X射线相衬成像(phase-contrast imaging, PCI)技术是新近出现的高衬度和高空间分辨率的成像技术。和传统X射线成像技术相比,它可满足生物软组织微观成像条件,获得软组织丰富内部的微观结构细节。近年来,相衬成像与CT的结合产生了相衬CT技术。结合相衬成像技术的优势,相衬CT能够极大地提高图像的衬度,获得软组织的高分辨率CT图像。此外,结合三维可视化技术,相衬CT能够在不注射造影剂的情况下获得生物样品的三维内部微观结构。本课题借助相衬成像技术的信息提取和CT重建,获得了样品的高质量图像及三维微结构。目的在于丰富和加深相衬成像理论与方法,探索相衬成像及其图像处理在生物医学应用中的新途径。衍射增强成像(diffraction enhanced imaging, DEI)和类同轴相衬成像(in-line phase-contrast imaging, ILPCI)是目前研究和应用广泛的相衬成像技术。通过在北京同步辐射装置和上海光源分别进行DEI和ILPCI实验,本文研究了DEI的信息提取方法,并利用ILPCI-CT技术获得了高分辨率的人体肝细胞癌CT图像,重建了相应组织的三维结构,结合病理切片研究了肝细胞癌的微观结构和病理特征,主要研究内容如下：1.DEI的衬度机制主要来自于样品对X射线的吸收、折射和小角散射。如何从图像中分离出不同的衬度是DEI的潜在应用关键。利用摇摆曲线的高斯拟合,本文提出了一种改进的信息提取方法,即IDEI(improved DEI)方法。仅需要利用三个位置处的图像,IDEI方法就能准确地分离出样品的吸收、折射和小角散射信息。IDEI方法是EDEI(extended DEI)方法的改进。比较起来,IDEI方法能很好地克服EDEI方法对摇摆曲线进行二阶泰勒近似的缺点。而且,和多图统计法(multiple image radiography, MIR)相比,IDEI仅需要三个输入图像,无疑降低了样品的成像时间和辐射剂量。此外,通过对IDEI模型误差分析进一步研究了引起图像错误的因素。最后,利用计算机模拟和同步辐射实验数据对研究进行了验证。2.利用ILPCI-CT技术,获得了肝癌组织的CT图像和微血管的三维形态,并结合病理切片进行了分析。此外,结合基于相位恢复的相衬CT技术,推导了生物组织的密度与其相位系数的表达式,从而获得了生物组织各处的密度分布,并利用肝癌组织中的微血管CT图像和三维结构,从密度分布角度分析了癌栓和血栓差别。3.研究了不同分化的三维梁索结构显示和分析。首先,利用ILPCI-CT技术重建了肝细胞癌样品的CT图像,并通过和对应位置处的样品切片图像进行对比,证实了ILPCI-CT技术的高度敏感性。其次,对于梁索间没有血浆充斥的组织,结合ILPCI-CT和三维可视化技术重建了肝窦三维结构,同时根据肝窦与梁索结构间的关系,对不同分化程度梁索结构的比表面积与梁索间距进行定量分析,很好地描述了不同分化的肝细胞癌梁索结构和病理特征。最后,对于内含血浆的梁索结构,利用三维纹理分析方法来研究细胞癌梁索结构,研究结果表明,能量、惯量、和的均值以及和的熵4个不同的纹理参数均能清楚地区分不同分化梁索三维纹理特征。