小动物研究在生物医学领域有着十分重要的地位,从小动物研究中获取的信息可以大大降低人体医学研究和临床治疗的风险,因而小动物研究在生物医学研究中得到广泛开展。小动物成像是小动物研究中的重要技术手段,小动物成像要求成像系统能够通过最小化的侵入方式甚至无损的方式对生物样品进行精确的时间-空间测量,以满足长期研究的需要。数字X射线成像技术和计算机层析成像(CT)技术以其在图像获取、显示、存储、传输方面的优势被广泛应用于医学影像和工业无损检测领域,而数字X射线成像系统和微型计算机层析成像系统以其较高的2D和3D空间分辨能力以及无损探测的技术优势成为了小动物成像中的重要手段。本文对一种用于小动物研究的数字X射线成像系统进行了性能分析,全面而且深入地测量和计算了系统的各项技术参数,在此基础上进行了一系列生物医学领域的研究,并通过对系统的改进,完成了微型计算机层析成像系统的设计和研制。本文研究的数字X射线成像系统基于两个电荷耦合器件(CCD),采用光纤束耦合进行成像,能为生物医学研究提供高达50lp/mm的成像分辨率以及多种放大倍率。本文综合测量了影响系统成像质量的各项参数,并对系统在不同工作参数下的性能做出分析,计算了不同放大倍率对成像几何模糊的影响,测量了系统的调制传递函数(MTF)、噪声功率谱(NPS)以及噪声等效量子(NEQ),并对系统进行了对比度细节标样测试和成像测试。测试结果表明了该系统在空间分辨率、噪声和信噪比特性等方面具有明显的优势,结合其数字工作方式,系统也具备良好的时间分辨能力,能够在小动物研究特别是小器官监测中持续地准确地获取有效的图像信息,从而确定了本系统以小动物为对象进行实验研究的适用范围。应用本系统在体监测了吲哚氰绿染剂在小鼠肿瘤中的扩散。选择性的激光-组织相互作用是深层肿瘤无创治疗中一种很有应用前景的方法,X射线成像为在体监测肿瘤内给药和药物扩散提供了一种新的无创性手段,数字系统使得监测能够实时并本课题得到国家自然科学基金(批准号:60178028),国家杰出青年科学基金(批准号:60025514),教育部科学技术研究重大项目(批准号:重大10420)和211工程资助<WP=4>且持续地进行。此项研究工作在国内首次运用数字X射线成像系统对肿瘤中的吲哚氰绿染剂进行在体监测,显示了该技术能够提供肿瘤探测的清晰图像,对肿瘤治疗进行了非常有意义的探索。实验研究反映了受治疗肿瘤组织内药物扩散的动态过程,其结果为治疗过程中各个参数的优化提供了依据,以便在深层肿瘤治疗中增强选择性激光-组织相互作用的治疗效果。研究了本系统对组织内微小血管的探测极限。血管造影是医学影像领域的一个重要分支,数字X射线成像技术为无创性获取血管图像信息提供了一种新颖的途径。本文通过指数拟合求得三种典型的动物组织在不同曝光条件下的X射线衰减系数,对不同管径微细血管的X射线衰减进行了研究,对血管管径与组织在厚度相同的条件下血管与周围组织所形成的对比度进行了量化,并通过计算得到血管能够与其周围的组织形成可在图像中显示出来的对比度时组织厚度的临界值。实验结果表明,本系统数字方式的图像获取和数据处理技术使得原来肉眼难以分辨的图像对比度得以清晰地辨别,实验数据可以用于调整数字X射线系统进行血管成像过程中的各项工作参数。本文对已有的数字X射线成像系统进行改进,研制了可实现三维图像显示的微型CT系统。该系统能够为样本的内部结构提供高分辨率的图像,其三维重建算法为FDK锥形束滤波反投影算法,其机械部分的控制由单片机控制步进电机完成,根据生物样本的不同,系统能够离体或在体进行无损的三维高分辨率分析。系统研制成功后,进行了标样测试和生物样本测试成像,成像结果表明研制的微型CT系统能够准确地重建出样本的三维图像信息,从而大大拓展了原有数字X射线成像系统的应用范围。