显微CT可实现物体内部结构无损检测,相比于临床CT有更高的空间分辨率,被广泛应用于小动物扫描、骨参数定量测量分析、药物筛选测试等研究领域。显微CT在重建过程中将多色X射线近似等效为单色,因此重建结果表示的是不同能量下的平均衰减系数,忽略了其能量分布相关的信息,导致重建图像组织对比度偏低,且会产生硬化伪影。双能CT是一种新型CT成像技术,是近年来CT领域最新研究方向之一。双能CT采集被扫描对象两个不同能谱下的投影数据,利用物质在不同X射线能量下衰减系数的不同来提供比常规CT更多的影像信息,因此可用来抑制硬化伪影、提高组织对比度,且可以将其应用在被扫描对象内不同物质的识别上。本文以显微CT为对象,通过对已有CT双能成像方法的调研,提出并实现一种准确、稳定、高效并在实际中可用的显微CT双能成像算法。研究内容包括以下四个步骤:1、对双能CT投影域分解算法展开研究。基于极大似然估计的多能CT投影域分解算法,对“冠状动脉粥样斑块硬化诊断”这一临床应用进行了多能带检测仿真,实现高原子序数元素的K边缘成像,证明能谱CT成像方法相比于单能CT成像方法的优势。基于自研显微CT系统,实现了基于参数模型的钨靶X射线源能谱测量,选取碘、金造影剂进行了实际数据双能成像实验,验证了投影域极大似然估计的双能分解方法对造影剂识别的有效性。2、对双能CT迭代重建算法展开研究。针对投影域双能分解方法在扫描物体组成成分复杂且能量带较少情况下会造成图像伪影的问题,实现了ASD-NC-POCS迭代重建算法,并针对算法收敛速度慢的问题进行了改进。仿真实验验证了算法在基物质分解上的有效性,相比于原算法迭代8000次,改进算法迭代20次能实现物质分解,有效提高了ASD-NC-POCS算法的收敛速度。进一步,在自研Micro-CT系统上完成双能成像实验,验证了改进ASD-NC-POCS算法在显微CT双能成像中的可行性。3、在改进ASD-NC-POCS算法基础上,为进一步降低基图像的噪声,对CT成像的噪声模型进行研究,实现了基于噪声模型的改进ASD-NC-POCS迭代重建算法。数值仿真和显微CT实际成像结果表明,基于噪声模型的改进ASD-NC-POCS迭代重建算法能一定程度上抑制基图像噪声。4、对双能方法在显微CT成像中的应用展开研究。针对显微CT成像中图像硬化伪影和组织对比度低的问题,通过虚拟单能成像方法进行解决,实验结果表明显微CT双能成像方法能抑制图像硬化伪影,并一定程度上提高组织间对比度。此外,针对“肺纤维化疾病干细胞示踪”这一应用课题,进行了“小鼠肺部碘造影剂示踪”和“金纳米颗粒标记干细胞体外示踪”两组实验,结果表明双能方法能提高显微CT物质分解和造影剂识别及示踪能力。