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关键词： 重金属   食品   单波长激发   X射线荧光   多元素  

摘要： 重金属污染一直是食品安全重点关注的问题之一,实验室常用的的食品中重金属检测方法是以质谱和原子光谱技术为主的液体进样检测方法,这些方法通常都存才前处理复杂,操作步骤繁琐,且硝酸、过氧化氢等化学试剂的使用量较大,因此无法用于食品的快速检测。基于以上问题,本实验研究为满足食品中重金属快速检测需求,基于单波长激发能量色散X射线荧光光谱法,建立了食品中多种元素固体进样的快速检测方法。研究结果显示,本检测方法样品前处理简单,固体压片直接进样且对样品无损检测,操作简单,灵敏度和精密度能够满足食品快速检测的需求,多种元素总检测时间600 s,仪器仅10 kg,可为食品的现场、快速筛查提供有效的检测方法。本文主要研究内容和研究结果如下:(1)制备大米成分分析参考样品,并对参考样品进行赋值。本文制备5个浓度的大米成分分析参考样品(As、Pb、Cd),并对参考样品的均匀性、稳定性进行了验证,进行了3家实验室的联合定值及标准品不确定度的计算。(2)使用标准曲线定量方法,建立大米中As、Cd、Pb检测方法。确定仪器条件As、Pb在管电压30?、管电流350?、检测时间200 s;Cd在管电压70?、管电流100?、检测时间200 s具有良好的检测效果。确定样品过60目筛、3 g样品量在15 MPa保持60 s时具有最优检测条件。绘制了As、Pb、Cd的标准曲线且曲线的线性回归系数R均大于0.99;方法的检出限为As:0.08mg/kg、Cd:0.07 mg/kg、Pb:0.06 mg/kg能够满足大米快速检测要求。大米样品11次重复测试的RSD为值为5.50%～7.18%均小于10%,加标回收率为95.3%～109%,对9个大米实际样品进行了本方法与标准方法的比对,两种方法检测结果的相对误差在-14.66%～8.85%范围。(3)应用基本参数定量方法,建立食品-蔬菜中多种元素的检测方法。建立了食品-压片类-蔬菜中As、Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Rb、Mn的检测方法,确定了元素的检测条件,对蔬菜粉末样品上机条件进行了优化,确定样品量2 g在15 MPa保持60 s时具有最优检测条件。蔬菜样品中多元素的LOD为0.07～0.32 mg/kg,蔬菜样品多次测定的RSD在3.0%～10.0%,回收率在80.0%～119%,具有良好的检测精密度和准确性。(4)验证基于基本参数法建立的食品-压片类检测方法在大米中Ad、Pb、Cd的检测。验证了食品-压片类在大米中As、Cd、Pb检测的精密度和准确度,大米样品11次重复测试的RSD为值3.3%～9.2%均小于10%,校准后加标回收率为97.8%～110%,对9个大米实际样品进行了本方法与标准方法的比对,两种方法检测结果的相对误差在-6.2%～9%范围,具有良好的检测精密度和准确性。

