[发明专利]一种应用于荧光寿命成像的非均匀时间数字转换器

说明书

本发明公开了一种应用于荧光寿命成像的非均匀时间数字转换器，包括：非均匀TDC电路基于延时线的原理，通过延时单元量化输入的start信号和stop信号之间的时间间隔，输出一组温度计码t；非均匀TDC电路实现的关键是延时单元延时值的分配，具体为：将荧光信号出现概率为0.84的这部分等概率划分为4部分，每一部分对应一个时间大小，之后将4部分都各自均分为3小部分，每一小部分对应为一个延时单元的延时值，共得到12个延时单元的延时值；且非均匀TDC电路中采用了压控差分反相器作为延时单元，差分的结构使延时单元具有抗干扰能力，延时值压控可调的特性使得非均匀TDC电路采用一种结构的延时单元就能实现所需延时大小。

技术领域

本发明涉及时间数字转换器领域，尤其涉及一种应用于荧光寿命成像的非均匀时间数字转换器。

背景技术

生物医学是当今最为活跃的研究领域之一，其研究领域涉及生命个体、器官、组织、细胞、乃至基本分子。在生物体中，稳定的微环境是保持细胞正常增殖、代谢以及其他功能活动最为重要的条件。目前，通常使用荧光物质来标记待测样本，通过研究样本激发的荧光特性来分析样本及其所处环境的特征。传统的基于荧光强度的探测方法很容易受到激发激光强度、样本淬灭和荧光染料溶度分布等因素的影响，难以做到定量测量。而荧光寿命则是绝对的，仅与样本自身特性和其所处的环境特性有关，因此对待测样本进行荧光寿命成像(Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy,FLIM)可以准确地获得样本所处的微环境的理化特征。基于此优点，荧光寿命成像技术被广泛应用在了细胞生物学、分子研究、药物动力分析等领域。

目前时域下的时间相关单光子计数法(Time Correlated Single PhotonCounting,TCSPC)因其优秀的灵敏度、稳定性和时间空间分辨率取代了直接测量荧光强度的方法，成为还原荧光寿命大小最常用的手段。其通过时间数字转换器(Time to DigitalConverter,TDC)测量光子的出现时间，构建出荧光光子在时间轴上的概率分布曲线，进而得到荧光寿命信息。时间数字转换器的性能直接关系到荧光寿命成像结果的优劣。

传统的基于延时单元的TDC，其延时单元的大小都是均匀的(文中将其简称为均匀TDC)，可以实现固定大小的时间分辨率。但对于出现概率和时间服从指数分布的荧光光子而言，均匀的延时单元对荧光光子出现概率高和低的部分赋予了相同的权重，使得TDC的分辨率以及测量精度没有被充分的利用，这种TDC需要测量更多次的荧光信号才能还原出正确的荧光衰减曲线。所以，设计一款针对荧光寿命成像应用的TDC具有重要的理论现实意义。

发明内容

本发明提供了一种基于非均匀延时单元的用于荧光寿命成像的非均匀时间数字转换器(文中将其简称为非均匀TDC)，本发明充分利用了荧光信号的出现概率随时间指数减小这一先验条件，在荧光信号出现概率较大地方采用较小的延时单元，确保TDC整体较高的时间分辨率，而在荧光信号出现概率小的地方采用较大的延时单元，适当的放弃一些小概率的事件，以保证TDC整体较大的动态范围，在延时链长度和动态范围不变的情况下，使用非均匀的延时布局实现更高的等效精度，详见下文描述：

一种应用于荧光寿命成像的非均匀时间数字转换器，所述时间数字转换器包括：非均匀TDC电路和编码电路两个部分，

非均匀TDC电路基于延时线的原理，通过延时单元量化输入的start信号和stop信号之间的时间间隔，输出一组温度计码t；

编码电路完成温度码到二进制码的转换，输出最终的时间间隔T；

非均匀TDC电路实现的关键是延时单元延时值的分配，具体为：

将荧光信号出现概率为0.84的这部分等概率划分为4部分，每一部分对应一个时间大小，之后将4部分都各自均分为3小部分，每一小部分对应为一个延时单元的延时值，共得到12个延时单元的延时值；