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发射断层成像(emission computed tomography,简称ECT)可分为正电子发射断层成像(positron emission tomography,简称PET),以及单光子发射断层成像(single photon emission computed tomography,简称SPECT)两大类,它借助放射性核素标记的分子探针对活体生物体内的生化过程进行显像,是功能分子影像技术的杰出代表。其图像信息的可靠性与准确性,对于疾病的诊断及基本生命过程的认知与了解都至关重要。 本文从ECT成像技术最根本的任务——图像重建方法出发,对ECT系统的衰减校正方法、系统性能测试与定标等方面,进行了一系列新的尝试,论文的主要贡献如下: 一、首次建立了PET与SPECT图像重建的状态空间体系,并给出了基于H_∞理论的鲁棒求解方法。在该体系架构下,一方面,从本质上解决了以往重建方法中对统计特性的假定与实际情况不符的固有难题,另一方面,通过广义的系统状态空间表述,可以将房室模型与状态方程关联起来,从而把静态PET图像重建问题与动力学参数估计纳入统一的计算框架下。 二、在建立ECT(包括PET/SPECT)图像重建的状态空间体系基础上,将ECT的衰减系数分布纳入状态变量中,并在测量方程中考虑衰减效应,通过增强的状态空间模型实现衰减系数分布与放射性浓度分布的联合估计,为解决ECT重建尤其是SPECT图像重建中的衰减校正问题提供了崭新的思路,建立了定量分析SPECT图像的新策略。 三、首次在重建过程中引入系统模型的不确定性,建立了PET图像系统不确定性惩罚加权的最小二乘估计框架,将控制与信号估计领域中的鲁棒估计器与PET最小二乘重建体系结合,开辟了PET图像鲁棒重建的新思路,该框架在系统扰动下能够给出稳定的重建结果,因而更加适于具有复杂系统响应的ECT图像重建问题。 四、结合临床PET性能测试的方法与实践,自行设计了用于小动物PET性能测试与定标的测量模型、实验方法以及数据分析的方法与工具,并对大陆首台microPET系统进行性能标定。其方法和结果不仅对于准确重建ECT图像至关重要,而且对从事小动物PET或SPECT开发的研究人员具有较大的参考意义。 五、在国内首次使用采用大面积FP-PS-PMT的高性能正电子探头系统完成了ECT成像研究平台的设计,并对其探测器性能进行了测试与评价。在此基础上,将该系统用于实现小动物或植物平面正电子显像研究,为新型正电子发射成像系统的发展做出了新的尝试。