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计算机断层成像(Computed Tomography,CT)可以准确提供被扫描物体的断层结构信息,已被广泛应用于医学诊断、放射治疗和工业检测等领域。然而CT系统仍存在有待解决的局限,如传统CT扫描视野受限、剂量过量累积危害受检者健康,多能CT技术要求复杂、系统花费高昂等。如何充分利用现有CT设备有效解决以上局限具有重要实用价值。本文首先回顾了CT成像理论基础,介绍了传统CT成像系统和多能CT成像系统的经典数据采样技术和图像重建算法。针对在传统CT系统扫描视野受限时如何重建优质图像并降低剂量,以及实现多能CT采样与重建分别展开深入研究,并提出以下两种CT数据采样新技术及其重建算法:第一,针对传统CT系统被测物超出扫描视野时难以重建优质图像与过量剂量危害人体健康的不足,提出了一种基于分块扇束扫描的稀疏角度采样技术。该采样方法通过对探测器进行分块排列形成分块扇束,配合稀疏角度采样,以较低累积剂量获取有效投影。同时,配合基于该采样技术的图像迭代重建方法保证重建图像质量。仿真及真实数据实验结果表明,该方法可以有效地在被测物超出扫描视野的情况下以较低累积剂量重建优质CT图像。在不增加探测器总尺寸情况下,本文方法结构相似度达0.99,对比度噪声比平均提高约6倍,均方误差平均降低约95%。第二,针对快速管电压切换型多能CT系统对X射线球管的电压切换频率要求高的不足,提出了一种可在传统CT系统上实现的多能分段稀疏采样技术及其相应的图像迭代重建方法。该方法基于分段稀疏采样模式,通过交替分段采集多能投影数据,大大降低了X射线球管的电压切换频率。同时,设计了一种基于先验图像的联合约束迭代重建方法,保留结构边缘信息的同时有效抑制噪声及伪影。仿真及真实数据实验结果表明,本文方法可以有效降低球管电压切换频率并准确重建多能CT图像。与传统方法相比,结构相似度平均达0.98,对比度噪声比平均提高约5倍,均方误差则平均降低约56%。本文分别提出了两种数据采样新技术及其相应图像重建方法,前者有效地在被测物超出扫描视野的情况下以较低剂量重建优质断层图像,后者有效地降低了快速管电压切换型多能CT的技术要求与系统成本。本文的研究内容在方法可行性上已取得一些初步成果,临床实践应用仍有待进一步探究。