1、近些年，隨著X射線光源性能的不斷進步，高靈敏度、高穩(wěn)定性的X射線探測器的開發(fā)，微納米級X射線光學元件加工技術的提升，精密機械平臺及控制系統(tǒng)的使用，基于波帶片的X射線顯微成像結合傳統(tǒng)CT方法得到的納米CT成像技術得到顯著地發(fā)展。其中，硬X射線納米CT具有強穿透能力、大焦深、高分辨、無需真空環(huán)境、包含多種材料吸收邊、三維成像等優(yōu)勢，已經在材料科學、微電子產業(yè)、環(huán)境工程、能源科學等眾多領域得到廣泛應用。軟X射線納米CT對于生物樣品具有天然的高

2、襯度、能夠保持樣品“鮮活”時的結構和形態(tài)等特性，已經應用于藥物研發(fā)、細胞機理、納米顆粒等諸多領域。因此納米CT成像技術具有其獨特優(yōu)勢，能夠彌補電鏡、光學顯微鏡等其它顯微成像手段的一些不足。
　　納米CT系統(tǒng)采集的投影數據需要經過數據預處理、三維重構、圖像分割、后處理分析計算等一系列的處理步驟，最終才能得到準確、清晰、有意義的信息。投影圖像的預處理是后續(xù)系列處理步驟的前期準備，需要校正采集的數據中存在的壞點、亮度不均勻、投影間光強不

3、相等、噪聲、轉軸偏差等。而三維重構是納米CT應用過程的最關鍵步驟，是把疊加的信息分離的過程，良好的圖像重構質量能真實反映樣品三維結構信息，也是進行后處理計算的前提。然而，三維重建常常面臨投影數據不完備的難題，在納米CT數據重建中，經常遇到投影角度受限的情況，因此迫切需要發(fā)展合適的重構算法加以解決。國家同步輻射實驗室于2007年左右建成了一臺硬X射線納米CT設備，隨后又建設了軟X射線納米CT設備，本論文結合平臺的數據特點，開展了以下幾方面

4、的工作:
　　1.總結了X射線納米顯微成像技術的優(yōu)勢和特性，并分別綜述了硬X射線納米CT和軟X射線納米CT的工作原理及主要光學元件的原理與參數。選擇了幾個典型例子來說明硬X射線納米CT具有的獨特優(yōu)勢:對硅酸鋅納米棒自組裝催化劑顆粒成像，內部結構與缺陷能夠清晰呈現，這是電鏡等其它成像手段所不能的;對鋰離子電池中的氧化銅電極進行鋰化-反鋰化過程原位動態(tài)成像，氧化銅顆粒等隨電池充放電過程的變化被清晰記錄;對有絲分裂的酵母細胞成像，體現了

5、相襯成像模式下，硬X射線納米CT對生物大樣品能成高襯度像的能力。為了展示軟X射線納米CT的應用價值，我們分別選取了牛痘病毒感染細胞、瘧原蟲感染紅細胞、藥物對細胞的作用、免疫金標記的干細胞、微凝膠顆粒與油滴顆粒相互作用等進行成像的例子，同時還列舉了其與熒光顯微鏡聯合成像，以及應用于近邊X射線吸收光譜成像等來體現軟X射線納米CT目前的應用領域。
　　2.發(fā)展了多種納米CT圖像預處理算法。對投影數據進行一系列的預處理，提出了基于金顆粒點

6、軌跡追蹤、中心骨架提取，并進行中心骨架的正弦曲線預估與位移校正，來達到轉軸自動校正的目標;根據投影數據特點，在單幅投影光強均衡化的基礎上，提出了不同投影間光強均衡的方法，使得所有投影更加均勻;針對投影中空白部分（背景）進行閾值濾波，減少誤差，達到背景“干凈”的目標，為三維重構、后期分析處理等打下良好基礎。
　　3.研究CT成像的基本原理，分析比較了傳統(tǒng)濾波反投影算法和迭代重構算法的特點及不足;并分析了納米CT成像數據特點，研究了能

7、突破奈奎斯特采樣定理的壓縮感知理論。在此基礎上，我們改進并發(fā)展了適用于納米CT數據的基于全變分的納米CT重構算法。并通過一系列模擬數據來對比在投影中含有噪聲，以及投影角度稀疏、投影角度受限等數據不完備情況下，算法與傳統(tǒng)重構算法的重構效果好壞;還對硬X射線納米CT上采集的投影角度受限的酵母細胞數據，及從軟X射線納米CT上采集的投影角度受限的碳納米管數據分別采用基于全變分的納米CT重構算法與傳統(tǒng)重構算法進行了重構并對比分析，發(fā)現前者優(yōu)勢明顯

8、。
　　4.針對納米CT、工業(yè)CT、電鏡等斷層成像中經常遇到的離散樣品重構問題，本文在充分研究分析了現有的離散斷層重構算法的基礎上，著力于解決現有算法對樣品灰度先驗知識的過分依賴，以及當圖像灰度數量增多時，重構質量下降明顯的問題。本文提出了一種以每個單獨區(qū)域作為一個研究對象的多灰度圖像離散斷層重構算法，算法繼承了離散斷層重構算法對投影角度受限強耐受力等優(yōu)點的同時，還避免了對圖像灰度先驗知識的依賴等劣勢。通過一系列實驗驗證了算法的穩(wěn)