本发明涉及荧光寿命成像技术领域，尤其涉及一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统，同时涉及了该系统的成像方法。
背景技术：
荧光寿命成像(flim)是利用像素点处测得的荧光寿命长短作为该像素对应灰度值的一种新型荧光成像技术，与基于荧光强度的分析和成像技术相比，一般不受诸如激发激光、荧光染料漂白、荧光染料分布不均等荧光强度干扰因素的影响。因此荧光寿命成像技术能够对处于不同状态的生物组织或不同种类生物组织提供更清晰的对比度，并可定量测量荧光团及其所处微环境参数。荧光寿命成像技术已成功应用于细胞生物学、分析化学和临床诊断等领域。
荧光寿命成像技术主要有频域和时域两大类。频率调制法是通过比较荧光信号相对于调制激光信号的相移和调制度来进行测量，多用于纳秒级以下的荧光寿命成像测量。随着生物医学的需求，出现了纳秒、皮秒甚至飞秒量级的时域荧光寿命成像的技术。时域主要包括门控探测(time-gateddetection)、时间相关单光子计数(tcspc)和扫描相机成像(streak-flim)是三种实现方法。其中，门控flim收集效率低，难以分辨多指数衰减函数；扫描相机虽然具有极高灵敏度和时间分辨的探测器，但由于受到相机积分时间限制，成像速度很慢。时间相关单光子计数(tcspc)是一种高精度的光脉冲测量技术，但是由于它一次只能记录激发周期内的一个光子，其余光子被忽略，这影响了光子的收集效率和脉冲信号的测量精度。虽然目前tcspc采用tac-adc或tdc来测量光子到达时间的时间测量精度高，但测量范围非常有限，最大测量范围仅为几百个微秒。
此外，生物医学研究和临床诊断中的许多场合都提出了多光谱分辨的要求，目前多光谱荧光寿命成像主要是基于双色分光镜和tcspc技术的多光谱荧光寿命成像。此种系统中荧光经过一系列双色镜后进行光谱分离，经不同的透镜聚焦后，由不同的单光子点探测器进行探测。这就导致系统光谱分辨通道有限、波长间隔固定，加之tcspc技术本身存在的成像速率低的问题，使得此系统应用受限。因此，发展光谱分辨率高、成像速度快、价格低廉的多光谱荧光寿命成像技术是目前的趋势。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统及方法。
为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：
一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统，包括扫描平移台，待成像样品，激发光源，聚焦透镜、多色仪、mcp位敏阳极探测器，时间信号引出模块，电荷灵敏前置放大器、光子到达时间和位置同步测量电路和图像重建模块；
所述的扫描平移台用于放置待成像样品；所述的激发光源用于照射待成像样品；
所述的聚焦透镜、多色仪、mcp位敏阳极探测器依次设置于待成像样品受激发光的传播方向；
所述的mcp位敏阳极探测器的外侧连接时间信号引出模块；
所述mcp位敏阳极探测器的位敏阳极多路输出依次与电荷灵敏前置放大器、光子到达时间和位置同步测量电路、图像重建模块连接；
所述时间信号引出模块与所述光子到达时间和位置同步测量电路连接；
所述扫描平移台与图像重建模块连接。
所述的mcp位敏阳极探测器依次包括入射窗，光电阴极，光电阴极加压电极，陶瓷管壳，级联mcp，级联mcp输入面加压电极，级联mcp输出面加压电极，锗层，陶瓷基底，位敏阳极、位敏阳极加压电极和阳极基底。
所述时间信号引出模块包括电阻、电容、电流灵敏前置放大器，所述电阻包括四个依次串联的电阻，从各电阻上方各引出一条支路分别与mcp位敏阳极探测器内部的光电阴极加压电极、级联mcp输入面加压电极、级联mcp输出面加压电极、位敏阳极加压电极连接，所述电容的一端与级联mcp输入面加压电极连接，电容的另一端与电流灵敏前置放大器连接；所述的电流灵敏前置放大器输出光子到达定时信号至光子到达时间和位置同步测量电路。
一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像方法，包括以下步骤：
