美国国家科学院、美国国立卫生研究院(NIH)等单位于2011年共同发出了迈向精准医学(Precision Medicine)的倡议,时任美国总统奥巴马于2015年正式批准了“精准医学计划”,以推动个性化医疗的发展。我国为全面落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》相关任务时设立了“精准医学研究”重点专项,建立创新性的研发疾病诊断、治疗等疗效评价和分析技术体系。为此,我国刚迈入十三、五计划发展时期,就先期启动了国家重点研发计划“数字诊疗装备研发重点专项”,其中,新型成像前沿技术是该计划重要研究内容之一。毋庸置疑,医用X-CT成像新原理、新技术及新方法将成为当今迈向精准医学必不可少的重要研究热点和前沿技术及方法。据国内外新近研究证实,在肺癌高危人群中开展低剂量螺旋X-CT筛查乃是发现早期肺癌的有效方法,与常规胸片相比,可以降低约20%的肺癌死亡。可见,X射线CT(X-CT)在医疗诊断中起着举足轻重的作用。有鉴于此,本文是作者获得中国留学基金委“国家建设高水平公派研究生项目”(录取文号:201406050068,批件号:留金发[2014]3026)的资助下,依托美国国家卫生研究院(NIH)有关科研项目(US NIH/NIBIB Grant R01 EB016977、U01EB017140)和中国国家自然科学基金项目(项目编号:61201346、61401049)等科研课题,历经国外两年、国内两年取得的研究工作成果。尽管医学X-CT技术在医疗临床诊断中起着举足轻重的作用,但是X射线是一种电离辐射,过多或超量的X射线辐射,其对人体是有害的甚或会增加病人患癌的风险。论文以低剂量、稀疏投影、运动伪影的医学X射线CT成像关键技术为切入点,研究内容主要包括:(1)深入、系统调研了国内外医学X射线CT成像的原理、结构、方法及技术,明晰了医学X-CT成像理论、装备及方法技术的发展历程。阐述了欲清楚发现人体内部组织病变或病灶所面临的挑战,即,如何在存在干扰和限制条件下,重建出高质量的CT图像;如何在保证CT重建图像质量的前提下,尽可能减少人体的X射线辐射剂量或者开发出其他的诊疗方法来减少辐射剂量。在此基础上,确立了低剂量、稀疏投影、运动伪影的医学X射线CT成像关键技术研究思路。(2)研究分析了医学X射线CT成像稀疏投影重建方法。为了在稀疏投影的情况下仍可重建出高质量的CT图像,立足于X射线CT投影数据是典型的稀疏信号的原理,依据压缩感知理论,选取适当的正交变换,可以在稀疏投影的情况下重建出高质量的CT图像。基于此,针对压缩感知的正则化范数L1稀疏性不足的特点,将二分之一范数引入作为正则化范数L1/2,研究了基于二分之一正则化范数L1/2的CT稀疏投影重建算法。与常用的正则化范数L1相比,二分之一正则化范数L1/2可以更好的表达信号的稀疏性,并可在稀疏投影的情况下重建出了高质量的CT图像。针对传统全变差仅使用一个方向的梯度信息的缺点,引入了多方向全变差的概念,研究了基于多方向全变差的CT稀疏投影重建算法。与基于传统全变差的CT稀疏投影重建算法相比,多方向的全变差可以提供更多方向的梯度信息,确保了在稀疏投影情况下重建出高质量的CT图像。(3)研究了基于局部线性嵌入、无需模体的在线几何参数校正算法。采用原始投影数据,通过对重建图像的再投影,借助于局部线性嵌入对几何参数进行更新。基于此,利用中科院高能所提供的扇形束CT系统投影数据的几何参数进行了校正,同时,还利用美国伦斯勒理工学院Ge Wang教授实验室相位CT系统的CT几何参数进行了校正,二者都获得了较为精确的几何参数和清晰的CT重建图像。(4)研究了基于局部线性嵌入的病人刚性运动校正方法。针对病人刚性运动校正尚未简单通用的算法,在不需要外界运动感知设备的情况下,通过对重建图像的再投影,利用局部线性嵌入对病人运动参数进行校正。这是一种纯软件的病人刚性运动校正算法,将此算法应用于扇形束CT系统和锥形束CT系统的病人运动校正,重建出了高质量的CT图像。其中,锥形束CT系统的病人运动问题,乃是一般性的病人刚性运动,基于局部线性嵌入的病人校正算法,可以解决一般性的病人刚性运动问题。(5)研究了基于开关式立体X-CT成像系统的超低剂量肺部肿瘤量化方法。针对基于锥形束CT系统传统肺部肿瘤量化方法辐射剂量高、成本高的不足,仅利用数对投影条件下,通过在虚拟空间中植入一个椭球,以此对其进行投影。使用立体成像系统观察椭球的投影与肿瘤的投影是否重合,借以判断椭球的位置和大小是否与肿瘤的位置和大小相吻合。基于此,利用了美国麻省总医院提供的肺部肿瘤数据进行了仿真和实际数据实验,结果表明,此方法测得的肺部肿瘤的位置大小误差在1mm之内。本文研究工作涉及了核辐射剂量、X射线探测原理、精密机械扫描系统参数校正、光学立体成像、CT图像重建算法及数字图像处理和最优化模型,等等。研究工作成果综合了各学科研究工作的结晶,凸显了多学科交叉研究的优势。因此,开展面向病人的X射线CT成像关键技术研究,不仅具有重要而且深远的理论意义,而且还具有更为重要的潜在实用价值。