管激發(fā)X射線熒光CT系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)今世界，人類面臨著人口爆炸、環(huán)境惡化等諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，誘發(fā)了對(duì)人類自身的最大威脅——癌癥。然而，由于國(guó)家與地域、人類與種族及人與人個(gè)體等差異化，即便是相同的癌癥疾病，其診療需進(jìn)行分型分類、個(gè)體（性）化治療。為此，美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬于2015年宣布了“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”計(jì)劃。作為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)理想的治療方案之靶向藥物，療效如何評(píng)測(cè)？X射線熒光CT因其結(jié)合了X射線熒光分析技術(shù)和CT重建技術(shù)，可以非侵入、以圖像方式呈現(xiàn)檢測(cè)樣品（靶向藥物或藥丸）中元素的分布

2、和含量，在生物制藥、新藥篩選、藥物療效或靶向藥物（丸）評(píng)測(cè)、醫(yī)學(xué)診療等領(lǐng)域中將發(fā)揮重要的作用。
　　然而，常見的X射線熒光CT采用同步輻射光源（SR），其設(shè)備過(guò)于龐大、不可移動(dòng)且造價(jià)十分昂貴，這極大地阻礙了X射線熒光CT技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。采用X射線管源替換同步輻射源，不僅可以使系統(tǒng)成本大大地降低，而且其可移動(dòng)性，使臺(tái)式X射線熒光CT系統(tǒng)成為可能。因此，管激發(fā)X射線熒光CT系統(tǒng)或成像技術(shù)亦然成為研究的熱門之一。
　　有鑒于此，

3、本論文依托國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目“面向生物醫(yī)學(xué)軟組織基于高分辨 X光譜儀的能譜CT成像應(yīng)用基礎(chǔ)研究”（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：31401106）、重慶市基礎(chǔ)科學(xué)與前沿技術(shù)研究項(xiàng)目“適于小樣本活體成像的多色X射線熒光CT系統(tǒng)仿真研究”（項(xiàng)目編號(hào)：cstc2015jcyjA0622）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)重點(diǎn)項(xiàng)目“多色微焦X射線熒光CT成像仿真及其重構(gòu)算法研究”（項(xiàng)目編號(hào)CDJZR14125501）等科研課題，開展了管激發(fā)X射線熒光CT系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4、創(chuàng)新性研究工作。論文主要研究?jī)?nèi)容，可以歸納為以下幾個(gè)方面：
　?、匍_展了管激發(fā)X射線熒光CT成像理論、成像模擬及重建算法的研究?；诖耍芯糠治隽薋BP、ART及MLEM重建算法在熒光CT重建中差異；進(jìn)而，研究了一種帶吸收校正的OSEM-TV重建算法，可使在大角度間隔采樣的情形下，不僅仍能重建出高質(zhì)量X射線熒光CT圖像，而且通過(guò)有序子集（OS）的迭代方式，能夠加速迭代收斂。
　?、谘芯苛嘶赟iddon算法的管激發(fā)X射線熒光

5、CT重建方法。針對(duì)基于線驅(qū)動(dòng)模型X射線熒光CT重建計(jì)算耗時(shí)問(wèn)題，將Siddon算法和X射線熒光CT重建相結(jié)合，研究了基于Siddon算法的X射線熒光CT重建方法。著眼于數(shù)值模擬和Monte Carlo模擬方法，采用FBP、ART及MLEM算法，通過(guò)對(duì)由模擬方法獲取的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，借以驗(yàn)證該方法的可行性。
　?、垩芯苛斯P形束管激發(fā) X射線熒光CT重建圖像信噪比（SNR）和對(duì)比度噪聲比（CNR）。針對(duì)K-edge CT和X射線

6、熒光CT成像方式，從理論上對(duì)比分析了K-edge CT和X射線熒光CT重建圖像SNR值。借助于數(shù)值模擬成像和Monte Carlo模擬成像，研究分析了兩種成像方式CNR值以及CNR值分別與元素濃度、感興趣區(qū)域（Region of interests，ROIs）大?。ㄖ睆剑┑年P(guān)系。
　?、芟到y(tǒng)、深入地研究了多孔準(zhǔn)直管激發(fā) X射線熒光CT系統(tǒng)的成像技術(shù)原理及方法。研究分析了多孔準(zhǔn)直成像系統(tǒng)模型——精確離散模型。采用Monte Carl

7、o模擬成像融合FBP與MLEM算法重建圖像，借以驗(yàn)證所述模型的可行性。分析計(jì)算了X射線熒光CT圖像CNR值。搭建了基于多孔準(zhǔn)直的管激發(fā)X射線熒光CT系統(tǒng)，測(cè)量了硝酸釹（Nd(NO3)3）溶液在樣品中的分布，以此從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證該成像系統(tǒng)的可行性。此外，還初步討論了準(zhǔn)直孔間距和深度對(duì)成像質(zhì)量的影響。
　?、菹到y(tǒng)、深入研究了針孔準(zhǔn)直管激發(fā) X射線熒光CT系統(tǒng)成像技術(shù)原理及方法。從理論上，分析了基于針孔準(zhǔn)直的 X射線熒光CT原理，推導(dǎo)了成像

8、系統(tǒng)的離散模型（吸收校正）。采用數(shù)值模擬和Monte Carlo模擬，獲取了GNPs的L系熒光CT投影數(shù)據(jù)，開展了基于針孔準(zhǔn)直的L系熒光CT成像技術(shù)原理研究。采用MLEM算法，重建了加入吸收和未加入吸收校正情形下的圖像，計(jì)算了CNR值。
　　本文既從理論、仿真研究出發(fā)，研究了管激發(fā)X射線熒光CT系統(tǒng)的可行性，還輔之于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)研究（與清華大學(xué)工物系聯(lián)合搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)），從實(shí)驗(yàn)上初步驗(yàn)證了或佐證了管激發(fā)X射線熒光CT系統(tǒng)的可行性。<