关键词： 原子核   结构演化   势能面   形变自由度  

摘要： 本论文主要是在宏观-微观模型理论框架下，基于多维势能面（或Routhian）计算方法在不同形变空间下对原子核结构演化的研究。主要内容包括以下部分:一、考察三维形变空间（β2,γ,α4μ=0,2,4）或（β2,γ,β4）中形变自由度及转动对超重核裂变位垒的影响，比如研究势能面、势能曲线、单粒子能级等随原子核形变及推转频率的演化特征;二、研究考虑了反射不对称形变自由度的四维形变空间（β2，β3,β4,β5）中不同形变自由度对原子核势能面及势能曲线的影响。　　本工作基于接近原子核真实平均场的经验Woods-Saxon势，利用柱坐标系下谐振子波函数作为基矢波函数线性叠加得到Woods-Saxon波函数，以136Sm为例，研究了费米面附近单粒子能级随不同形变自由度β2，γ，β4和推转频率(h)ω的演化特征以及费米面附近波函数组成成分。计算结果表明形变和推转可以在不同程度上影响单粒子能级的排列，并且推转会破坏哈密顿量的时间反演对称性而使得能级发生旋称劈裂，分析发现科里奥利力对高j低Ω轨道有较大的影响。另外还基于Strutinsky方法、BCS方法或者Lipkin-Nagami方法、一维主轴推转近似和宏观液滴模型分别考察了微观壳修正、对关联、转动能和宏观能量的演化情况。　　其次，通过多维势能（或Routhian）面计算方法对超重核256Sg在裂变路径上的结构演化性质进行了预测，其中采用了经验形变Woods-Saxon势。计算出256 106Sg150及其邻近核（258,260Sg,254Rf和252No）的核形变和裂变位垒，并与其他理论结果进行了比较。在三轴形变γ以及不同的十六极形变（比如，α40，α42和α44）方向上，给出了一系列势能面和势能曲线图，用于评估相应的形状不稳定性。结果表明，三轴形变有助于核绕过轴向的第一个裂变位垒。在核势能面的第一个极小值之后，原子核的裂变路径会受到γ形变和十六极形变自由度的影响。此外，还简要研究和讨论了微观单粒子结构、对能和科里奥利效应。　　再者，目前的形变空间扩展到了包含轴对称和反射不对称形变自由度的四维形变空间（β2，β3,β4,β5）中，并且可以使用不同的宏观液滴模型去计算总势能面。计算给出了四维形变空间下不同形变自由度组合的势能面以及不同宏观液滴模型计算给出的势能面。此外还给出各部分能量的势能面和势能曲线信息，发现壳修正对总能量影响较大。

关键词： 半导体材料   有机-无机杂化钙钛矿   纳米线   荧光光谱   激子复合  

摘要： 有机-无机杂化钙钛矿是一种载流子扩散长度长、吸收系数高的直接带隙半导体材料，常用于光电探测以及发光二极管等器件的制造。材料的光电性质与其晶体结构有着密切关系，改变温度和压力条件可以改变原子间距和晶体结构，引起材料电子能带结构和光电特性的变化。本文利用超快荧光光谱手段研究有机-无机杂化钙钛矿中典型材料CH3NH3PbBr3纳米线的超快激子复合过程，通过改变激发光功率密度、变温、高压的方式分析结构与光学性能之间的关系，探索CH3NH3PbBr3纳米线的激子复合机理。主要内容如下：　　（1）研究了不同激发光功率密度下CH3NH3PbBr3纳米线的稳态和时间分辨荧光光谱。发现激发光功率密度较低时样品荧光动力学只有一种衰减成分，而在激发光功率密度较高时存在两种衰减成分，提出长寿命归因于本征激子复合，短寿命归因于缺陷复合。在高激发光功率密度下缺陷俘获载流子几率增大导致缺陷复合过程体现出来，因此存在两种寿命成分。　　（2）研究了变温条件下CH3NH3PbBr3纳米线的稳态和时间分辨荧光光谱。发现随着温度升高CH3NH3PbBr3纳米线晶格膨胀，并发生正交相→四方相→立方相的结构相变，导致荧光峰位先蓝移再红移再蓝移，荧光光谱发生展宽。荧光峰位在150K附近突变，是源于正交相到四方相的结构相变，正交相和四方相晶体荧光峰位随温度升高蓝移是源于晶格热膨胀，高温区谱线展宽源于激子-声子相互作用。时间分辨荧光光谱发现，低温正交相材料中的激子受本征激子复合和缺陷态复合共同影响，高温四方相和立方相中只有本征激子复合。　　（3）研究了高压条件下CH3NH3PbBr3纳米线的稳态和时间分辨荧光光谱，发现CH3NH3PbBr3纳米线在加压过程中发生立方相→四方相→正交相的结构相变。结构变化导致峰位发生先红移再蓝移再红移的变化，峰位的红移是由于加压使[PbBr6]4-八面体收缩，Pb-Br键长变短;荧光峰位蓝移归因于加压导致八面体倾斜与旋转，晶体发生由立方相到四方相的相变。3.5GPa之后光谱展宽为宽带白光是由于自陷激子发光，6.14GPa以上晶体逐渐非晶化导致发光强度大大减弱直到荧光淬灭。分析时间分辨荧光光谱发现立方相和四方相只有本征激子复合通道，而在高压正交相中缺陷复合通道占据主导地位。

