基于改进谱投影梯度算法的X射线发光断层成像

X射线发光断层成像(XLCT)是一种可同时获得解剖结构和功能信息的新型分子影像技术,在早期肿瘤检测与放疗方面具有重要应用潜力,但由于测量信息少,成像模型复杂等原因,其断层重建一直是挑战性难题。本文采用非单调Barzilai-Borwein梯度(NBBG)算法来求解重建问题目标函数。每次迭代中,谱投影梯度方法近似为L1范数约束的最小二乘问题。Barzilai-Borwein梯度法获得相应的更新方向,提高算法的收敛速度。采用非单调性线性搜索策略构建最优步长,保证全局收敛性。通过将Barzilai-Borwein梯度法和非单调性搜索结合,在保证全局收敛的同时,克服了选取精确步长带来较大计算量的缺点。数值仿真实验和物理实验得到的基于NBBG算法的单光原重建位置误差分别为0.68和0.94mm,与分裂增广拉格朗日收缩算法(SALSA)相比,本文方法在重建精度、鲁棒性和重建效率等方面都获得了较优的结果。

X射线发光断层成像中笔束与锥束激发性能的对比

研究了X射线发光断层成像(XLCT)的激发性能,对笔束XLCT和锥束XLCT等两种主要的成像系统在不同激发方式下的扫描时间、重建精度、分辨率及重建时间等性能指标进行了对比研究。设计的对比实验中,笔束XLCT系统的扫描时间为436s,锥束XLCT系统的扫描时间仅为10s。目标实验中,笔束XLCT系统的重建时间为82.57s,重建误差为0.47mm;锥束XLCT系统的重建时间为172.63s,重建误差为1.59mm。在边距分别为1mm和0.5mm的两组双目标实验中,笔束XLCT系统均能准确分辨,重建误差均在0.8mm以内,而锥束XLCT系统对边距为1mm的双目标重建误差均达到了1.7mm左右;当目标边距缩小到0.5mm时,其已无法进行全域分辨。实验结果表明:相比于锥束XLCT,笔束XLCT利用自身的"激发先验"优势具有较短的重建时间、较高的定位能力和分辨率,但是其系统扫描时间要明显大于锥束XLCT。本文的工作为选择合适的XLCT成像系统提供了参考。

乳状液膜法制备硫氧化物超细X射线发光粉

采用乳状液膜法制备了颗粒均匀的Gd-Tb草酸盐微粒,将草酸盐粒子放在硫气气氛下焙烧后得到Gd2O2S∶Tb超细X射线发光粉。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外(IR)光谱、光致发光(PL)光谱和X射线激发发光光谱(XEL)对微晶进行了表征。结果表明,900℃下焙烧后的粒子显示了单一的六角形Gd2O2S晶相,与传统固相法相比,有效降低了焙烧温度。根据谢乐公式,估算一次粒径为29nm,初级粒子尺寸较小,这在一定程度上可以提高成像系统的空间分辨率。从SEM照片来看,粒子显示了一定的团聚性,但团聚尺寸<5μm,为超细X射线发光粉。同时,在254nm紫外光和X射线激发下,Gd2O2S∶Tb发光粉都显示出Tb3+的特征发射峰,并且通过分析红外光谱对样品发光性能的影响作了详细的讨论。

采用快速贝叶斯匹配追踪的单视图X射线发光断层成像

为了缓解单视图X射线发光断层成像中出现的不适定性问题,提出了一种结合区域迭代收缩策略的快速贝叶斯匹配追踪方法。该方法将贝叶斯模型和贪婪算法相结合,可以从较少的观测值中高效快速地恢复稀疏信号。为了进一步提高重建精度,将快速贝叶斯追踪与区域迭代收缩策略结合,简化了自适应有限元方法在网格划分和系统矩阵构建方面的复杂性,在缩减因子迭代缩小可行区域的同时,缓解了X射线发光断层成像逆向题求解中的病态性。为评估该方法的有效性,设计了仿真实验与真实物理仿体实验。仿真结果表明,本文方法在加快重建速度的同时,显著提高了纳米发光目标的定位精度和发光产额的定量结果,它们分别为0.73mm和0.79μg。真实物理仿体实验进一步验证了该方法在实际单视图X射线发光断层成像中的可行性。

高压预处理对合成硫氧化物X射线发光材料的影响研究

采用陶瓷工艺学原理,对混合好的配合料进行高压预处理,合成了Gd2 O2 S∶TbX射线荧光粉,并研究高压预处理对合成硫氧化物X射线发光材料Gd2 O2 S∶Tb发光性能和物理特性的影响。对其进行光致发光(PL)谱、X射线激发发光(XEL)光谱、XRD、SEM研究。结果发现,高压预处理能有效降低合成温度,减小颗粒尺寸,并影响其颗粒分布及颗粒形貌,并使光致发光(PL)和X射线激发(XEL)发光强度有较大幅度的提高。由于比较致密,减少了碱金属离子和硫化物气氛的挥发,减轻对耐火材料和坩埚材料腐蚀程度。

