管激發(fā)X射線熒光CT系統(tǒng)關鍵技術研究.pdf

1、當今世界，人類面臨著人口爆炸、環(huán)境惡化等諸多嚴峻的挑戰(zhàn)，誘發(fā)了對人類自身的最大威脅——癌癥。然而，由于國家與地域、人類與種族及人與人個體等差異化，即便是相同的癌癥疾病，其診療需進行分型分類、個體（性）化治療。為此，美國前總統(tǒng)奧巴馬于2015年宣布了“精準醫(yī)學”計劃。作為精準醫(yī)學理想的治療方案之靶向藥物，療效如何評測？X射線熒光CT因其結合了X射線熒光分析技術和CT重建技術，可以非侵入、以圖像方式呈現(xiàn)檢測樣品（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）評測、醫(yī)學診療等領域中將發(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），其設備過于龐大、不可移動且造價十分昂貴，這極大地阻礙了X射線熒光CT技術的發(fā)展與應用。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，而且其可移動性，使臺式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)或成像技術亦然成為研究的熱門之一。
　　有鑒于此，

3、本論文依托國家自然科學青年基金項目“面向生物醫(yī)學軟組織基于高分辨 X光譜儀的能譜CT成像應用基礎研究”（項目批準號：31401106）、重慶市基礎科學與前沿技術研究項目“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”（項目編號：cstc2015jcyjA0622）和中央高?；究蒲袠I(yè)務費重點項目“多色微焦X射線熒光CT成像仿真及其重構算法研究”（項目編號CDJZR14125501）等科研課題，開展了管激發(fā)X射線熒光CT系統(tǒng)關鍵技術

4、創(chuàng)新性研究工作。論文主要研究內(nèi)容，可以歸納為以下幾個方面：
　　①開展了管激發(fā)X射線熒光CT成像理論、成像模擬及重建算法的研究。基于此，研究分析了FBP、ART及MLEM重建算法在熒光CT重建中差異；進而，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，而且通過有序子集（OS）的迭代方式，能夠加速迭代收斂。
　　②研究了基于Siddon算法的管激發(fā)X射線熒光

5、CT重建方法。針對基于線驅(qū)動模型X射線熒光CT重建計算耗時問題，將Siddon算法和X射線熒光CT重建相結合，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，通過對由模擬方法獲取的投影數(shù)據(jù)進行圖像重建，借以驗證該方法的可行性。
　　③研究了筆形束管激發(fā) X射線熒光CT重建圖像信噪比（SNR）和對比度噪聲比（CNR）。針對K-edge CT和X射線

6、熒光CT成像方式，從理論上對比分析了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系。
　?、芟到y(tǒng)、深入地研究了多孔準直管激發(fā) X射線熒光CT系統(tǒng)的成像技術原理及方法。研究分析了多孔準直成像系統(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，借以驗證所述模型的可行性。分析計算了X射線熒光CT圖像CNR值。搭建了基于多孔準直的管激發(fā)X射線熒光CT系統(tǒng)，測量了硝酸釹（Nd(NO3)3）溶液在樣品中的分布，以此從實驗上驗證該成像系統(tǒng)的可行性。此外，還初步討論了準直孔間距和深度對成像質(zhì)量的影響。
　　⑤系統(tǒng)、深入研究了針孔準直管激發(fā) X射線熒光CT系統(tǒng)成像技術原理及方法。從理論上，分析了基于針孔準直的 X射線熒光CT原理，推導了成像

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)，開展了基于針孔準直的L系熒光CT成像技術原理研究。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，還輔之于實際的實驗研究（與清華大學工物系聯(lián)合搭建了實驗系統(tǒng)），從實驗上初步驗證了或佐證了管激發(fā)X射線熒光CT系統(tǒng)的可行性。<