高原子序数探针（如碘、金、铂和钆）已经被大量研究并且应用于生物医学领域,特别是对于肿瘤成像和肿瘤治疗有较大潜力。量化离体肿瘤中或动物体内作为成像生物标志物的高原子序数元素,对癌症的分期和治疗评估十分重要。高原子序数元素具有很强的X射线衰减,是有效的X射线成像造影剂。因此,计算机断层成像（CT）可以被用于确定肿瘤中高原子序数造影剂的分布,但CT成像敏感性不足而且不能区分材料类型和准确量化元素浓度。迄今为止,组织学切片是检测高原子序数探针分布的金标准,但它是一种损伤性的方法并且操作复杂。X射线荧光断层成像（XFCT）是一种新兴的成像方式,通过特异性检测特征X射线荧光,可以非破坏性和定量探测高原子序数元素在物体内部的分布。XFCT成像通常使用同步辐射加速器进行,但是同步辐射光源对场地有较高的限制。使用普通多色X射线源的台式XFCT系统极大加速了 XFCT在分子成像领域的应用。在本研究中,我们开发了一套桌面双模态XFCT/CT成像系统。使用较小孔径的小孔准直器产生笔形束,XFCT成像系统的空间分辨率可以达到1mm,在现有的基于普通多色X射线源的笔形束XFCT成像系统中处于前列。XFCT图像用带有衰减矫正的最大似然（MLEM）迭代算法进行重建,其中光子衰减的先验信息由CT图像提供。实验使用不同浓度的高原子序数元素溶液对XFCT进行了标定。标定结果显示,XFCT信号强度与高原子序数元素浓度之间高度线性相关,表明了定量成像的可行性。仿体实验表明,XFCT成像的最小检测限比CT成像大约低一个数量级。之后该系统被用于肿瘤无损XFCT成像,定量重建了高原子序数探针（碘造影剂和金纳米颗粒）在离体肿瘤中的三维分布。肿瘤XFCT成像成功被组织切片验证,结果表明,XFCT对肿瘤内部高原子序数元素进行非破坏性的三维定量成像是可行的。更进一步,我们还使用双模态成像系统对活体荷瘤小鼠进行了无损定量的X射线荧光投影成像。X射线荧光投影可以显示金纳米颗粒在肿瘤区域的聚集和定量分布,通过CCD相机拍摄的小鼠表面照片可以对X射线荧光投影成像提供的肿瘤轮廓进行验证。结果表明,X射线荧光投影成像具有可以同时监测小鼠体内肿瘤区域金纳米颗粒的非均匀空间分布和定量浓度的能力。本研究成功展示了使用台式的双模态XFCT/CT成像系统对离体肿瘤内以及荷瘤小鼠肿瘤区域内的高原子序数元素进行无损定量成像的可行性。这项技术未来可以对靶向性高原子序数生物标记物进行非破坏性和定量成像,从而为肿瘤三维数字切片开辟一条新的途径,同时也可以应用于临床前研究中评估活体小鼠体内高原子序数生物标记物对肿瘤的靶向效果。