显微CT系统成像精度高、扫描速度快,在活体小动物骨结构、脏器组织、心血管系统和肿瘤模型成像上发挥着重要的作用,是基础医学研究的主要成像手段。随着技术的发展,显微CT活体小动物已能实现较高空间分辨率的成像,可观测细胞尺度下的精细结构(如小鼠骨小梁等)。但由于受X线剂量、噪声、探测器响应时间和运动伪影等多重因素的影响,显微CT在脏器、血管和肿瘤等小动物软组织成像中,存在着密度分辨率和时间分辨率不高的问题,限制了显微CT在研究中的广泛应用。为发挥显微CT的成像优势,需要对活体小动物组织和脏器的成像方法进行深入研究,在扫描参数、造影方式、门控技术及重建算法等方面进行优化,提高其密度分辨率和时间分辨率,使其不仅能实现活体状态下组织、器官和血管的高质量静态成像,还可实现心脏等运动器官的4D动态成像,使显微CT更好地服务于基础医学研究工作。基于上述目标,本文首先研究扫描参数对显微CT成像质量的影响。根据不同脏器及血管组织的成像特点,设计两种检测体模,利用不同尺度的对比度插块及特殊的排列结构,分别实现对脏器及血管组织的模拟;基于上述体模,探究射线源管电压、管电流及成像角度数对成像质量的影响。实验表明,随着管电流和投影角度数的提升,图像信噪比和对比度噪声比均得到显著改善,但辐射剂量和成像时间也相应增加;射线源管电压的增大,同样可提高图像信噪比,但也会影响物质的对比度。因此根据样本组织的不同特性制定不同的扫描策略,可一定程度提高成像的密度分辨率。为进一步提高活体小动物软组织的成像质量,本文对显微CT成像的门控技术和造影方式进行了研究。设计了一种基于微型摄像头和体表标记物的呼吸门控设备,并在此基础上实现一种多圈分段变速活体扫描方式。该活体扫描方式将扫描转速与呼吸频率相匹配,可在较短的扫描时间内,获取无呼吸运动伪影的CT图像。以该活体扫描方式为基础,进一步分析研究腹腔造影、静脉注射造影、静脉灌注造影等不同造影方式的增强效果。实验表明,腹腔造影可有效提高脏器间间隙的对比度,静脉注射造影和静脉灌注造影对肝脏、肾脏以及血管等脏器组织增强效果会更为显著。在此实验基础上,本文利用静脉灌注造影方式,获取了清晰的小鼠皮下肿瘤血管和颅内血管结构图像。为获取动物活体器官的动态4D影像,还需提高CT扫描的时间分辨率。本文探索了心电门控与重建算法相结合的显微CT心脏4D成像方法。为获取心电门控信号,设计了一种基于单导联心率监护前端AD8232和单片机模块430F5438A的心电检测装置。利用该装置获取心电信号后,配合本文所提出的基于先验图像约束的压缩感知心脏4D图像重建方法(PICCS-4D),通过设计相应的显微CT心脏4D连续扫描方式,实现心脏的4D成像。实验表明,传统的单步扫描方式和FDK重建方法所实现的心脏4D重建,存在扫描时间长、辐射剂量大的弊端,无法满足实际应用要求;PICCS-4D心脏成像方法在图像信噪比、图像质量、成像时间和辐射剂量等方面都具有明显优势。