关键词： 溶解性有机物   循环水养殖系统   三维荧光光谱分析技术   微生物群落  

摘要： 工厂化循环水养殖系统（Recirculating Aquaculture System,RAS）综合运用机械、化学、电子信息等先进技术,将现代生物学理论与生物工程技术相结合,实现全天候高密度水产养殖。在RAS高密度养殖模式下,饲料的投喂量和粪便的产生量巨大,饲料和粪便中有机质含量较高,导致养殖水体内的溶解性有机质（Dissolved Organic Matter,DOM）不断积累。循环水中的DOM具有难以生物降解、易产生异味和色度、影响微生物生长等特点,会给水质处理和鱼类生长增加不确定因素。DOM为微生物提供了营养物质,但过多的有机物质会导致微生物过度生长,从而影响生态平衡和循环水的水质。因此,在循环水处理过程中,需要对DOM的来源、组成和变化进行系统的分析,探究水质变化与DOM动态变化的相关性,同时对微生物群落结构的演替规律进行分析,阐明微生物在DOM动态变化过程中的作用,探索DOM在水质净化过程中的作用过程及相关机制,以提高循环水的处理效率和保障水产动物的健康。本研究将主要借助三维荧光光谱分析技术（Excitation-Emission Matrix,EEM）和平行因子分析（PARAFAC）来表征探究RAS中DOM来源及组成,评估RAS中的有机负荷,同时结合水质指标、微生物群落分析影响因素,探索DOM在水质净化过程中的作用过程及相关机制。首先,通过实验室摇瓶试验,探究饲料和粪便对循环水中DOM组成及含量的贡献。第二,以未配置水处理系统的中试规模养殖系统为研究对象,关注DOM在中试系统内的累积过程与各水质指标、微生物群落的响应关系,探索DOM积累对水质变化的影响过程及影响因素。第三,以配置水处理系统且正在运行的石斑鱼养殖系统为研究对象,观察RAS中DOM的动态变化与各水质指标、微生物群落的响应关系,阐明DOM动态变化对循环水净化效果的影响程度及机制。为RAS的高效运转和鱼类生长安全提供理论支撑。主要研究结果如下:（1）通过实验室摇瓶试验发现,2小时内有机物被迅速溶解,有机碳、氮和磷的含量迅速增加,NH-N含量超过了鱼类生长的适宜范围。饲料的溶解对水质的影响更大。GCMS结果显示,饲料和粪便溶解后DOM的成分随时间推移而改变。饲料中的主要溶解有机物是有机酸,粪便溶解首先释放胺和有机酸,随后是各种酮类有机物。EEMs结果显示有三个特征区域:I区的酪氨酸、II区的色氨酸和IV区的溶解微生物代谢物。饲料溶解后,荧光峰向IV区红移,IV区物质增加。粪便的荧光峰向II区蓝移,类蛋白质物质增加。PARAFAC结果显示,饲料和粪便都由五种成分,这些成分以前已经被确定。（2）中试系统中的DOM变化规律明显。EEMs显示DOM主要集中在T峰,激发和发射波长都有红移,说明结构中有高分子量和高芳香基团的物质生成。PARAFAC分析出4个组分:类富里酸C1、类色氨酸C2、类腐殖酸C3、类胡敏酸C4。20天内NH-N浓度与时间增加成正相关（R=0.98）。其他指标呈现不规则波动。EEM荧光强度与水质因子TN（R=0.90）、NO-N（R=0.86）、NH-N（R=0.72）、TP（R=0.56）成正相关,与NO-N呈负相关。说明含氮物质的增加会导致荧光信号增强。丛毛单胞菌（Comamonadaceae）、弯曲杆菌属（Flectobacillus）、水生杆菌属（Aquabacterium）、短波单胞菌属（Brevundimonas）、剑菌属（Ensifer）、噬氢菌属（Hydrogenophaga）与EEM以及5种组分成负相关。说明它们在DOM累积过程中对C1、C2、C3、C4的利用速率大于生成速率,促进这些菌属的新陈代谢可以有效降低养殖水体中DOM类物质。（3）RAS中DOM处于动态平衡中。生物滤池中EEM荧光强度与NH-N（R=0.85）、TP（R=0.85）呈正相关。经PARAFAC分析后的组分C1（A峰）和组分C2（T峰）与NH-N和TP呈正相关,组分C2的相关性高于组分C1。DOM各组分与TOC的相关性均较低。NH-N是RAS中主要氮素指标,而TP中包含了60%以上的有机磷,可有效指示生物滤池内DOM变化。养殖鱼池中的NH-N、NO-N、TP与EEMs强度呈高度正相关。NH-N和TP与PARAFAC分析后的组分C1（A峰）、组分C2（T峰）、组分C5（H峰）呈显著正相关性,相关性系数是0.50、0.68、0.40和0.65、0.65、0.53。养殖池内NH-N和TP的主要来源是粪便和残饵水解,由此推断C1、C2、C3的增加主要是粪便和残饵的水解导致的。养殖鱼池内芽孢杆菌属（Bacillus）、不动杆菌属（Acinetobacter）、鞘氨菌属（Sphingobacterium）、金黄杆菌属（Chryseobacterium）与EEMs强度呈显著

