用于识别和量化系统中的放射粒子的方法

用于识别和量化系统中的放射粒子的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种依据权利要求1前序部分的方法，所述方法用于量化放射特定放 射实体(在后文中称为"放射体"（emittends))的粒子且用于特征化所述系统中的粒子的时 间相关性能，所述系统至少包括种类j的粒子。
【背景技术】
[0002] 传统上在荧光涨落谱的领域中采用这种方法，其中，放射光子作为放射体的粒子 被量化且特征化。传统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检 测确定，由此可以绘制在所述系统中的粒子上的结论。
[0003] 荧光相关光谱(FCS)在过去已经被证明对于量化和特征化所述系统中的粒子而言 是尤其有利的方法，如同例如在EP 0679251B1中描述的。系统传统上是包括不同粒子的溶 液，所述不同粒子具有特定部分浓度，所述系统借助于共焦点显微镜透镜测量。一方面，刺 激激光的激光束通过这种共焦点显微镜透镜如此成像到系统中，以使得仅非常小的刺激量 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点显微镜透镜成像在检 测器上。刺激量因此可以由已知的共焦点显微镜透镜限制到小于1Π 。
[0004] 在根据FCS的方法中，确定荧光信号，所述荧光信号表示在整个测量周期内检测器 在测量周期期间检测到的光子的数量。因此，受测光子的数量的时间相关进程可以从荧光 信号读取。然后，有关放射粒子的扩散常数、粒子的放射物特征和粒子的部分浓度的信息可 以由荧光信号的时间相关自相关函数明确。也从现有技术已知FCS方法，在所述FCS方法中， 测量周期被分成具有相同长度的多个时间间隔且对于每个时间间隔确定受测光子的数量。 由此，确定荧光信号，所述荧光信号代表在整个测量周期内在时间间隔期间受测的光子的 数量的时间相关进程。因此，这允许从荧光信号的自相关函数获知有关粒子的部分浓度和 系统中的不同种类的粒子的扩散常数的信息。
[0005] 因此，FCS方法基于借助于自相关函数的荧光信号的时间相关性能的确定。因此， 有关监测系统中的不同种类的粒子的信息由这种时间相关数据确定。然而，在FCS中，受测 光子的亮度，即，绝对数量不用于特征化和量化所述系统中的粒子。获知有关系统的粒子的 信息借助于与由检测器收集的数据相比显著减小的一组数据执行，所述数据尤其包括受测 光子的绝对数量。因此，FCS方法仅仅适于数个应用领域。例如，如果不同种类的粒子在系统 中呈现类似的质量和/或类似的扩散系数，则FCS方法不适于确定所述系统中的不同种类的 粒子的部分浓度且特征化所述粒子。
[0006] 为了面对FCS方法的这些问题，PCH(光子计数统计)方法经常与FCS方法结合使用。 在这种情况下，PCH方法基于借助于照着FCS方法检测由所述系统中的粒子放射的光子而获 知数据，其中，数据的收集借助于与由激光源的刺激一起的共焦点显微镜透镜而执行，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页发 表的名为"The photon counting histogram in fluorescence fluctuation spectroscopy"中描述。在PCH方法中，在具有预定间隔宽度的一段时间间隔中受测的光子 的数量在测量周期期间被数次确定。光子计数率柱状图由表示受测光子数量的分布的这些 数据制备。有关在所述时间间隔中受测的光子的绝对数量的信息因此被包含在光子计数率 柱状图中。所以PCH方法适于允许量化包括不同种类的粒子在内的所述系统中的粒子，尤其 允许确定不同种类的部分浓度，每个种类具有不同的辐射特征。然而，PCH方法不适于分析 所述系统中的粒子的时间相关性能，因为在PCH方法中确定的数据不包含时间相关信息。
[0007] 在通过借助于数值算法分别评估由FCS或PCH方法确定的数据的测量下，FCS方法 以及PCH方法允许确定特征化系统中的不同种类的粒子的数据。如上所述，PCH和FCS方法提 供对不同典型数据的存取，所述数据特征化不同种类的粒子和其在系统中的部分浓度。一 直需要执行FCS方法和PCH方法以完全获取综合特征。这是耗时的且要求大量计算机资源。 而且PCH和FCS方法的组合不可以保证具有不同种类的粒子的系统的完全分析。尤其几乎不 可能的是在具有不同种类的系统中的时间相关性能的分析，所述种类呈现类似的扩散常数 和/或类似的质量。尤其当观察时间相关过程时（比如，在系统中在不同或相同种类的粒子 之间的发生的生化反应），几乎不可能分析借助于FCS或PCH方法通过共焦点显微镜透镜获 取的测量数据以获取有关化学反应的数据。