1）扫描平移台固定扫描点（x,y）并将该坐标数据输出至图像重建模块，激发光源发出激光照射待成像样品，使待成像样品发出荧光；
2）待成像样品发出的荧光光子经聚焦透镜汇聚后进入多色仪进行分光；
3）经多色仪色散后的荧光光子，进入mcp位敏阳极探测器；
4）利用mcp位敏阳极探测器的外侧输出信号、位敏阳极多路输出信号进行光子到达时间和位置同步测量；
5）图像重建模块根据输入的扫描平移台的坐标、光子到达时间及位置坐标数据进行图像重建。
在步骤4）中，所述的光子到达时间和位置同步测量方法，具体步骤如下：
1）当mcp位敏阳极探测器探测到光子时，级联mcp输入面加压电极对电容的一端进行充电，电容的另一端跟随充电，产生的携带光子到达时间信息的电流脉冲信号，该信号经电流灵敏前置放大器放大后，输出光子到达定时信号，时间信号引出模块输出光子到达定时信号至光子到达时间和位置同步测量电路；
2）mcp位敏阳极探测器探测到光子时，位敏阳极输出的携带光子到达位置信息的多路脉冲信号，经电荷灵敏前置放大器放大后，输出至光子到达时间和位置同步测量电路；
3）在光子到达定时信号的同步触发下，光子到达时间和位置同步测量电路对光子到达定时信号与电荷灵敏前置放大器输入的携带光子到达位置信息的多路脉冲信号进行处理后得到光子到达时间和位置坐标，并将连续到达光子的到达时间和位置坐标传输至图像重建模块。
图像重建模块包括坐标缓存单元、时间缓存单元、时空分布存储矩阵单元、多光谱荧光寿命曲线重建单元及多光谱荧光寿命伪彩色图像重建单元，所述图像重建方法包括如下步骤：
1）计算机usb2.0接口采用乒乓操作的方式连续读取光子到达时间和位置同步测量电路的数据到计算机内存；
2）坐标缓存单元缓存光子位置坐标，时间缓存单元缓存光子到达时间；
3）时空分布存储矩阵单元以光子为基本类，根据光子的位置坐标所对的波长将光子归入不同的光谱通道，到达时间和位置作为类属性的面向对象的方式存储到矩阵中；
4）多光谱荧光寿命曲线重建单元通过将同一位置坐标，即同一波长的荧光光子到达时间等间隔分成若干份，分别统计每个时间段内到达的光子数，以光子到达时间为横坐标，以每个时间段内的光子数为纵坐标，用曲线拟合的方法重建扫描点（x,y）的该波段荧光寿命曲线。利用多个光谱通道的数据可重建多光谱荧光寿命曲线；
5）多光谱荧光寿命伪彩色图像重建单元利用扫描完一帧后所得到的各扫描点的多光谱荧光寿命曲线，重建多光谱荧光寿命伪彩色图像。
本发明的有益效果在于：
1.更精细的光谱分辨率。本发明中待成像样品发出的复色光经多色仪分光后被面阵探测器接收，光谱分辨通道不受限制，探测器分辨率越高能分辨的光谱越精细，所以本发明可获得更高的光谱分辨；
2.更多维信息的获取。本发明采用光子到达时间和位置同步测量的方法，同步获得待成像样品发出光子的位置、到达时间、波长等数据，利用这些数据除了可获得多光谱荧光寿命曲线外，还可获得光子直方分布、光子相干性、光子高阶相干性，可提供更多研究价值；
3.更高的数据测量精度。本发明利用探测器工作回路充电信号引出光子到达定时信号，光子到达时间和位置分开测量，时间测量采用宽带宽的电流灵敏前置放大器保全时间信息，位置测量采用电荷灵敏前方保证电荷量的测量精度；
4.更快的数据处理速度。本发明图像重建数据采用以光子为基本类，以光子的到达时间、位置坐标和波长作为类属性的矩阵存储方式，大大提高访问速度。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图。
图2为本发明的光子到达时间和位置同步测量电路的峰值采集时序图。
图3为本发明的图像重建模块的软件流程图。