关键词： 复杂结构件   潮湿颗粒电解质   电化学机械抛光   离散元仿真   X射线  

摘要： 复杂结构件因具有功能集中、高性能、轻量化等优异特性，在航空航天、船舶军事、生物医疗等领域被大量应用。但因复杂结构件具有多个自由曲面、孔类等难加工特征，使得传统的抛光工艺难以对其表面进行充分抛光。为解决复杂结构件表面抛光的难题，提高复杂结构件的表面质量，本文提出了一种潮湿颗粒电解质电化学机械抛光技术（Moistparticleelectrolyteelectrochemicalmechanicalpolishing，MPE-ECMP），并研究了该抛光工艺抛光铜件的试验研究。利用电化学静态蚀刻及动态抛光等方法对纯铜工件进行了抛光处理。利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）、三维轮廓仪、X射线光电子能谱仪（XPS）及电化学工作站等检测分析方法，研究了表面的微观形貌、显微组织特性及电化学性能。本文主要研究内容及结果如下：　　（1）提出潮湿颗粒电解质电化学机械抛光（MPE-ECMP）方法，建立MPE-ECMP电化学体系并进行电解质颗粒的选用;搭建MPE-ECMP的抛光试验装置;并通过电化学工作站的LSV及i-t曲线研究该方法的电化学行为;首次提出潮湿颗粒电解质静态电化学蚀刻的方法，并研究电化学的蚀刻作用对工件表面质量的影响。　　（2）通过潮湿颗粒电解质电化学蚀刻试验，进行电化学的材料去除机理研究;测定电解质颗粒与铜板的LSV极化曲线及i-t曲线，发现MPE-ECMP在加工过程中没有钝化区出现;当施加0.135V的极化电位时，在0～20s存在双电层充电现象。通过SEM对表面形貌进行分析，发现工件表面形成了蚀刻坑，随着蚀刻时间的延长，工件表面晶界逐渐被腐蚀，铜去除方式由晶粒溶解变为晶粒松动脱嵌。电解质颗粒对铜的电化学材料去除机理归纳为：①电化学开始初期，铜粗糙峰表面开始溶解，Cu2+以扩散控制为主要方式进行传质，短时间内接触液膜会富集Cu2+，形成Cu2+富集层，同时少量Cu2+扩散进入电解质颗粒表面以及内部，被固定在骨架上的功能基团-SO3-吸附。在极化电势作用下，电化学蚀刻初期工件晶界少量被腐蚀;②电化学蚀刻中期，工件表面晶粒少量被溶解，Cu2+以扩散的形式进入电解质表面以及内部离子迁移通道里，被固定在骨架上的交换基团-SO3-化学吸附;③当电化学蚀刻时间过长，工件晶界大量被腐蚀，晶粒逐渐松动，这时铜的去除形式主要以晶粒从工件脱嵌并嵌入电解质颗粒中，随着电解质颗粒的运动被携带走。　　（3）探究工艺参数对接触特性、表面粗糙度、表面形貌的影响规律;通过离散元软件EDEM探究工件的倾斜角、转速等工艺参数对颗粒流态、接触数量等接触参数的影响;结合工艺试验探究抛光电位、倾斜角、转速、抛光时间对表面粗糙度和表面形貌的影响规律;研究结果表明，不同倾斜角下电解质颗粒基本都呈U形运动轨迹，与工件距离越远的电解质颗粒运动速度越慢。