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契伦科夫荧光成像(Cerenkov luminescence imaging, CLI)技术开创性的利用了核医学领域中放射性核素在衰变过程中产生的可被光学探测器收集的近红外光，由于大量放射性核素可被用于临床，因此CLI为解决光学分子成像技术临床转换面临的分子探针局限性这一问题提供了新思路。通过结合生物组织中的光传输模型和光源重建算法，契伦科夫荧光三维成像(Cerenkov luminescence tomography, CLT)能够准确获取核素探针的体内位置和定量空间分布信息，因而备受关注。然而，契伦科夫荧光的宽光谱特性、契伦科夫荧光测量数据的不充足性、深层核素探针的契伦科夫荧光强衰减性等，造成CLT技术在精确获取体内核素探针的三维位置和定量空间分布方面还存在极大的挑战。本文针对契伦科夫荧光成像技术在三维重建准确性和深层目标成像有效性等方面进行了探讨和研究，主要工作总结如下：
1.针对契伦科夫荧光的宽光谱特性造成的成像模型不准确问题，提出了基于混合光传输模型的多光谱契伦科夫荧光三维成像方法。利用宽谱契伦科夫荧光进行多光谱三维成像能够一定程度上解决测量数据不完备问题，但是同样造成了现有基于单一方程的光传输模型的不准确性。首先，构建混合光传输模型，用来描述多光谱契伦科夫荧光在生物组织中的传输过程，在不同谱段以及同一谱段不同组织之间均采用混合方程，因此该模型具有更高的准确性、效率和灵活性。其次，采用有限元方法和多光谱数据耦合策略，离散化该混合模型，建立多光谱测量数据下描述体内靶标与外部测量值之间的线性系统方程。最后，考虑光源的稀疏特性和测量值的不足性，利用稀疏正则化思想，创立基于l1范数的目标函数，并选用合适的优化算法求解，获得体内靶标的空间分布和探针的定量信息。通过数字鼠仿真实验和真实小鼠实验，对比不同光传输模型验证了该方法的可行性和有效性，以及在平衡成像效率和成像精度方面的优越性。
2.针对单视图测量数据带来的重建结果趋于表面的问题，提出了基于先验补偿的契伦科夫荧光三维成像方法。单视图测量数据采集是与商业系统真实实验数据采集最吻合的方式，能克服实际应用中时效和采集条件的限制；然而单视图测量会带来数据的缺失，从而导致重建结果趋于表面的不准确性。首先，考虑缺少多角度视图的信息可能导致无法确定靶标深度，建立体内不同位置深度靶标与体表测量信号的关系，构建一个补偿矩阵来矫正因深度变化而对系统矩阵产生的影响，建立一个融合深度补偿的系统方程。其次，考虑到体内靶标分布具有稀疏特性，采用基于lp范数的稀疏正则化策略将系统方程转化为正则化问题，最终获得体内不同深度靶标的空间位置和强度分布信息。通过构建光源位于数字仿体内部不同深度的仿体实验验证了该方法的在实际应用中的有效性，以及相比于相同光传输模型无补偿方法的优越性；通过活体小鼠实验证明该方法在预临床研究中有更好的应用前景。
3.针对深层核素探针的契伦科夫荧光强衰减性带来的成像有效性问题，提出了基于混合光传输模型的内窥契伦科夫荧光三维成像方法。内窥数据采集方式为解决CLI技术临床应用面临的成像深度受限问题提供了新思路。首先，针对内窥数据采集方式特点，构建了通用成像物理模型，耦合各部分的边界条件和物理量的转换建立基于简化球谐波近似、扩散近似和辐射度学理论(SP3-DA-Radiosity)的光传输混合数学模型。其次，通过结合有限元离散框架，建立体内靶标与内窥式检测仪器测量值之间的系统方程。最后，考虑体内靶标的稀疏特性以及内窥测量值的严重不足性，利用稀疏正则化的思想，建立基于l1范数目标函数，并选用合适的优化算法求解。根据生物体组织多样性建立仿真模型，验证了该方法的可行性。
