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近年来，切伦科夫发光断层成像（Cerenkov Luminescence Tomography，CLT）由于能反映小动物体内靶分子的三维空间位置信息，也可以准确地对靶分子进行定量观察，且空间分辨率较高受到了学者的广泛关注。切伦科夫发光断层成像具有成像时间短、灵敏度好、性价比高、基于同一分子探针的光学与核素多模态显像等诸多优点，在生物医学成像中具有良好的应用前景。切伦科夫发光断层成像可利用现有核素标记探针进行临床光学显像，克服光学分子探针毒性较大难以用于临床的不足。因而可以设想单一核素标记的分子探针可用于肿瘤患者的诊断、分期、指导治疗、手术导向切除、疗效监测与评估等肿瘤诊治的各个环节。本文主要对在体小动物切伦科夫发光断层成像的重建方法及其在体生物学应用进行了系统的研究，所取得的主要研究成果为：1.对切伦科夫光的性质进行了研究。通过不同放射性活度的Na131I的体外切伦科夫光学实验，研究了Na131I光学信号的强度与放射性活度的关系；对不同放射性活度的Na131I进行γ显像，研究了核素信号与切伦科夫光学信号的关系；使用不同中心波长的一组滤波片，采集Na131I产生的切伦科夫光学信号，研究了切伦科夫光谱的性质；使用模拟生物组织的仿体和多种猪肉组织研究了切伦科夫光的穿透性及其影响因素。2.进行了非匀质裸鼠模型的切伦科夫发光断层成像，并提出了单光子发射计算机断层成像（Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT）验证策略。使用滤波片采集植入Na131I放射性光源的裸鼠腹部的四幅荧光图像，根据重建的计算机断层成像（Computed Tomography，CT）图像分割小鼠器官，建立非匀质裸鼠模型，然后基于漫射方程的自适应hp有限元方法（adaptive hp-finite elementmethod，hp-FEM），重建裸鼠体内植入的Na131I放射性光源的三维分布，并与CT图像获取的真实光源位置进行对比。实验结果表明基于非匀质裸鼠模型的重建结果在定位精度上要优于匀质模型的重建结果。而且本文提出了SPECT验证策略，把植入的不同放射性活度的Na131I放射性光源的CLT的重建结果与SPECT的重建结果进行了对比。实验数据表明CLT在重建非匀质裸鼠模型放射性药物分布的能力以及SPECT成像验证光学分子断层成像的潜力。3.之前的重建方法是根据裸鼠表面切伦科夫光流量分布设定可行区，针对该重建方法的局限性，本文提出了一种基于SPECT成像结果作为可行区的SPECT导向切伦科夫光源重建方法。首先，本文构建了植入Na131I放射性光源的裸鼠模型和尾静脉注射Na131I构建的生理裸鼠模型，在此基础上，用这两个模型验证了本文提出的重建方法。然后使用类似组织的仿体材料，研究了SPECT导向切伦科夫光源重建方法分辨双放射性光源的能力。通过与之前的基于裸鼠表面切伦科夫光流量分布的光源重建方法相比，实验结果表明SPECT导向切伦科夫光源重建方法可以有效地提高重建光源的位置精度，有效地改善CLT的空间分辨率，而且可以避免繁重的裸鼠内部器官的分割工作。4.为了更有效地进行放射性药物在体分布的重建，本文提出了基于切伦科夫光谱特点的半定量混合谱切伦科夫发光断层成像。利用体外实验得到的切伦科夫光在不同波长上的能量分布特点，重新计算裸鼠各个器官组织的混合光学参数。将非匀质裸鼠模型中器官组织的混合光参代入光源分布与物体表面节点的辐射流密度的线性方程中的系统矩阵中。不需要使用任何滤波片采集单幅荧光图象，基于自适应hp策略重建了植入的Na131I放射性光源在裸鼠体内的三维分布和膀胱摄取碘131（131I）的生物分布，并且基于重建的能量与放射性活度的线性关系，计算出了切伦科夫光源的放射性活度。在重建结果、图像采集时间、放射性药物分布的重建时间三个方面，与单光谱和多光谱切伦科夫光源重建方法进行了比较。结果表明混合谱CLT可以较好地兼顾重建精度与计算效率，是一种较好的切伦科夫光源重建方法，具有较大的实际应用价值。5.采用混合谱切伦科夫发光断层成像对裸鼠甲状腺摄取131I进行了三维无创连续观测和定量研究。连续观测三维可视化重建结果表明甲状腺摄取的131I随着时间的增长剂量越多。重建的131I能量与γ射线的平均计数具有较好的一致性。药物分布学实验也进一步验证了甲状腺摄取131I的混合谱切伦科夫发光断层成像的重建结果。实验结果表明混合谱切伦科夫发光断层成像可以用于裸鼠甲状腺成像、评估甲状腺功能以及监测甲癌的治疗的潜力。6.采用切伦科夫发光断层成像对人体纤维肉瘤HT1080荷瘤裸鼠模型的氨基肽酶N （APN/CD13）表达进行了成像和定量。首先，把131I标记在与APN/CD13靶向的NGR缩氨酸上。然后，通过细胞摄取131I-NGR的体外实验，研究了细胞产生的切伦科夫光学信号强度与细胞数目以及探针的放射性活度两者的关系。最后，构建HT1080荷瘤裸鼠模型，通过尾静脉注射131I-NGR，进行荷瘤裸鼠的平面二维切伦科夫发光成像和三维混合谱切伦科夫发光断层成像。三维可视化的CLT结果清析地表明了131I-NGR在肿瘤组织的摄取，这表示了APN/CD13受体的高表达。CLT重建的定量结果表明了肿瘤摄取的131I-NGR的平均放射性活度是0.1388±4.6788E-6MBq。本文的研究结果表明了分子探针131I-NGR可以结合CLT成像，对与肿瘤相关的APN/CD13表达进行无创地成像和定量研究，表明这种新颖的切伦科夫发光断层成像有可能用于在体评估肿瘤的血管新生，具有肿瘤早期检测的潜力。