工件倾斜角为30°时，电解质颗粒与工件之间的接触数量最多，可以有效避免“无接触区”的产生。工件转速为80r/min时，电解质颗粒与工件之间的接触数量最多，接触力最小。工件转速的增加减少了工件与电解质颗粒的接触数量，增加了法向以及切向接触力;MPE-ECMP的极化曲线中没有很明显的钝化区，这与电解质颗粒与工件的点接触特性有关;当电位在0~1.0V时，随着电位的升高，工件表面粗糙度降低;在1.0V时表面生成残留氧化物。工件转速为120rpm时表面粗糙度最低，随着转速的增加，表面粗糙度呈振荡变化;在30°倾斜角时工件平均表面粗糙度为Sa35.79nm，表面粗糙度最低;随着抛光时间的增长，表面粗糙度呈周期性变化，在1.5h时表面粗糙度最低。最终在抛光电位0.8V，工件倾斜角30°，工件转速120rpm，抛光时间1.5h的工艺参数下，表面粗糙度由Sa433.51nm降低为Sa35.79nm，表面粗糙度降低91.7%，实现了MPE—ECMP对铜的镜面抛光。

关键词： 温度重建   浓度重建   吸收光谱层析图像   多头自注意力机制   卷积神经网络  

摘要： 燃烧是当代社会能源获得的主要方式，为了提高燃烧效率，减少燃烧产生的污染，实时掌握燃烧的过程变得至关重要。随着机器学习的发展与可调谐二极管激光吸收光谱层析成像技术(Tunable Diode Laser Absorption Tomography,TDLAT)的提出，人们对重建算法的效率、精确度、普适性要求日益提高。为了更加准确地进行燃烧诊断，本文围绕基于深度学习和激光吸收光谱的温度和浓度分布重建算法进行研究，文章的主要内容如下：　　首先，本文设计了基于Swin Transformer的温度成像方案。本文以整个燃烧场作为感兴趣区域，根据有限数量的激光吸收测量值重建出整个燃烧场的温度二维图像。该方案使用了跨窗口的多头自注意力机制，以此来捕获激光路径吸收值中丰富的近距离和远距离特征，完成信息之间的交互，增强关键特征的表现力，从而达到了提高燃烧场中温度重建精度的目的。　　其次，本文设计了基于卷积和自注意力机制的渐进式温度成像方案。该方案为整个燃烧场重建出两幅分辨率不同的温度分布图像。方案中的网络运用卷积和自注意力模块分别提取特征并对提取出的信息进行融合，解决了单独使用卷积层所面临的全局感受野缺失问题，同时也解决了单独使用自注意力模块可能会面临的局部表征不足的问题，进一步提高了燃烧场温度重建的精度。　　最后，针对实际燃烧诊断中温度和浓度同时成像的需求，本文设计了基于SwinU-Net的温度和浓度同时成像方案。该方案同时重建出燃烧场中温度和浓度的二维分布图像。方案中的网络通过不同尺度的特征图来获取丰富的上下文特征，通过深层次和浅层次之间的跳跃连接来增强图像重建的过程，从而有效地提升了燃烧场中温度和浓度同时重建的精度。

