。分布函數ρ(η) 表示確定對于數量η的不同值的相對頻率。在對于在均具有相同間隔寬度的時間間隔中的 m 受測放射物的數量η已經確定0和m之間的值的評估的情況下，因此運用：Σ扒《) = 1。根據 本發明的方法的區別在于規定不同的區段時間（bin timeh作為間隔寬度，以對于每個區 段時間τ執行評估且確定分布函數ρτ(η)。這樣做時，分布函數ρτ(η)表示對于在具有作為間 隔寬度的區段時間τ的時間間隔中的放射物的數量η檢測不同值的相對頻率。因此，對于每 個區段時間τ確定分布函數ρ τ(η)。因此，對于每個區段時間τ而言分布函數ρτ(η)被確定。從 分布函數ρτ (η)以傳統方式確定矩(moment) 作為分布函數ρτ (η)的特征。從此，依據區 段時間的矩函數(moment function) 被導出，其中，矩函數遍及在相應區段 時間τ處的各個點"地形成。例如，利用在相應區段時間τ處的分布函數ρτ(η)的一階矩 叫1^制備一階矩函數這因此適用于與高階矩(higher moment)相關的高階矩函 數，高階矩函數由對于不同區段時間τ的分布函數ρτ(η)的對應高階矩制備。
[0010] 在根據本發明的方法中，基于測量數據組分別執行在測量周期內確定的測量數據 的分析或在測量周期內確定的放射物的分析，測量數據組包括矩函數根據本發 明，數據組的評估包括將包括理論信號分布Pslg(n，T)的矩》P(r)在內的理論信號函數數值 擬合到包括矩函數(7)的測量函數，由此明確特征化所述系統中的粒子且包含在P slg (η，τ)中的常量。測量函數和理論信號函數分別包括或(r):，在這個意義上測量 函數可以由包括叫^⑴的函數代表且信號函數可以由包括叫'氣Γ)的函數代表。另外，測 量數據組可以包括在測量周期期間的數量η的時間解析進程以及由此計算的ρτ(η)。因此測 量數據組包括如此廣泛的有關測量結果的信息，以至于可以廣泛地特征化和量化所述系統 中的粒子。
[0011]評估可以基于系統的理論信號分布Pslg(n，T)，理論信號分布被定義以便包括獨立 于區段時間τ的那些參數。從例如從FCS或PCH方法已知的理論公式開始，技術人員能夠無困 難地給出對于Psig(n，τ)的表達式。
[0012] 在本發明的一實施方式中，在理論信號分布Psig(n，T)的公式中做出以下假設：
[0013] 特定局部檢測率= 被假設用于種類j的粒子。假設的是，這個局部檢 測率//,Ρ)運用到種類j的每個粒子。對于包含不同種類的粒子在內的系統，特征性特定局 部檢測率被假設對于每個種類，例如，用于種類b的局部檢測率= 。
[0014] 后文中將詳細說明種類j的特定局部檢測率巧_(^^所述說明可以通過類似的方式 應用到可存在于系統中的其它種類的特定局部檢測率。參數代表種類j的粒子的特征性 檢測亮度。因此，參數是包括種類j的粒子的固有特性以及測量裝置的固有特性在內的 常量。例如常量包括種類j的粒子的特性，像這種粒子的橫截面或量子效率。除此之外， 包括裝置相關值，像例如檢測器的量子效率或如果適用的話用于刺激所述系統中的粒 子以放射的最大刺激率。函數/(. ?)代表局部檢測率的局部相關性。局部檢測率依據待測量 的粒子定位在系統中的位置而改變。函數/(Π 可以例如包括在測量設備中采用的透鏡系統 的局部相關特性和/或刺激特征曲線的局部相關特性，例如，激光成像到系統中的局部相關 強度分布。函數./(Ο例如可以經由測量設備的規范化的點擴散函數由等式
A給出。在此，R代表體積，在所述體積中，種類j的粒子可以在測 量期間在理論上被定位。用于測量設備的規范化的點擴散函數的公式被充分已知，且可以 由技術人員對于在每種情況下使用的測量設備執行。
[0015] 而且，假設的是，每個種類j的粒子具有特定局部概率分布和特定局部放射概率。 當將根據本發明的方法應用到具有不同種類的系統時，典型特定局部概率分布和典型局部 放射概率被假設對于每個種類的粒子。局部概率分布代表粒子在特定位置中的概率。局部 放射概率代表粒子放射放射體的概率。依據放射物的類型和測量設備的邊界條件，技術人 員可選定合適已知的概率分布作為預期特定局部概率分布和作為一個種類的粒子的預期 特定局部放射概率，且能夠接受所述已知的概率分布用于公式化理論信號分布P slg(n，T)。
