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恶性肿瘤,又称癌症,乃是当今严重威胁人类健康的主要疾病之一。癌症的常规治疗方法,目前仍以放疗、化疗为主,这对于早期癌症患者而言,肿瘤细胞较小,治疗效果尤为明显。然而,在进行放疗、化疗过程中,不可避免会对正常组织的侵害而引发多种后遗症,这就使得研究与开发具有高效的肿瘤靶向性、低副作用的治疗方法成为了研究热点。近年来,精准医学、个性化诊疗、智慧医疗等日益为人们所瞩目。特别是,纳米技术的发展为肿瘤的早期诊断及靶向性治疗提供了新的机遇——利用纳米金粒子(GNPs)较小的生物毒性以及对其修饰后所具有的靶向特异性,易于在肿瘤内部聚集,从而达到在治疗时有效增强肿瘤组织内部射线剂量或药物浓度,却对周围正常组织损伤较小的效果。诚然,GNPs在肿瘤内部的分布及富集程度,乃是决定上述方法成败的关键。X射线荧光CT(XFCT)是X射线荧光分析法与X射线CT的有机结合,它利用入射X射线激发样本内部待测高原子序数元素发出荧光,通过对出射荧光的探测,结合特定的重建方法,不仅能够辨别所测元素种类,同时能准确重构待测元素的空间分布和浓度。较之于XFCT中常见的同步辐射源(SRS),X射线管源具有较低成本、较强可移动性等优势,因此,X射线管激发XFCT系统或成像技术,已然成为精准医学、个性化诊疗研究的热点之一。有鉴于此,本文是作者获得中国留学基金委(录取文号:201606050045,批件号:留金发【2016】3100)的资助,在美国德克萨斯大学MD安德森癌症研究中心(University of Texas MD Anderson Cancer Center)辐射物理学部门(Department of Radiation Physics)Sang Hyun Cho教授的指导下完成的。本文研究工作依托于美国国家卫生研究院(NIH)有关科研项目(US NIH Grant R01EB020658),中国国家自然科学青年基金项目(项目编号:61401049)及重庆市教委研究生科研创新项目(项目编号:CYB16044)等科研课题,历经国外两年、国内两年的国内、外导师联合培养,以多模态X射线管激发XFCT关键技术研究为切入点,开展了系统、深入的研究工作,主要包括:(1)研究了平行准直X射线管激发XFCT成像理论及重建算法。针对平行准直X射线管无法确保对应的探测单元,仅探测到正对着该平行准直管的物体区域发出的荧光这一问题,提出了一种基于探测器视角(DEV)的OSEM算法。该算法考虑了能被相邻探测器探测到某一点荧光信号的可能及比值,立足于实验扫描数据,将所提算法与FBP、经典OSEM算法进行对比,借以验证该算法的可行性及其具有能进一步提高图像分辨率的优势。(2)研究了基于局部线性嵌入(LLE)的几何参数校正算法。该算法采用原始投影数据,无需模体,仅需通过对重建图像的再投影,借助LLE对几何参数的更新实现校正。针对用于计算系统矩阵的系统参数偏移极大影响成像质量这一问题,立足于实验扫描数据,测试了在平行准直管激发XFCT系统中,基于LLE的几何参数校正算法校正探测器与旋转平台位置偏移的效果。此外,该算法还被应用于刚性运动校正,重建出了高质量的XFCT图像,有效解决了一般性病人刚性运动问题。(3)系统、深入研究了多孔准直X射线管激发XFCT成像系统技术原理及性质。采用Geant4模拟,构建了两种多孔准直系统——平行多孔准直X射线管激发XFCT成像系统及旋转多孔准直X射线管激发XFCT成像系统。其中,平行多孔准直管激发XFCT成像系统使用扇形束,无需旋转,只需一次扫描即可得到物体某一断层元素分布,适合于二维成像;旋转多孔准直管激发XFCT成像系统通过使用锥形束,旋转物体进行三维成像。研究通过改变平行多孔准直管激发XFCT成像系统中多孔的尺寸,研究其分辨率等性质。通过使用含有不同浓度GNPs的PMMA模体、改变探测器到多孔准直的距离等,探究比较两种系统的探测极限及成像质量。此外,分别比较了单孔与多孔的差异,证实了多孔相对单孔具有一定的优势。(4)系统、深入研究了在管激发X射线CT与XFCT混合系统中的CT成像表现。针对在使用高能量、大焦斑的管激发X射线CT与XFCT混合系统中,CT是否能在低剂量的情况下提供较高质量的CT图像,借以实现CT与XFCT双模成像这一问题,立足于实验,通过改变管电压、电流及采用不同扫描方式(短扫描和稀疏扫描)等,分析计算了CT图像的CNR、噪声、探测极限、分辨率、辐射剂量等。研究表明,在高能量、大焦斑的管激发X射线源系统中,能够以较低剂量重建出较高质量的CT图像。(5)研究并实现了管激发CT与XFCT图像融合。为了同时获得CT图像解剖信息及XFCT元素信息,立足于实验数据,采用平均值法、基于PCNN图像融合算法、基于抗混叠Contourlet及PCNN的图像融合算法,开展了CT与XFCT图像融合研究,分析对比了融合图像的平均值、熵、空间频率及边缘保留的融合评价指标,表明了基于抗混叠Contourlet及PCNN的图像融合算法,优于平均值法和基于PCNN图像融合算法。本文开展针对X射线管激发的XFCT研究工作,对其发展具有重要的学术意义和潜在的应用价值。