纳米Y_2O_2S∶Tb X射线发光粉的合成及发光性质

以EDTA为螯合剂、尿素为沉淀剂,采用络合沉淀法制备了Y2O2S:Tb纳米X射线发光粉.通过X射线衍射(XRD)、光致发光(PL)光谱和X射线激发发光(XEL)光谱对纳米发光粉进行了表征,并研究了纳米晶的发光性能及Tb3+离子的能量传递过程.研究表明:所制备样品显示了单一的六角结构,其一次粒径约为32nm.在254nm紫外光和X射线激发下,Y2O2S:Tb X射线发光粉都显示了Tb3+离子的特征发射峰,分别起源于5D3和5D4能级到基态能级的跃迁.

水热法制备ZnS∶Cu,Al纳米X射线发光粉及其光谱特性

采用水热法低温(200℃)处理12h直接制备ZnS∶Cu,Al纳米晶,并探讨其光致(PL)和X射线激发(XEL)光谱特性及后续退火处理的影响.XRD和TEM分析表明,水热法直接制备的ZnS∶Cu,Al粒径约为15nm,尺寸分布窄,分散性好,具有纯立方相的球形结构.其PL和XEL光谱均为宽带谱,n(Cu)/n(Zn)=3×10-4和n(Cu)/n(Al)=0.5时PL和XEL光谱强度最大,XEL峰值在470nm处.在此条件下,水热处理3h直接合成的纳米晶在氩气保护下于800℃退火1h后样品的XEL发光进一步增强.XEL光谱强度约是退火前样品的8倍,此时峰值波长在520nm,团聚形成径为200～500nm的类球形六方相结构.发光强度增强,但粒径很小,对提高成像系统分辨率非常有意义.通过比较样品的XEL和PL光谱,讨论了XEL和PL光谱的发光机理和激发机制及退火对其特性的影响.

水热法合成ZnS∶Au,Cu超细X射线发光粉

报道了水热法合成的高强度ZnS∶Au,Cu超细X射线发光粉及其光致发光(PL)和X射线激发发光(XEL)的光谱特性。200℃水热处理12h直接合成样品的纳米晶粒约15nm,尺寸分布窄,分散性好,具有纯立方相的类球形结构。氩气保护下1000℃焙烧1h后的样品存在一定的团聚,但团聚后尺寸为1～2μm,为超细X射线发光粉,此时样品为纯六角相的类球形为主的结构。所有样品的PL和XEL光谱均为宽带谱,水热法直接合成样品的XEL强度最强时,样品的Cu/Zn,Au/Cu比值分别为3×10-5和2。在此比值条件下,1000℃焙烧1h样品的XEL发光最强,此时其2个峰值分别位于445和513nm,且与未焙烧前相比强度增强了10倍左右。另外通过比较PL光谱与XEL光谱特性,讨论了PL和XEL光谱的发光机理和其不同的激发机制。

基于双波长减影算法的X射线发光成像研究

目的:探讨双波长减影算法对X射线发光成像(XLI)中存在的环境噪声、X射线噪声以及非目标荧光信号等背景噪声的去除效果。方法:开发基于双波长减影算法的XLI图像处理方法,并通过数值仿真以及仿体实验来对所提方法进行验证。使用硬阈值算法和改进型中值滤波算法对原始图像进行预处理,然后使用双波长减影算法处理,并对处理结果进行评估。结果:在数值仿真中XLI图像的目标背景比(TBR)提高约38倍,在仿体实验中TBR提高约4倍。数值仿真以及仿体实验表明,所提方法处理图像之后可以提升XLI图像的TBR,改善图像质量。结论:基于双波长减影算法的图像处理方法可以有效去除XLI图像中的背景噪声干扰,提取目标荧光信号。

基于纳米闪烁体的X射线发光生物分子测量与疾病治疗研究进展

X射线发光是指闪烁体在X射线激发下发射出低能量光子的过程,在生物传感、医学成像、光动力治疗、光遗传等领域具有应用前景。相较于传统的紫外激发光,X射线对生物组织具有高穿透性且不会触发生物体的自荧光,可实现深组织、无背景、高灵敏的生物分析。近年来,基于纳米闪烁体的X射线发光在生物光子学领域中得到广泛研究,促进了X射线发光在分析化学和生物医学中的应用。本文首先对闪烁体的X射线发光机理进行了概述,接着重点介绍了纳米闪烁体作为光学探针在生物分子测量与疾病治疗中的研究进展,包括生物传感、活体成像和光动力治疗等,最后讨论了该领域存在的一些挑战和可能的解决方案。