图中，1为扫描平移台，10为待成像样品，2为激发光源，3为聚焦透镜，4为多色仪，5为mcp位敏阳极探测器，501为入射窗、502为光电阴极、503为光电阴极加压电极、504为陶瓷管壳、505为级联mcp、506为级联mcp输入面加压电极、507为级联mcp输出面加压电极、508为锗层、509为陶瓷基底、510为位敏阳极、511为位敏阳极加压电极、512为阳极基底，6为时间信号引出模块，601为电阻、602为电容、603为电流灵敏前置放大器、604为光子到达定时信号，7为电荷灵敏前置放大器，8为光子到达时间和位置同步测量电路，9为图像重建模块，901为坐标缓存单元、902为时间缓存单元、903为时空分布存储矩阵单元，904为多光谱荧光寿命曲线重建单元，905为多光谱荧光寿命伪彩色图像重建单元，906为usb接口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
参见图1-3。
本发明公开了一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统，如图1所示，包括扫描平移台1，待成像样品10，激发光源2，聚焦透镜3、多色仪4、mcp位敏阳极探测器5，时间信号引出模块6，电荷灵敏前置放大器7、光子到达时间和位置同步测量电路8和图像重建模块9。
所述扫描平移台1用于放置待成像样品10，所述的激发光源2用于照射待成像样品10，其特征在于：聚焦透镜3、多色仪4、mcp位敏阳极探测器5依次设置于待成像样品10受激发光的传播方向，所述mcp位敏阳极探测器5的外侧连接时间信号引出模块6，所述mcp位敏阳极探测器5的位敏阳极多路输出依次与电荷灵敏前置放大器7、光子到达时间和位置同步测量电路8、图像重建模块9连接；所述时间信号引出模块6与所述光子到达时间和位置同步测量电路8连接，所述扫描平移台1的扫描模块与图像重建模块9连接。
mcp位敏阳极探测器5依次包括入射窗501，光电阴极502，光电阴极加压电极503，陶瓷管壳504，级联mcp505，级联mcp输入面加压电极506，级联mcp输出面加压电极507，锗层508，陶瓷基底509，位敏阳极510、位敏阳极加压电极511和阳极基底512。
光子进入mcp位敏阳极探测器5后，光电阴极502产生光电效应，发射光电子。光电子经过级联mcp505倍增形成电荷云团，电荷云团经电场加速后被位敏阳极接收。位敏阳极上互相绝缘的各电极所接收的电荷量可用于求解电荷云团的质心，该质心对应于入射光子的二维坐标。因此，将位敏阳极各电极输出的多路电荷脉冲信号作为光子到达位置信号，为保证测量精度，位敏阳极输出的多路电荷脉冲信号经电荷灵敏前置放大器7放大后输入光子到达时间和位置同步测量电路8。本案中位敏阳极可以采用游标阳极、电阻阳极、楔条形阳极以及延时线阳极等，这里以游标阳极为例，游标位敏阳极的九个相互绝缘的电极输出九路携带光子到达位置信息的电荷脉冲信号至光子到达时间和位置同步测量电路8。
此外，上述光子探测过程中电子云团出射后，由于电荷守恒原理，mcp工作回路对mcp进行充电，该充电信号经时间信号引出模块6引出可作为光子到达定时信号输入光子到达时间和位置同步测量电路8。时间信号引出模块6包括电阻601、电容602、电流灵敏前置放大器603，电阻601包括四个依次串联的电阻，依次定义为6011、6012、6013、6014，从各电阻上方各引出一条支路分别与mcp位敏阳极探测器5内部的光电阴极加压电极503、级联mcp输入面加压电极506、级联mcp输出面加压电极507、位敏阳极加压电极511连接，电容602与级联mcp输入面加压电极502连接，电容602的充电信号经电流灵敏前置放大器603放大后输出至光子到达时间和位置同步测量电路8。
虽然mcp位敏阳极探测器的位敏阳极多路输出信号同时携带了光子的到达时间和位置信息，但为了保证精度，光子到达时间和位置测量必须分开，不能同时利用探测器的位敏阳极输出信号进行测量。因此，本发明的光子到达定时信号通过时间信号引出模块由mcp工作回路引出，并通过宽带宽的电流灵敏前置放大器保全时间信息；利用探测器的位敏阳极输出信号进行位置测量，并采用电荷灵敏前置放大器保证电荷量的测量精度，从而实现了光子到达时间和位置同步高精度测量。
本发明还公开了一种光子到达时间和位置同步测量的荧光寿命成像系统的成像方法，包括以下步骤：
1）扫描平移台1固定扫描点（x,y）并将该坐标数据输出至图像重建模块9，激发光源2发出激光照射待成像样品10，使待成像样品10发出荧光；