【发明内容】

[0008] 因此，本发明的目的是提供一种用于量化放射粒子和用于特征化所述系统中的粒 子的时间相关性能的方法，所述方法至少部分地解决以上提及的问题且允许更简单和/或 更广泛地分析所述系统中的粒子。
[0009] 根据本发明，提出一种具有权利要求1的特征的方法，以解决所述技术目的。通过 根据本发明的方法，在测量周期期间的粒子的放射物在测量步骤中受测。在评估步骤中，已 经在周期内在预定间隔的时间间隔中受测的放射物的数量η在此之后被明确且存储。尤其 评估可以在测量周期内执行具有相同间隔宽度的数个时间间隔。时间间隔可以尤其被选定 以使得它们不重叠。在评估中，受测放射物的数量η的分布函数ρ(η)被确定。分布函数ρ(η) 表示确定对于数量η的不同值的相对频率。在对于在均具有相同间隔宽度的时间间隔中的 m 受测放射物的数量η已经确定0和m之间的值的评估的情况下，因此运用：Σ扒《) = 1。根据 本发明的方法的区别在于规定不同的区段时间（bin timeh作为间隔宽度，以对于每个区 段时间τ执行评估且确定分布函数ρτ(η)。这样做时，分布函数ρτ(η)表示对于在具有作为间 隔宽度的区段时间τ的时间间隔中的放射物的数量η检测不同值的相对频率。因此，对于每 个区段时间τ确定分布函数ρ τ(η)。因此，对于每个区段时间τ而言分布函数ρτ(η)被确定。从 分布函数ρτ (η)以传统方式确定矩(moment) 作为分布函数ρτ (η)的特征。从此，依据区 段时间的矩函数(moment function) 被导出，其中，矩函数遍及在相应区段 时间τ处的各个点"地形成。例如，利用在相应区段时间τ处的分布函数ρτ(η)的一阶矩 叫1^制备一阶矩函数这因此适用于与高阶矩(higher moment)相关的高阶矩函 数，高阶矩函数由对于不同区段时间τ的分布函数ρτ(η)的对应高阶矩制备。
[0010] 在根据本发明的方法中，基于测量数据组分别执行在测量周期内确定的测量数据 的分析或在测量周期内确定的放射物的分析，测量数据组包括矩函数根据本发 明，数据组的评估包括将包括理论信号分布Pslg(n，T)的矩》P(r)在内的理论信号函数数值 拟合到包括矩函数(7)的测量函数，由此明确特征化所述系统中的粒子且包含在P slg (η，τ)中的常量。测量函数和理论信号函数分别包括或(r):，在这个意义上测量 函数可以由包括叫^⑴的函数代表且信号函数可以由包括叫'气Γ)的函数代表。另外，测 量数据组可以包括在测量周期期间的数量η的时间解析进程以及由此计算的ρτ(η)。因此测 量数据组包括如此广泛的有关测量结果的信息，以至于可以广泛地特征化和量化所述系统 中的粒子。
[0011]评估可以基于系统的理论信号分布Pslg(n，T)，理论信号分布被定义以便包括独立 于区段时间τ的那些参数。从例如从FCS或PCH方法已知的理论公式开始，技术人员能够无困 难地给出对于Psig(n，τ)的表达式。
[0012] 在本发明的一实施方式中，在理论信号分布Psig(n，T)的公式中做出以下假设：
[0013] 特定局部检测率= 被假设用于种类j的粒子。假设的是，这个局部检 测率//,Ρ)运用到种类j的每个粒子。对于包含不同种类的粒子在内的系统，特征性特定局 部检测率被假设对于每个种类，例如，用于种类b的局部检测率= 。
[0014] 后文中将详细说明种类j的特定局部检测率巧_(^^所述说明可以通过类似的方式 应用到可存在于系统中的其它种类的特定局部检测率。参数代表种类j的粒子的特征性 检测亮度。因此，参数是包括种类j的粒子的固有特性以及测量装置的固有特性在内的 常量。例如常量包括种类j的粒子的特性，像这种粒子的横截面或量子效率。除此之外， 包括装置相关值，像例如检测器的量子效率或如果适用的话用于刺激所述系统中的粒 子以放射的最大刺激率。函数/(. ?)代表局部检测率的局部相关性。局部检测率依据待测量 的粒子定位在系统中的位置而改变。函数/(Π 可以例如包括在测量设备中采用的透镜系统 的局部相关特性和/或刺激特征曲线的局部相关特性，例如，激光成像到系统中的局部相关 强度分布。函数./(Ο例如可以经由测量设备的规范化的点扩散函数由等式
A给出。在此，R代表体积，在所述体积中，种类j的粒子可以在测 量期间在理论上被定位。用于测量设备的规范化的点扩散函数的公式被充分已知，且可以 由技术人员对于在每种情况下使用的测量设备执行。