红色超敏LaAlO_(3)∶Eu^(3+)纳米荧光粉的X射线激发光谱及其CIE色度特性

采用溶液燃烧合成法制备新型红色超敏La AOl_(3)∶Eu^(3+)纳米荧光粉,合成的La AOl_(3)∶Eu^(3+)材料具备纯R3c(No.167)结构.采用光谱学方法,研究La AOl_(3)∶Eu^(3+)纳米荧光粉的X射线激发光谱性质.结果显示,在X射线激发下,La AOl_(3)∶Eu^(3+)纳米荧光粉发射出很强的红色荧光,谱带中心波长位于620nm处,发光的淬灭浓度是6.0mol%.CIE色度研究表明,样品具有优良的红色荧光发射特性且浓度效应对色调和色纯度影响较小.说明合成的荧光粉可作为高效闪烁体,在超紫外LEDs和辐射探测等领域有重要的应用价值.

基于非凸L_(1-2)正则子的锥束X射线发光断层成像

锥束X射线发光断层成像(CB-XLCT)是一种新型分子影像模态,对疾病的早期检测、靶向治疗以及药物研制等具有重要意义。然而,通过传统的压缩感知理论反演生物体内纳米目标的三维分布时,高维系统矩阵的强相关性会直接影响成像质量。基于非凸稀疏L_(1-2)正则子,将CB-XLCT的成像问题转化为一种新的稀疏重建模型。采用一种凸差分算法来解决非凸泛函最小化问题,在每一步凸差分子迭代中采用一种带自适应惩罚项的交替方向乘子法进行高效求解。设计了单目标数字鼠仿体、双目标数字鼠仿体以及真实在体老鼠实验验证提出算法的有效性和稳健性,并与五种常见正则子(L_(1/2),L_1,L_2,TV和L_0)进行对比和分析。实验结果表明,L_(1-2)正则子的成像性能最优,提出方法可以有效解决CB-XLCT的快速成像问题。

基于分割增广拉格朗日收缩的X射线发光断层成像

利用纳米发光材料的X射线发光断层成像(XLCT)作为一种新型的成像模态,能够同时进行功能成像以及分子成像。在XLCT中,光子在组织中的散射效应使得纳米发光目标的重建具有不适定性,因此如何快速、精确地重建目标成为一个难题。针对此问题,选择扩散近似模型描述组织中的光子传输过程,采用基于L1正则化的分割增广拉格朗日收缩方法进行重建。在数值实验和物理实验中,将其与初始增广拉格朗日方法对比,验证其可行性。实验结果表明,该算法得到的重建结果无论在质量方面还是在收敛速度方面都具有一定优势。

一种优化区域知识先验的稀疏角锥束X射线发光断层成像方法

锥束X射线发光断层(CB-XLCT)成像是一种可在生物体外对早期肿瘤进行有效检测的新型医学成像技术。稀疏角CB-XLCT成像加速了CB-XLCT技术的实时成像转化进程。然而,相对于传统多角度成像,稀疏角CB-XLCT成像的逆问题病态性明显加剧,这对传统成像方法的有效扩展提出了挑战。基于稀疏非凸L_(p)(0<p<1)模型,提出一种迭代重加权裂分增广拉格朗日收缩算法,进一步结合经典非凸算子提出一种鲁棒稳定的可行区域提取方法,进而作为优化的知识先验指导靶标的准确重建。设计了数字鼠和物理仿体实验,分别结合经典L_(1)范数和L_(0)范数的代表算法验证所提方法的有效性和稳健性。实验结果表明,所提方法不仅可有效求解稀疏角CBXLCT成像逆问题,还具有良好的可扩展性。

X射线发光光学断层成像的研究进展

X射线发光光学断层成像(XLOT)是一种利用X射线照射生物体内的纳米发光材料进行成像的新型光学分子成像技术.对比现有光学分子成像技术,XLOT能够同时进行功能和结构成像,并且具有更高的成像深度和成像分辨率,具有广泛的应用前景.本文对XLOT成像技术的研究现状进行综述,回顾了不同XLOT系统的成像原理、系统组成以及各自的优缺点,概述了现有XLOT重建方法及其最新进展,总结了目前XLOT中常用的成像探针,在此基础上,介绍了XLOT技术在预临床诊断上的应用现状,最后对XLOT未来的研究方向进行了展望.