关键词： 三文鱼   micro-CT   3D打印   豌豆分离蛋白   魔芋胶   质构  

摘要： 三文鱼(Oncorhynchus)作为一种大型经济鱼类,蛋白丰富、风味鲜美、富含多种微量元素,越来越受到国内消费者的欢迎。近年来,由于过度捕捞、海洋环境污染以及整鱼利用率低等因素,植物基三文鱼替代物研究受到广泛关注。目前,植物基三文鱼替代物生产存在蛋白含量低、质构与真实三文鱼肉相差较大的问题。3D打印技术由于其微观到宏观的跨尺度制造特点,已被应用于开发植物基海鲜替代物,可以对打印产品结构进行个性化定制,但是仍然存在模型仿真度不够、打印精度低等问题,难以实现结构仿真。因此,本文以显微断层扫描(micro-CT)作为主要手段,辅以光学显微技术对真实三文鱼肉进行多尺度结构解析,并通过Avzio软件对三文鱼多部位组织结构进行三维可视化、定性分析以及定量计算,构建了可打印的肌肉组织模型和支架模型。同时以豌豆分离蛋白、魔芋胶、胡萝卜粉为主要原料,分析确定物料的流变参数与原料可打印性和成型性之间的关系。在此基础上,通过调色、优化打印参数、提高打印精度(350μm)并调控模型结构,研发了弹性和粘性接近真实三文鱼肉的植物基替代物(蛋白质含量15%,w/w)。相关研究内容和结论如下: (1)优化micro-CT前处理条件,结合光学成像技术对三文鱼肉进行多尺度结构解析和质构评价。结果表明:使用3.75%IKI溶液对三文鱼肉染色7天后,进行micro-CT扫描可以获得良好的组织对比度,保留较为完整的组织结构;三文鱼肉具有肌膈、肌束膜、肌内膜的多层级组织结构,肌纤维具有各向异性,三文鱼腹部有明显脂肪沉积形成大理石纹路,尾部肌膈结构变窄、肌纤维短而密;三文鱼不同部位结构与质构密切相关,其中硬度与肌膈宽度显著负相关,弹性与肌节宽度显著正相关,胶着性与肌纤维长度显著正相关。 (2)通过Avizo软件对三文鱼不同部位micro-CT扫描数据进行三维可视化分析和计算,并对背部高分辨率(3μm)数据进行建模研究。结果表明:使用Avizo软件进行灰度矫正可以改善micro-CT扫描时由于X射线硬化产生的图像体素不均匀现象;计算体积分数得出三文鱼背部、腹部、尾部的非肌肉组织(结缔组织、脂肪、失水产生的空隙)体积占比分别为35.17±3.52、37.23±4.27、41.39±1.56%;基于高分辨率micro-CT扫描数据,直径为117μm的单根肌纤维数据被成功分离,构建的三文鱼真实肌肉结构模型和支架模型具有高还原度和各向异性。 (3)以豌豆分离蛋白(PPI)、魔芋胶(KGM)、胡萝卜粉为主要原料复配高蛋白含量3D打印原料体系。首先确定了胡萝卜粉和水的比例,改变PPI和KGM的浓度并分析其3D打印特性(可打印、无法成型、堵塞、团聚)。其结果表明:表观粘度(η)、屈服应力(τy)、储能模量(G')反映了油墨的机械强度,机械强度过高导致喷头堵塞,过低则导致无法成型;屈服应变、剪切恢复特性代表了油墨内部的稳定性,更低的屈服应变和更高的剪切恢复特性可以提高打印后的稳定性,反之油墨则会在喷头处出现团聚;KGM浓度提高(1-5%,w/w)有利于油墨形成网格凝胶,PPI浓度提高(5-15%,w/w)有利于增强油墨与水结合能力,过高(20%,w/w)则影响KGM与水形成凝胶。 (4)对优选的PPI15KGM5配方进行调色并研发质构相似的3D打印植物基三文鱼替代物。结果表明:添加橘黄色色素(0.1%,w/w)可以使油墨获得类三文鱼的颜色,对3D打印挤出性和成型性无显著影响;打印初始高度和喷头移动速度对打印线宽和成型性影响显著,高精度打印(350μm)可以提高打印结构稳定性;通过调控模型填充度和打印精度,500μm喷头40%模型填充度的产品粘性和真实三文鱼接近,500μm喷头70%模型填充度产品的弹性和真实三文鱼肉无显著性差异。