4.针对深层核素探针的契伦科夫荧光强衰减性带来的成像有效性问题，提出了一种新型契伦科夫荧光增强成像技术——放射荧光胶片成像技术。契伦科夫荧光信号弱导致成像深度受限的缺陷，严重限制了其临床的广泛应用。受放射荧光现象启发，即稀土纳米颗粒在高能射线轰击下可发出荧光现象，本章提出了一种以光学方式探测放射性核素的放射荧光胶片成像技术。该技术利用由放射荧光微粒做成的胶片贴敷于成像体表面，基于由高能射线激发的放射荧光信号进行光学成像；采用这种方式，放射荧光胶片成像技术相比于契伦科夫荧光成像技术可探测活体生物体内更深位置处的医用同位素。通过一系列的可行性验证实验、性能刻画实验、老鼠活体实验证明了该方法具有较强的预临床和临床应用潜力。
1.针对契伦科夫荧光的宽光谱特性造成的成像模型不准确问题，提出了基于混合光传输模型的多光谱契伦科夫荧光三维成像方法。利用宽谱契伦科夫荧光进行多光谱三维成像能够一定程度上解决测量数据不完备问题，但是同样造成了现有基于单一方程的光传输模型的不准确性。首先，构建混合光传输模型，用来描述多光谱契伦科夫荧光在生物组织中的传输过程，在不同谱段以及同一谱段不同组织之间均采用混合方程，因此该模型具有更高的准确性、效率和灵活性。其次，采用有限元方法和多光谱数据耦合策略，离散化该混合模型，建立多光谱测量数据下描述体内靶标与外部测量值之间的线性系统方程。最后，考虑光源的稀疏特性和测量值的不足性，利用稀疏正则化思想，创立基于l1范数的目标函数，并选用合适的优化算法求解，获得体内靶标的空间分布和探针的定量信息。通过数字鼠仿真实验和真实小鼠实验，对比不同光传输模型验证了该方法的可行性和有效性，以及在平衡成像效率和成像精度方面的优越性。
2.针对单视图测量数据带来的重建结果趋于表面的问题，提出了基于先验补偿的契伦科夫荧光三维成像方法。单视图测量数据采集是与商业系统真实实验数据采集最吻合的方式，能克服实际应用中时效和采集条件的限制；然而单视图测量会带来数据的缺失，从而导致重建结果趋于表面的不准确性。首先，考虑缺少多角度视图的信息可能导致无法确定靶标深度，建立体内不同位置深度靶标与体表测量信号的关系，构建一个补偿矩阵来矫正因深度变化而对系统矩阵产生的影响，建立一个融合深度补偿的系统方程。其次，考虑到体内靶标分布具有稀疏特性，采用基于lp范数的稀疏正则化策略将系统方程转化为正则化问题，最终获得体内不同深度靶标的空间位置和强度分布信息。通过构建光源位于数字仿体内部不同深度的仿体实验验证了该方法的在实际应用中的有效性，以及相比于相同光传输模型无补偿方法的优越性；通过活体小鼠实验证明该方法在预临床研究中有更好的应用前景。
3.针对深层核素探针的契伦科夫荧光强衰减性带来的成像有效性问题，提出了基于混合光传输模型的内窥契伦科夫荧光三维成像方法。内窥数据采集方式为解决CLI技术临床应用面临的成像深度受限问题提供了新思路。首先，针对内窥数据采集方式特点，构建了通用成像物理模型，耦合各部分的边界条件和物理量的转换建立基于简化球谐波近似、扩散近似和辐射度学理论(SP3-DA-Radiosity)的光传输混合数学模型。其次，通过结合有限元离散框架，建立体内靶标与内窥式检测仪器测量值之间的系统方程。最后，考虑体内靶标的稀疏特性以及内窥测量值的严重不足性，利用稀疏正则化的思想，建立基于l1范数目标函数，并选用合适的优化算法求解。根据生物体组织多样性建立仿真模型，验证了该方法的可行性。
4.针对深层核素探针的契伦科夫荧光强衰减性带来的成像有效性问题，提出了一种新型契伦科夫荧光增强成像技术——放射荧光胶片成像技术。契伦科夫荧光信号弱导致成像深度受限的缺陷，严重限制了其临床的广泛应用。受放射荧光现象启发，即稀土纳米颗粒在高能射线轰击下可发出荧光现象，本章提出了一种以光学方式探测放射性核素的放射荧光胶片成像技术。该技术利用由放射荧光微粒做成的胶片贴敷于成像体表面，基于由高能射线激发的放射荧光信号进行光学成像；采用这种方式，放射荧光胶片成像技术相比于契伦科夫荧光成像技术可探测活体生物体内更深位置处的医用同位素。通过一系列的可行性验证实验、性能刻画实验、老鼠活体实验证明了该方法具有较强的预临床和临床应用潜力。