水热法制备ZnS:Cu,Tm超细X射线发光粉

研究了水热法合成的ZnS:Cu,Tm超细X射线发光粉及其光致发光(PL)和X射线激发发光(X-rayexcited luminescence,XEL)光谱特性.200℃水热处理12h直接合成样品的纳米晶粒径约15nm,尺寸分布窄,分散性好,具有纯立方相的类球形结构.氩气保护下900℃退火1h后的样品存在一定的团聚,但团聚后尺寸为200—600nm,为超细X射线发光粉,此时样品为纯六方相的类球形为主的结构.所有样品的PL和XEL光谱均为宽带谱.水热法直接合成样品的XEL强度最强时,样品的Cu/Zn,Tm/Cu比值分别为3×10-4和2.在此比值条件下,900℃退火1h样品的XEL发光最强,此时其两个峰值分别位于453,525nm.发光强度增强的同时粒径很小,对提高成像系统分辨率非常有意义.通过比较PL光谱与XEL光谱特性,讨论了PL和XEL光谱的发光机理和其不同的激发机理.

多色稀土有机配合物闪烁体的合成及X射线成像应用

以2,5⁃二氟苯甲酸(HDFBA)为第一配体,2,2'∶6',2″⁃三联吡啶(terpy)、1,10⁃菲咯啉(phen)为第二配体,成功合成4种稀土有机配合物闪烁体:[Tb(DFBA)3(terpy)(H_(2)O)](1)、[Eu(DFBA)3(terpy)(H_(2)O)](2)、[Tb(DFBA)3(phen)](3)、[Eu(DFBA)3(phen)](4)。这些稀土有机配合物闪烁体展现出优异的X射线剂量响应性、光稳定性以及高达(25100±2000)photons·MeV-1的稳态X射线激发的相对光产额。通过调节配合物中Eu^(3+)和Tb^(3+)的物质的量之比,实现了从绿色到红色的多色发光。将它们以一定的比例掺入聚乙烯醇(PVA)基质中获得均匀闪烁体薄膜,实现了高分辨(11.2 lp·mm^(-1))X射线成像。

紫外发光的半导体Mg_xZn_(1-x)O薄膜制备与性质

利用ＺｎＯ微晶粉末以化学电泳法成功地在导电玻璃上制备了不同ｘ值的紫外发光的宽禁带氧化物半导体三元化合物ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ薄膜．电子显微镜和Ｘ射线衍射研究显示,薄膜由ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ微晶组成,薄膜中微晶大小的分散度比ＺｎＯ粉末有所减小,并更具择优取向的趋势．室温下光致发光测量给出,ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ薄膜在小于３８０ｎｍ的紫外波段出现较强的半宽小于２０ｎｍ的激子性发光峰,而且带边峰的半宽以及带边峰与杂质缺陷峰强度之比均较原始的ＺｎＯ粉末有明显改善,表明这种ＭｇｘＺｎ１－ｘＯ薄膜具有优良的紫外发光特性．

基于X射线激发诊疗一体化纳米探针的制备及表征

目的合成一种可被X射线激发的诊疗一体化纳米探针,并对其光学成像性能及肿瘤治疗功能进行评价。方法基于前期研发的NaLuF_(4):20%Gd^(3+)为基质材料共掺杂Tb^(3+)和Eu^(3+),验证其X射线激发发光属性;通过配体交换的方式,使其具备良好的水中分散性,并验证不同表面修饰基团的细胞毒性;通过共价耦合的方式在纳米颗粒表面耦联光敏剂,并验证其发光光谱的改变及单态氧产生率;通过HepG2细胞模型,验证纳米探针的治疗功能;最终,通过模体成像,验证其光学成像能力。结果9%Tb^(3+)和15%Eu^(3+)共掺杂的纳米颗粒可被X射线激发出可见光和近红外光;2氨基乙基膦酸及聚乙烯亚胺修饰的纳米颗粒具备良好的水中分散性,且在浓度为0.1 g/L时细胞存活率均高于85%,聚丙烯酸修饰后的纳米颗粒发光最弱,发光衰减达30%左右,相较于2氨基乙基膦酸和聚乙烯亚胺修饰的纳米颗粒具有统计学差异(P<0.05);该纳米颗粒耦合光敏剂后,荧光共振能量转移效率可高达75%,保证其高效产生单态氧,在X射线辐射剂量为2.7 Gy时,两种纳米耦合体系均可将HepG2细胞存活率降至50%以下,且无统计学差异(P>0.05),其在近红外的发光可用于模体成像。结论该种X射线激发诊疗一体化纳米探针可用于肿瘤的治疗及光学成像,为后续X射线激发光动力学的在体治疗及疗效监测提供支撑。