X射线自1895年被发现以来便迅速在医学影像,工业无损检测等领域得到了广泛的应用。然而诸如生物软组织等由低原子序数低密度物质构成的材料对X射线的吸收作用非常微弱,传统的吸收成像方法无法在合理的剂量范围内得到高质量的图像。自上世纪90年代中期开始,依托先进同步辐射光源,X射线相位衬度成像技术逐渐发展起来。该技术利用X射线的相移信息成像,对弱吸收物质也能表现出非常好的成像衬度,有望克服传统吸收成像的缺陷,引领技术变革。过去三十多年已经有多种相衬成像技术被提出,这其中基于Talbot-Lau光栅干涉仪的微分相衬成像方法被公认为该领域具有里程碑意义的工作。该方法可利用大焦点,低相干性的普通实验室光源完成成像,使得X射线相衬技术第一次摆脱了同步辐射光源或微焦点光源的束缚,进而为其走出实验室,实现真正临床和工业应用提供了可能。另一方面,X射线光栅干涉仪实际上是一套多模态成像系统,可以同时提供吸收,微分相移和小角散射(又称“暗场像”)三种互补像,大大丰富了物质成像信息。本论文围绕X射线光栅干涉仪这一研究热门开展了一系列研究工作,包括:1.在国家同步辐射实验室搭建了一套基于几何投影方法的光栅相衬平台。该系统控制软件由LabVIEW开发,由于LabVIEW无法自动识别探测器生产商提供的开发包文件,我们通过动态链接库(DLL)技术,实现了系统控制软件和X射线平板探测器之间的通讯,进而实现了整个系统的数据采集自动化。另外,我们基于LabVIEW视觉模块开发了一套系统校准辅助软件。在系统校准时,两块光栅投影形成的莫尔条纹形态是我们判断光栅校准状态和进行下一步校准的重要依据,人眼判断效率低,精度差。我们开发的软件通过图像处理算法自动精确计算两块光栅形成的莫尔条纹的周期和角度信息,辅助实验者快速精确完成系统校准工作。2.提出一种基于光栅干涉仪的全新体成分测量方法。目前常用的体成分测量方法为双能X射线吸收测量法(:DEXA),它利用两种能量的X射线照射人体而建立两组方程,从而解算出人体骨骼和软组织的面密度。本论文的方法仅需要一个能量的X射线进行成像,它同时利用光栅干涉仪获取的吸收信息和微分相移信息,建立双组份方程,同样可以求解两种身体成分。我们先通过数值模拟在单能平行束X射线系统上验证了该方法的可行性,随后又通过设计制作人体体模,在日本东北大学多元物质材料科学研究所的Talbot-Lau系统上完成了相关实验,实验结果证明,本论文提出的方法可以精确求解两种体成分,特别是在求解软组织面密度时,测量精度明显优于DEXA方法。由于本论文的方法可以很容易在光栅干涉仪上实现,将大大拓展光栅干涉仪的应用范围。我们相信随着光栅干涉仪逐渐走向临床,该方法有替代目前常用的DEXA方法的潜力。3.面向临床和工业应用,我们提出了两种高速低剂量数据采集方法:连续滑窗交错法(CSWI)和正弦调制积分水桶法(SPM-IB)。连续滑窗交错法通过借鉴滑窗交错的思想,大大提高了连续扫描方法的投影重建数量减小了相衬CT重建的数据欠采样误差,数值模拟和实验结果均验证了该方法对图像质量的提升。随后,我们又提出了一种正弦调制的积分水桶方法。与通常采用的线性调制方法不同,该数据采集方法中,光栅的移动速度符合正弦曲线的规律。我们推导了四水桶值的SPM-IB方法的信息提取和分离公式,并给出调制参数的优化方法及结果。数值模拟实验验证了推导公式的正确性,计算结果还表明该方法对量子统计噪声有很好的鲁棒性。与传统的相位步进方法相比,SPM-IB方法由于光栅连续运动,是一种CT兼容的图像采集方法,同时由于图像采集速度明显提高,物体所受辐射剂量大大降低;而与我们之前提出的线性调制积分水桶法相比,SPM-IB方法可以减小甚至避免电机在启动和停止时的非线性问题,因此在CT成像或高速相衬成像等需要光栅多次高速往复运动的场合,该方法具有明显的优势。