[0015] 而且，假设的是，每个种类j的粒子具有特定局部概率分布和特定局部放射概率。 当将根据本发明的方法应用到具有不同种类的系统时，典型特定局部概率分布和典型局部 放射概率被假设对于每个种类的粒子。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体的概率。依据放射物的类型和测量设备的边界条件，技术人 员可选定合适已知的概率分布作为预期特定局部概率分布和作为一个种类的粒子的预期 特定局部放射概率，且能够接受所述已知的概率分布用于公式化理论信号分布P slg(n，T)。
[0016] 而且，对于公式化Pslg(n，T)假设的是，粒子必须定位在特定测量体积V中，以实现 粒子放射的检测。例如，可以假设的是，如果粒子放射基于由激光刺激且仅由激光刺激的粒 子可以放射放射体，则测量体积V借助于刺激激光的成像体积在系统中确定。例如，测量体 积V也可以通过由测量设备给出的体积极限而限定。这种极限例如可以是像壁一样的系统 的纯几何外部约束。这种极限也可以例如基于将粒子的放射物投射到检测器上的透镜而被 预先设定。
[0017] 基于以上提及的假设定义的理论信号分布Pslg(n，T)包括不依据区段时间的参数， 如种类j的粒子的局部检测率仏( /:)、粒子浓度^和衰减时间此外，系统的理论信号分布 Pslg(n，T)包括测量设备的噪音性能。测量设备的噪音性能可以被假设为时间常量、或也可 以分别被假设为与时间相关或随着时间可变，尤其作为具有统计学分布的值。当定义理论 信号分布P slg(n，T)时，也可以假设的是，可以忽略测量设备的噪音性能。如此定义的理论信 号分布Pslg(n，T)也包括测量设备的噪音性能。当将所述方法应用到不同粒子种类被预期的 系统时，系统的理论信号分布P slg(n，T)包括对于每个粒子种类独立于区段时间的对应参 数。
[0018] 在已经定义信号分布Pslg(n，i)的情况下，矩/;f(r)以传统方式被明确。例如，信号 分布Psig(n，T)的一阶矩（first moment)爾fg(r)和二阶矩（second moment) 可以被 明确。而且，理论信号函数被定义，其包括明确的矩》Cg(r)中的至少一个，以及测量值函数 被定义，其包括明确的矩函数wf( Γ)中的至少一个。然后，至少就至少参数μ〇, j和Θ j而言的 常量借助于将理论信号函数与测量值函数数值拟合而明确。这意味着至少μ。,」和h可以从 常量即刻计算。尤其在将根据本发明的方法应用到具有s个不同粒子种类的系统的评估中， 指代s个不同部分浓度的常量也可以从数值拟合明确。
[0019] 例如，理论信号函数可以呈现与测量值函数在《fir)上对应地具有的相同的第K 阶矩7<〇·)。为了给出示例：理论信号函数可以例如包含，wf⑴和⑴且测量 值函数可以包含、wf "(r)和ω (「）。尤其理论信号函数和测量值函数可以每次 仅呈现相同第Κ阶矩。在此，理论信号函数仅呈现在测量值函数中对应地被包含作为》if ss 的这种第K阶矩且反之亦然。尤其理论信号函数的第K阶矩mf(r)可以具有与在测 量值函数中对应第K阶矩⑴具有的与彼此相同的函数关系。
[0020] 根据本发明的方法适于任何系统的分析，所述系统包括放射特定放射体的至少一 个种类的粒子。这种放射体例如可以是光子，但是也可以例如是粒子或伽玛辐射。依据放 射体的属性和粒子的特性，来自外部刺激可以是必须的或不必须。
[0021] 根据本发明的方法基于的基本发现是，依据区段时间的矩函数包括有关 受测放射物的绝对数量的信息以及有关粒子的时间相关性能的信息。通过定义包括矩函数 ⑴的测量值函数，因此提供这样一种函数，其基于测量值且分别允许系统或所述系统 中的粒子的扩展且详细的分析。基于这个发现，本发明提出改变区段时间τ，对于每个区段 时间τ确定分布函数ρτ(η)且依据区段时间确定矩函数《Πτμ
[0022] 另外，根据本发明的方法基于的发现是，通过将测量值函数数值拟合到包括理论 信号分布Pslg(n，T)的矩;〃,'<(「)在内的理论信号函数，可以明确这样的常量，其不依据区段 时间且特征化所述系统中的粒子和所述系统中的粒子的浓度。在一实施方式中，常量至少 有关于参数μ。,』和尤其也有关于Cj，如果存在具有数个种类的系统则尤其有关于不同种 类的(^。常量例如可以与和/或θ痛同。例如常量可以在每种情况下在一个常量中包 含和/或它们可以例如具有数学比率，所述数学比率具有定值(例如，数字）。尤其 可以包含数种成分，所述数种成分必须借助于对于每个空间维度数值拟合例如分开的衰 减成分~4、0^0^ 2与彼此独立地确定。例如，对于每个衰减成分的理论信号函数可以包含 有关于相应衰减成分的常量。
[0023] 不依据区段时间的参数由理论信号函数与测量值函数的数字比较而确定。数字比 较被计算机控制地执行，其中，包含在理论信号函数中的、包含不依据区段时间的参数的常 量（g卩，训,」和