2）待成像样品10发出的荧光光子经聚焦透镜3汇聚后进入多色仪4进行分光；
3）经多色仪4色散后的荧光光子，进入mcp位敏阳极探测器5；
4）mcp位敏阳极探测器5的外侧输出信号、位敏阳极多路输出信号进行光子到达时间和位置同步测量，具体步骤如下：
4.1）当mcp位敏阳极探测器5探测到光子时，级联mcp输入面加压电极对电容602的一端进行充电，电容602的另一端跟随充电，产生的携带光子到达时间信息的电流脉冲信号，该信号经电流灵敏前置放大器603放大后，输出光子到达定时信号604，时间信号引出模块6输出光子到达定时信号604至光子到达时间和位置同步测量电路8；
4.2）mcp位敏阳极探测器5探测到光子时，位敏阳极输出的携带光子到达位置信息的多路脉冲信号，经电荷灵敏前置放大器7放大后，输出至光子到达时间和位置同步测量电路8；
4.3）在光子到达定时信号604的同步触发下，光子到达时间和位置同步测量电路8对光子到达定时信号604与电荷灵敏前置放大器7输入的携带光子到达位置信息的多路脉冲信号进行处理后得到光子到达时间和位置坐标，并将连续到达光子的到达时间和位置坐标传输至图像重建模块9。
5）图像重建模块9根据输入的扫描平移台1的坐标、光子到达时间及位置坐标数据进行图像重建。
光子到达时间和位置同步测量电路8对电荷灵敏前置放大器7输入的携带光子到达位置信息的多路脉冲信号进行处理得到光子到达时间和位置坐标的方法是：利用光子到达定时信号触发多路脉冲峰值的同步采集和光子的到达时间测量，对光子到达时间和脉冲峰值数据进行处理求解出光子到达时间和位置坐标。多路脉冲同步峰值采集时序图如图2所示，图中以游标阳极的九路脉冲峰值采集为例。当检测到光子到达定时信号时，同步启动9路a/d转换器对多路脉冲信号进行峰值采集，9路脉冲峰值数据根据游标阳极解码公式可以计算出光子到达位置坐标，具体计算参考文献[1]qiurongyan,baoshengzhao,yonganliu,haoyang,lizhisheng.two-dimensionalphotoncountingimagingdetectorbasedonavernierpositionsensitiveanodereadout[j].chinesephysicsc,2011,35(4):368.
图3为本发明的图像重建模块的软件流程图。图像重建模块9包括坐标缓存单元901、时间缓存单元902、时空分布存储矩阵单元903和多光谱荧光寿命曲线重建单元904及多光谱荧光寿命伪彩色图像重建单元905；所述图像重建模块9通过usb接口906与所述时间和位置同步测量电路8连接。图像重建的具体步骤如下：
1）计算机usb接口906采用乒乓操作的方式连续读取光子到达时间和位置同步测量电路8的数据到计算机内存；
2）坐标缓存单元901缓存光子位置坐标，时间缓存单元902缓存光子到达时间；
3）时空分布存储矩阵单元903以光子为基本类，根据光子的位置坐标所对的波长将光子归入不同的光谱通道，到达时间和位置作为类属性的面向对象的方式存储到矩阵中；
4）多光谱荧光寿命曲线重建单元904通过将同一位置坐标，即同一波长的荧光光子到达时间等间隔分成若干份，分别统计每个时间段内到达的光子数，以光子到达时间为横坐标，以每个时间段内的光子数为纵坐标，用曲线拟合的方法重建扫描点（x,y）的该波段荧光寿命曲线，利用多个光谱通道的数据可重建多光谱荧光寿命曲线;
5）多光谱荧光寿命伪彩色图像重建单元905利用扫描完一帧后的所得到的各扫描点的多光谱荧光寿命曲线，重建多光谱荧光寿命伪彩色图像。多光谱荧光寿命伪彩色图像的重建方法为：将扫描平面虚拟为像素单元阵列，如像素值设置为，其中n和m分别为x方向像素值和y方向像素值，则扫描点坐标（x,y）可转化为像素坐标值。对每个像素坐标内扫描点的荧光寿命值求均值，然后将荧光寿命均值作为灰度值重建二维灰度荧光寿命图像，将不同波长的二维灰度荧光寿命图像进行融合可重建多光谱荧光寿命伪彩色图像。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。