论文部分内容阅读
借鉴光学分子成像和专用于小动物结构成像的X射线微型断层成像(computed tomography(CT))的成像机理,结合基于X射线激发的光学分子成像探针合成的最新进展,一种新的成像模态X射线激发的断层成像应运而生。即借助于目前快速发展的现代光学分子探针合成技术,利用具有X射线激发发光性质的纳米荧光颗粒合成的分子探针,构建一种基于micro-CT的新型光学分子成像系统。这种成像模态能够克服光学分子成像的缺陷,实现任意角度的数据采集,并且不会受到外界信号的干扰,因而具有广泛的发展前景。本文围绕X射线激发发光断层成像问题,基于光在生物组织中的传输理论,着重进行了X射线激发发光断层成像重建(X-ray luminescence computed tomography(XLCT))的研究。本文的主要研究工作包括以下几个方面:1)针对之前窄束X射线激发发光断层成像系统的缺点和自发荧光成像、激发荧光成像中的三维光学成像系统的发展,提出了锥束X射线激发发光断层成像方法以改善X射线的利用效率并减少扫描时间并且实现了磷纳米材料内置物的三维断层成像。首先在本实验室micro-CT系统的基础下,搭建了完整的锥束XLCT和XCT(X-ray computed tomography)的双模态系统。同时根据该系统构建了锥束X射线激发发光断层成像的前向数学模型,并研究针对该模型的不同求解方法。在重建中引入正则化方法,采用不完全变量截断共轭梯度以快速稳定的得到有效解。该方法的有效性通过仿真实验和仿体实验得以验证。仿真实验说明所提方法对不同角度、不同正则化参数、不同数据噪声水平以及光参不匹配情况都是稳定鲁棒的。仿真实验和仿体实验都验证了该系统和所提方法的有效性。2)在研究XLCT成像的定量问题中,由于XLCT逆问题的病态性特征,仅使用光学测量数据很难保证磷纳米颗粒浓度的定量准确性。通常采用可行区策略和多光谱分解的光学测量数据以缓解光学成像逆向问题中的病态性。首先,融入多光谱光学测量来增加测量数据。同时,在混合的XLCT/XCT系统中,通过成像对象的三维结构信息粗略估计的药品分布情况可以作为可行区域的结构先验信息(structural a priori information(PSR))。当使用从XCT中获得的PSR信息作为结构先验来指导和约束磷纳米颗粒浓度重建时,并能够恢复出误差低至6.67%的浓度信息。3)目前,XLCT成像系统根据激发模式的不同主要分为3种:笔形束XLCT,窄束XLCT和锥束XLCT。窄束XLCT可以看做是笔形束模式和锥束模式在成像效率和成像质量之间的折衷。传统的窄束XLCT中,准直的X射线通常用平行束X射线来建模。在我们的窄束XLCT原型机中,我们发现X射线经过准直器后会形成扇形射线而不是平行X射线。对X射线分布的精确描述能够提高XLCT成像质量。因此首先通过实验建立了X射线分布模型并将其应用到我们的传播模型中。同时为了进一步提高扫描速度,仅从两个互相垂直的角度采集光学数据。为了从有限的数据信息中恢复出纳米颗粒的分布情况,同时提出了深度相关的自适应正则化分裂Bregman方法来克服重建问题的病态性。仿体实验说明所提物理模型和重建方法能够在位置误差和浓度误差上比传统的裂分Bregman方法表现更好并进一步验证了所提方法的有效性。仿体实验的位置误差小于1.1 mm并验证扇形X射线束的融入比传统的平行束X射线束获得的结果更好。