软X射线纳米三维显微CT成像技术对于生物学、医学、材料科学等领域有着无可替代的重要作用。水窗波段软X射线细胞成像,不需要对生物细胞样品进行干燥脱水、染色、切片等步骤,直接就能对生物细胞样品进行快速冷冻,保持细胞的“鲜活”状态,进而就能对生物细胞样品进行无损、非侵入式地观察。因此水窗波段的软X射线纳米三维显微CT成像技术,非常适合细胞成像。为了提取软X射线纳米三维显微CT成像的有效信息,采集的冷冻细胞样品投影数据需要经过数据前处理、三维CT重构、图像处理计算分析等步骤。成像实验往往存在噪声、坏点、射线光亮度不均匀、旋转轴偏移等诸多问题,因此需要对冷冻细胞样品的投影数据进行前处理操作,以及合适的重构计算方法。细胞的三维重构图像往往难以识别细胞内部的亚细胞结构,假如结合其他辅助的成像手段,比如荧光显微镜,又会影响细胞样品的“原生”状态,因此,本文发展了基于软X射线纳米三维显微CT成像的细胞器识别方法,为后续重构数据的处理与分析建立了基础。另外,样品载具的空间限制,会致使投影角度范围受到限制,这会对最后的三维重构数据造成影响,因此本文针对多组分的离散样品,发展了针对角度缺失伪迹恢复的离散重构方法,无需样品灰度的先验知识与手动分割,实现了高精度重构。本文根据X射线纳米三维显微CT成像的特点,开展了以下的工作:1.本文总结了 X射线与物质作用的特点,介绍了软X射线纳米三维显微CT成像技术,展示了软X射线纳米三维显微CT成像技术的应用范围及成果。2.根据软X射线纳米三维显微CT成像设备数据采集的情况,介绍了数据前处理的流程,包括扣背景、去除坏点、除噪、旋转轴对准、光强均匀化等。发展了基于多个特征基准参考点的高精度对准方法,实现转轴的高精度对准;根据细胞样品背景冰层的特征,发展了针对冷冻样品的投影数据光强归一化方法,使细胞样品投影图像的光亮度更均匀;发展了基于全变分代数迭代重构算法的优化方案,为后期的细胞样品数据重构打下基础。3.以软X射线与物质结构的相互作用为基础,基于细胞内部亚细胞结构的线性吸收系数,发展了对于软X射线纳米三维显微CT成像的细胞器识别方法。然后以产朊假丝酵母细胞作为实验样品,对两个细胞样品的软X射线纳米三维显微CT成像,验证了细胞器识别的方法,并对识别细胞器的三维空间数据进行了分析。4.在分析了目前的多灰度离散迭代重构算法局限性的基础上,本文发展了一种无需样品组分先验知识,也无需手动分割,主要针对角度缺失伪迹恢复的离散重构算法。算法结合了图像过分割方法、边界提取、数学形态学运算,定位、提取了投影角度缺失的伪迹区域,实现了图像的高精度重构。然后对本文的算法进行了一系列模拟实验,验证了本文的算法能够重构出更加准确的重构图像。然后进行了软X射线纳米三维显微CT成像实验,结果表明,对于成像实验数据,本文算法的重构效果仍然更为优异。