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恶性肿瘤疾病如今已在全球范围内,成为对人类健康最严重的威胁之一。统计数据显示,中国每日确诊的癌症患者超过一万人。实现对肿瘤的精确检测与治疗,对于人类共同对抗肿瘤疾病而言有着重要的意义和积极的作用。但是因为肿瘤疾病在发生发展过程中的复杂性极高,肿瘤诊疗精度的提升面临着严峻的挑战。近年来广受关注的契伦科夫光学分子成像（Cherenkov luminescence imaging,CLI）为肿瘤精准诊疗新方法的研究及转化应用提供了新的技术手段。作为一种新型的光学分子成像模态,CLI成像具备了高分辨率、高通量等多种优势;同时,由于以放射性核素药物作为探针,CLI成像还兼具了核医学成像的灵敏度高、临床可用探针丰富的重要特点。因而,CLI成像的发展和应用广受各界研究者和临床医生的关注。不过,在实践探索的过程中,CLI成像也暴露出了光信号强度弱、易受干扰等局限性问题。为了进一步增强CLI成像在体检测肿瘤病灶的能力及其实用性,本文紧密结合临床中的实际需求,基于临床现有可用的分子探针,分别从成像方法、成像系统、生物医学应用三个重点环节协同开展研究工作,重点探索了 CLI成像用于肿瘤三维定位与手术导航的新策略。1、通过融合CLI光学成像与CT结构成像开展的契伦科夫光学断层成像（Cherenkov luminescencetomography,CLT）能够有效地反映出在体肿瘤的三维空间位置及其立体形态。本文将深度学习方法与CLT成像有机融合,提出了一种新型的多层全连接神经网络（multilayer fully connected neural network,MFCNN）CLT 方法。该方法利用深度网络模型直接分析内部光源与表面光信号之间的复杂联系,有效地避免了光传输建模与求解过程中的计算误差,为CLT肿瘤检测精度的突破提供了新的思路。经过仿真验证,MFCNNCLT方法得到的单光源重建结果中,光源定位误差降低至0.20 mm以内,并且光源的空间形态也得到了有效重建（Dice系数可达0.90）。而在活体小动物上,MFCNNCLT得到的肿瘤在体三维检测结果与MRI、PET和组织病理都保持了较高的一致性,展示出新型MFCNNCLT方法能够准确、可靠地实现肿瘤的在体三维检测。2、在检出肿瘤的基础上,本文继而根据临床手术治疗的需求,分别研制了新型的内窥式 CLI（endoscopic Cherenkov luminescence imaging,ECLI）成像系统以及开放式的CLI手术导航系统。借助对成像元件通光率和采集噪声的针对性改善,所构建的ECLI成像系统能够快速适配临床现有的腹腔镜,并以较高的空间分辨率（62.5 μm）实现对62.9kBq/mL低剂量18F-FDG的高灵敏度光学检测。在小动物活体水平进行的肝肿瘤手术导航中,ECLI成像结果准确地反映了肝肿瘤的在体分布情况、揭示了肿瘤边界,有效引导了肝肿瘤的术中精准切除。而对于开放手术,针对其手术视野大的特点,根据临床操作规范,构建了能够有效克服环境干扰的在体CLI手术导航系统。该系统中集成可见光彩色成像和CLI成像两种通道,为开放式手术的实施提供高分辨率（55.68 μm）的组织结构影像和高灵敏度（19.61 kBq/mL18F-FDG）的CLI影像。对大动物结直肠肿瘤模型实施的手术导航中,该系统在开放式手术中准确地在体检出原位结直肠肿瘤及膀胱与卵巢器官的转移病灶,并从定性与定量的不同角度共同引导了肿瘤病灶的有效切除,为开放式手术切除效果的提升提供了重要的辅助手段。并且,大动物水平的在体实验还进一步展示了实施CLI光学手术导航的安全性以及较强的临床可操作性。3、在生物医学应用方面,本文通过医-工交叉深入合作的形式,面向肝肿瘤的手术治疗,开展了 PET成像、契伦科夫能量转移成像（Cherenkov radiation energy transfer,CRET）、共聚焦显微内窥成像（confocallaserendomicroscopy,CLE）三种成像模态相融合的新型PET-CRET-CLE跨尺度手术导航。利用临床18F-FDG与11C-CHO放射性核素和荧光素钠（fluoresceinsodium,FS）作为分子探针,PET-CRET-CLE分别基于不同的原理、从不同视角进行肿瘤病灶检测,为肿瘤手术提供了宏观-微观等全面的影像信息。在活体动物实验中,PET-CRET-CLE由宏观向微观递进,逐步揭示了肿瘤的侵犯范围、病灶定位及边界,显著提高了肿瘤切除的精度,展现出较高的临床转化潜力。另一方面,本文将可见光成像、近红外一区成像（the first near-infrared window,NIR-Ⅰ）和近红外二区成像（the secondnear-infraredwindow,NIR-Ⅱ）三种谱段联合,借助临床可用的光学探针设计了多谱段光学手术导航,并与临床团队合作进行了临床试验。入组23例肝肿瘤患者的实验结果显示,可见光-NIR-Ⅰ/Ⅱ多谱段光学手术导航的应用,能有效辅助临床医生发现术前影像未能检出的肿瘤病灶,特别是NIR-Ⅱ谱段的光信号显著地提升了对肿瘤小病灶的检测能力。总体而言,本文通过成像方法、成像系统、生物医学应用三方面的协同创新,主要研究了 CLI光学成像在肿瘤检测以及手术治疗中的效用。这三个方面的研究相辅相成、互为支撑,形成了较为完备的研究主线;并通过医-工交叉合作,实现了小动物-大动物-人体逐步深入的应用验证和临床转化。