X射线激发发光断层成像（XLCT）是一种新兴的混合成像技术，该技术可同时获得目标体结构信息和功能信息。然而，窄束XLCT重建图像虽然具有高空间分辨率，但X射线利用率较低，数据采集时间过长；锥束XLCT系统提高了X射线利用率，缩短了数据采集时间，但有限的探测角度导致图像重建质量相对较低。为解决上述问题，提高X射线利用率，高效实现多角度高灵敏数据采集，提出了一种基于光子计数测量的锥束XLCT系统，并通过仿体实验对其性能进行了验证。仿体实验结果表明，6个角度锥束照射模式下重建图像的相似度系数（DICE）可达50%，系统保真度（SF）和重建浓度误差（RCE）达到0.7以上，可实现3 mg·mL^-1以上的荧光物质质量浓度差距的重建。

为捕捉生物组织体内快速变化的荧光信号, 并借鉴扩散荧光层析在穿透深度、高灵敏度等方面的优势, 设计了一套具备快速实时采样能力的动态扩散荧光层析成像在体测量系统.该系统采用多光源-探测器布配方案, 结合光电倍增管探测器与锁相光子计数检测技术, 具有高空间采样密度、高探测灵敏度、大动态测量范围以及高性价比等优势.有效性评估实验表明: 该系统具备良好的稳定性和很强的环境光抑制能力, 频率串扰率低于1.39%.仿体成像实验表明: 该系统能够有效地对单个和多个目标体成像.活体健康小鼠吲哚菁绿肝代谢实验进一步表明: 该系统可有效捕捉小鼠体内快速变化的荧光信号, 能够用于荧光剂药代动力学研究.

X射线光子计数探测器是多能谱CT成像技术的核心, 其通过能量阈值可以选择记录不同能量的X射线光子, 有助于分析不同材质的物理特性。 利用搭建的基于光子计数探测器的多能谱CT系统, 开展高纯度金属材料K-edge特性识别实验研究。 通过设置探测器的不同能量阈值, 在不同能量范围获取金属材料投影图像, 利用投影图像灰度信息分析不同能量X射线的衰减特性, 以识别金属材料K-edge特性。 最终实验结果表明, 基于光子计数探测器的X射线能谱CT系统, 能够识别金属材料与特定能量X射线光子发生相互作用所表现出的K-edge特性。 通过计算K-edge特征峰能量阈值与材料K-edge理论能量值之间的线性对应关系, 对光子计数探测器的能量阈值进行了标定。

为实现小动物吲哚菁绿(ICG)药代动力学成像, 设计了一套高灵敏度扩散荧光层析成像系统。该系统采用了基于离散光纤耦合光子计数采集的仿计算机断层成像扫描方式, 在保障高灵敏度和大动态范围测量的前提下, 可有效提高系统的空间采样分辨率; 同时采用了基于光开关切换四通道串-并混和的测量模式, 兼顾了测量时间分辨率和系统性价比之间的平衡。为验证实验系统的有效性, 设计了可模拟小动物体内ICG代谢规律的动态仿体, 并结合实验室开发的荧光剂药代动力学直接重建算法, 实现了ICG代谢速率的重建。实验结果表明, 该系统具有较高的空间分辨率、灵敏度和量化性。

为降低近红外脑功能漫射光断层成像(DOT)固有的逆问题病态性, 并避免多模态方法的图像配准等问题, 提出了基于光学自导引提供先验功能信息的脑功能DOT方法(OT-DOT), 并发展了图像重构方法.模拟验证表明: 上皮厚度(TLT)已知时, OT-DOT获得的重构量化度(QR)约为传统DOT的4.2倍; 当TLT的估计误差小于±10%时, OT-DOT重构的QR值可达92%以上, 远远优于传统DOT; 噪声鲁棒性测试表明, OT-DOT与传统DOT的噪声鲁棒性相近.利用连续光DOT测量系统的仿体实验重构结果表明, 所发展的OT-DOT算法获得的重构结果优于传统DOT算法.

作为新型医学成像技术，数字合成X线体层成像(DTS)技术有助于分辨重叠的成像组织并精确定位组织病变。DTS技术采用重建速度快、图像质量高的滤波反投影算法重建出冠断面的断层图像。但由于DTS投影数据集的不完整性，因此利用滤波反投影算法重建出的图像其强度在旋转轴方向上存在着类似帽状衰减现象。分析了X线源锥束角度对DTS图像中轴向强度衰减的影响，在此基础上引入了一种反余弦加权的强度衰减的校正方法。为验证校正方法对降低DTS图像中轴向强度衰减的效果，利用搭建的DTS系统在不同的X线源锥角下对乳房仿体进行了实验。结果表明，该校正方法能有效地降低DTS重建图像中的轴向强度衰减程度。