关键词： X射线   能谱CT重建   张量字典学习   张量分解   稀疏性   低秩性  

摘要： 基于光子计数探测器的X射线能谱CT(Computed Tomography)技术相较于传统的XCT技术,在能谱信息的获取和对材料组分的准确表征方面具有显著优势,对于生物医学成像、安全检查、无损检验等应用领域的新型发展有着重要意义。但能谱CT的能谱通道狭窄且光子计数有限,使得投影数据存在较大噪声,导致重建图像质量易受噪声和伪影的影响,影响能谱CT技术的实际应用。传统重建方法仅关注单通道图像的相关性,忽略了多通道图像间的关联性,影响图像结构的准确恢复。为了捕捉能量通道间图像的相关性特征,提高重建准确度,基于张量模型的重建算法相继被提出。尽管目前的算法已取得显著成效,但对能谱图像相关性的特征表征还不充分,在能谱图像噪声抑制、伪影去除及图像结构恢复方面仍存在不足,影响图像质量及后续的材料组分表征。为此,本文在现有重建算法基础上,进一步研究能谱单通道空域内和多通道谱域间图像的相关性特征,开展基于张量分析的能谱CT图像重建算法研究,使重建算法更加有效可行。本文的研究内容如下:(1)针对张量字典学习在稀疏角度重建容易丢失图像边界和细节的问题,提出了一种基于增强约束性张量字典学习的能谱CT重建算法。该算法首先利用了张量字典学习充分挖掘CT能谱图像各通道间相关性的优点;其次联合全能谱图像的高信噪比特点和图像梯度L范数保护图像边缘的优势设计一体化的正则项,进一步增强单通道图像域中的稀疏性约束。在仿真小鼠和实际小鼠数据集上验证了算法的性能,实验结果表明本章算法能有效地保留图像边缘特征和细节结构,同时抑制了图像噪声,提高重建图像质量。(2)针对基于张量字典算法重建得到的图像质量严重依赖于训练张量字典样本,而在实际中很难获得高质量的预训练全局张量字典的问题,构建了一种总广义全变分(Total Generalized Variation,TGV)约束的张量分解能谱CT图像重建模型。在张量体的构造过程中,算法利用图像的非局部相似性特征构建四阶张量体,以CP(Canonical Polyadic)张量分解代替预训练张量字典来探索图像的通道相关性;同时引入TGV正则项表征空域稀疏性特征,高阶导数的使用可以更好地适应不同的图像结构和噪声水平。在仿真小鼠和实际小鼠数据集上验证了算法的性能,实验结果表明本章算法能更好的抑制伪影和噪声,并且有利于细小图像结构的恢复。(3)针对Tucker和CP张量分解算法无法在张量空间中做到低秩性和稀疏性统一的问题,提出了一种联合KBR(Kronecker-Basis-Representation)张量分解和全变分TV(Total Variation)一体化的能谱CT图像重建算法。该算法利用KBR张量分解同时探索三阶图像张量的低秩性和稀疏性,统一了张量空间的稀疏性度量;单通道图像域引入TV正则项一方面可以有效地进一步抑制张量分解过程中图像块聚合引起的伪影,另一方面在提升图像质量的同时不再过度增加算法运行时间。在仿真小鼠和实际小鼠数据集上验证了算法的性能,实验结果表明本章算法能更好的恢复图像结构特征,并且有利于伪影和噪声的抑制。

