切伦科夫效应生物成像技术的物理机制与改进机理研究

摘要

分子影像技术是运用影像学手段显示组织水平、细胞和亚细胞水平的特定分子，反映活体状态下分子水平变化，对其生物学行为在影像方面进行定性和定量研究的科学。伴随着新技术的不断应用，分子影像技术已经成为最具有发展潜力的科学前沿领域。基于切伦科夫效应的生物成像技术近年来逐渐成为了国内外研究人员关注的一个热点。
　　本论文主要采用蒙特卡罗计算方法，模拟放射性粒子和切伦科夫光光子在生物组织中的输运过程，分析验证了切伦科夫光生物成像技术的物理机制和可行性，并探讨研究了量子点延长切伦科夫光波长改善生物成像效果的有效性及其物理机理。主要研究内容有：
　　（1）采用蒙特卡罗计算方法，模拟18F、131I、32P三种放射性核素在生物组织内的切伦科夫光产生、输运及成像过程，研究了切伦科夫光生物成像技术的物理机制和可行性，并探讨了影响切伦科夫光生物成像质量的因素及其规律。
　　（2）研究不同波长光学光子在生物组织中的运输过程。研究结果表明，将切伦科夫光光子波长“红移”至650nm以上的改进方法可有效增强切伦科夫光在生物组织中的穿透性，从而改善成像质量。并且通过实验研究，分析验证了CdTe量子点Stokes效应对改善131I切伦科夫光生物成像技术的有效性。
　　（3）研究放射性核素产生的β粒子、γ光子、切伦科夫光子与量子点的相互作用机理。研究结果表明，在量子点浓度相同的条件下，量子点激发产生的光子数与放射性核素活度呈线性变化关系；在放射性核素活度相同的条件下，量子点激发产生的光子数与量子点浓度呈线性变化关系；量子点激发产生的光子数随着放射性核素与量子点距离的变大呈指数减少趋势；切伦科夫光对量子点的激发贡献约占据总激发份额的20％，剩余的80%主要由β射线以及γ光子激发产生。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 切伦科夫发光成像

1.3 本文研究内容与主要工作

第二章 蒙特卡罗方法以及GEANT4软件介绍

2.1蒙特卡罗方法概述

2.2 Geant4的介绍

2.3 Geant4程序文件的构成

2.4 Geant4物理过程

2.5 本章小结

第三章 基于切伦科夫效应的生物成像技术理论验证

3.1 引言

3.2 切伦科夫光成像的理论依据

3.3 计算模型的建立

3.4 切伦科夫光生物成像质量的影响因素

3.5 本章小结

第四章 基于切伦科夫效应的生物成像技术改进方法探究

4.1 引言

4.2 半导体纳米颗粒——量子点的基本特性

4.3 增强切伦科夫光组织穿透性的模拟研究

4.4 增强切伦科夫光组织穿透性的实验探索

4.5 本章小结

第五章 量子点改进切伦科夫光生物成像技术的机理研究

5.1 引言

5.2 量子点改进切伦科夫光生物成像实验

5.3 核素产生粒子与量子点的相互作用机理

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文研究工作总结

6.2本文研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文