[0016] 而且，對于公式化Pslg(n，T)假設的是，粒子必須定位在特定測量體積V中，以實現 粒子放射的檢測。例如，可以假設的是，如果粒子放射基于由激光刺激且僅由激光刺激的粒 子可以放射放射體，則測量體積V借助于刺激激光的成像體積在系統中確定。例如，測量體 積V也可以通過由測量設備給出的體積極限而限定。這種極限例如可以是像壁一樣的系統 的純幾何外部約束。這種極限也可以例如基于將粒子的放射物投射到檢測器上的透鏡而被 預先設定。
[0017] 基于以上提及的假設定義的理論信號分布Pslg(n，T)包括不依據區段時間的參數， 如種類j的粒子的局部檢測率仏( /:)、粒子濃度^和衰減時間此外，系統的理論信號分布 Pslg(n，T)包括測量設備的噪音性能。測量設備的噪音性能可以被假設為時間常量、或也可 以分別被假設為與時間相關或隨著時間可變，尤其作為具有統計學分布的值。當定義理論 信號分布P slg(n，T)時，也可以假設的是，可以忽略測量設備的噪音性能。如此定義的理論信 號分布Pslg(n，T)也包括測量設備的噪音性能。當將所述方法應用到不同粒子種類被預期的 系統時，系統的理論信號分布P slg(n，T)包括對于每個粒子種類獨立于區段時間的對應參 數。
[0018] 在已經定義信號分布Pslg(n，i)的情況下，矩/;f(r)以傳統方式被明確。例如，信號 分布Psig(n，T)的一階矩（first moment)爾fg(r)和二階矩（second moment) 可以被 明確。而且，理論信號函數被定義，其包括明確的矩》Cg(r)中的至少一個，以及測量值函數 被定義，其包括明確的矩函數wf( Γ)中的至少一個。然后，至少就至少參數μ〇, j和Θ j而言的 常量借助于將理論信號函數與測量值函數數值擬合而明確。這意味著至少μ。,」和h可以從 常量即刻計算。尤其在將根據本發明的方法應用到具有s個不同粒子種類的系統的評估中， 指代s個不同部分濃度的常量也可以從數值擬合明確。
[0019] 例如，理論信號函數可以呈現與測量值函數在《fir)上對應地具有的相同的第K 階矩7<〇·)。為了給出示例：理論信號函數可以例如包含，wf⑴和⑴且測量 值函數可以包含、wf "(r)和ω (「）。尤其理論信號函數和測量值函數可以每次 僅呈現相同第Κ階矩。在此，理論信號函數僅呈現在測量值函數中對應地被包含作為》if ss 的這種第K階矩且反之亦然。尤其理論信號函數的第K階矩mf(r)可以具有與在測 量值函數中對應第K階矩⑴具有的與彼此相同的函數關系。
[0020] 根據本發明的方法適于任何系統的分析，所述系統包括放射特定放射體的至少一 個種類的粒子。這種放射體例如可以是光子，但是也可以例如是粒子或伽瑪輻射。依據放 射體的屬性和粒子的特性，來自外部刺激可以是必須的或不必須。
[0021] 根據本發明的方法基于的基本發現是，依據區段時間的矩函數包括有關 受測放射物的絕對數量的信息以及有關粒子的時間相關性能的信息。通過定義包括矩函數 ⑴的測量值函數，因此提供這樣一種函數，其基于測量值且分別允許系統或所述系統 中的粒子的擴展且詳細的分析。基于這個發現，本發明提出改變區段時間τ，對于每個區段 時間τ確定分布函數ρτ(η)且依據區段時間確定矩函數《Πτμ
[0022] 另外，根據本發明的方法基于的發現是，通過將測量值函數數值擬合到包括理論 信號分布Pslg(n，T)的矩;〃,'<(「)在內的理論信號函數，可以明確這樣的常量，其不依據區段 時間且特征化所述系統中的粒子和所述系統中的粒子的濃度。在一實施方式中，常量至少 有關于參數μ。,』和尤其也有關于Cj，如果存在具有數個種類的系統則尤其有關于不同種 類的(^。常量例如可以與和/或θ痛同。例如常量可以在每種情況下在一個常量中包 含和/或它們可以例如具有數學比率，所述數學比率具有定值(例如，數字）。尤其 可以包含數種成分，所述數種成分必須借助于對于每個空間維度數值擬合例如分開的衰 減成分~4、0^0^ 2與彼此獨立地確定。例如，對于每個衰減成分的理論信號函數可以包含 有關于相應衰減成分的常量。
[0023] 不依據區段時間的參數由理論信號函數與測量值函數的數字比較而確定。數字比 較被計算機控制地執行，其中，包含在理論信號函數中的、包含不依據區段時間的參數的常 量（g卩，訓,」和