关键词： 深部肿瘤成像与治疗   纳米闪烁体   X射线   多模态成像   协同治疗  

摘要： 目前,临床癌症研究的热点问题是深部肿瘤的诊断和治疗。解决该问题的棘手之处在于开发具有高组织穿透性的肿瘤精确成像和有效治疗手段以及诊疗试剂。最近十几年来,科研人员陆续发现了可用于光声成像(PAI)和光热治疗(PTT)的具有近红外二区(NIR-II)光谱吸收纳米材料,用于核磁共振成像(MRI)的含钆(Gd)、铁(Fe)等元素的纳米材料,可用于计算机断层扫描(CT)与放射疗法(RT)的含有高原子序数的纳米材料和可用于X射线诱导光动力疗法(X-PDT)的掺杂镧系元素的纳米闪烁体。这些技术手段由于光源在生物组织内的高穿透性,在深部肿瘤的成像与治疗中具有巨大的潜力。纳米材料经过表面修饰可具有多模态成像功能和协同治疗功能。本论文旨在探索可用于深部肿瘤成像与治疗的多功能纳米体系,研究新型多功能纳米体系及其在深部肿瘤成像与治疗方面的效果。本文的主要工作如下:(1)为了研究纳米试剂对提高深部肿瘤成像效果的影响,我们设计合成了钕(Nd)、钆(Gd)共掺杂氟化钙纳米闪烁体,并用于NIR-II与MRI多模态成像研究。利用简单的水热合成方法引入柠檬酸钠作封端剂共沉淀制备了Ca F/Nd(CN)、Ca F/Nd-Gd(CNG)纳米闪烁体,该纳米闪烁体在808 nm激光器激发下发射强1064 nm NIR-II荧光,并且在NIR-II成像系统中表现优良。随后,通过向CN中引入Gd破坏Nd-Nd团簇结构,增加游离的Nd数量,增强NIR-II荧光强度。由于CNG结构中引入了Gd,故其还具有T1 MRI造影能力,且r1值强于市售MRI造影剂。所以,CNG纳米闪烁体可用作NIR-II及MRI双模态成像,并且CNG-PEG NPs细胞毒性较低,在双模成像系统诊断时不会引起明显的生物毒性。(2)为了研究纳米试剂对提高深部肿瘤治疗效果的影响,我们成功开发了Ca F/Eu-PTX/VBBO(CEPV)纳米平台用于深部乳腺癌的X-PDT与化疗的协同治疗。CEPV是一种高灵敏度的多功能放射增敏剂,由于光源是X射线,因此可以突破组织深度限制。Ca F/Eu(CE)可以有效地将X射线转化为可见光,具有强X射线激发荧光光谱(XEOL),光敏剂维多利亚蓝(VBBO)的吸收光谱与之发射荧光波长几乎完全一致,实现了最大的荧光共振能量转移(FRET);选取的化疗药物紫杉醇(PTX)可以作为放射增敏剂,降低X射线使用剂量,增强X-PDT的效果。在X线照射下,CEPV表现出优于Ca F/Eu-VBBO(CEV)的治疗效果,这些巧妙的设计共同促成了X-PDT与化疗之间的有效协同作用。所以,CEPV是一种很有前途的深部癌症治疗策略的候选药物。