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本论文的研究主要围绕上海光源的X射线成像与生物医学应用线站进行，研究X光相衬成像技术在基础生物医学研究中的应用。本研究主要分为两部分：第部分是基于传播距离的X光相衬成像方法，第二部分是基于光栅的X光相衬成像方法。本论文首先围绕基于传播距离的X光相衬成像方法（也称为同轴相衬成像方法）进行方法学研究。首先，本论文研究超声微气泡在基于传播距离的X光相衬成像中的应用。“空气-组织”结构在X光同轴相衬成像方法中可以有效地改变X光的传播路径，在图像中产生边缘增强效应。基于此，本论文提出了X光相衬成像造影剂的概念，即利用超声微气泡的空腔结构将入射X光在探测器平面聚焦成个亮点，从而实现增强图像对比度的作用，例如显现血管结构。在研究中，本论文分别使用数字仿真和离体动物实验的方法验证超声微气泡作为同轴相衬成像造影剂的效果。然后，本论文研究海绵状结构的同轴相衬散斑图像的应用，提出种针对海绵结构的单次成像进行厚度测量的方法。在基于传播距离的X光相衬成像中，“空气-组织”结构会改变入射X光的传播方向。如果X光经过多个这种结构，例如肺泡组织，那么X光的传播方向会在定角度范围内散乱分布，在探测器平面呈现无规则的散斑图像。利用这种散斑图像，我们可以估算出正常肺组织的厚度，即利用单张相衬散斑投影图像估算肺组织厚度。该方法的个潜在应用是使用低辐射剂量的单张投影图像间接估算出肺部肿瘤组织的厚度，实现肿瘤生长的连续监测的目的。在初步的动物实验中，我们已经证实了该方法在监控小鼠肺癌生长中的效用。最后，本论文提出了种小鼠脑血管的相衬成像方法，同时实现高空间分辨率和优异的软组织成像能力。该方法分为两部分：样品准备和三维成像。在样品准备阶段，我们使用生理盐水进行小鼠脑血管灌注，然后使用福尔马林进行组织固定。样品准备好后，我们使用X光同轴相衬CT技术进行成像，并采用结合相位恢复算法的断层图像重建方法进行三维重构。实验结果显示，对脱水处理后的小鼠脑样品进行相衬CT成像，再采用适当的图像重建方法可以有效地获得高空间分辨率的脑血管网络及其软组织结构。在本论文的第二部分，我们在上海光源的X射线成像与生物医学应用线站搭建了基于光栅的X光相衬成像平台。为满足生物成像实验的需求，针对不同入射X光能量，我们分别设计了三套光栅组合。为测试该光栅相衬成像系统，我们分别使用标准样品和生物样品测试低吸收结构的成像能力，并与传统的基于吸收衬度的XCT成像系统进行对比。实验结果显示，我们在上海光源搭建的光栅成像系统可以精确的进行材料的量化测量，并且具有优异的软组织成像能力。使用该套光栅成像系统，我们首次在没有成像造影剂的帮助下观测到了小鼠的颈内血管。由于光栅CT成像需要在每个样品角度进行相位步进扫描，采集多幅投影图像。该过程非常耗时，通常是传统CT扫描几倍的时间。为解决光栅相衬CT成像慢的问题，本论文采用内交错式光栅CT数据采集方式，提出了种新型的图像重建方法，命名为内聚焦式图像重建方法，来解决内交错式光栅CT成像的图像伪影问题。该方法基于内交错式光栅CT数据采集方式，无需额外的机械运动和数据采集步骤。通过数字模拟实验和实际实验，我们验证了该方法的有效性。同时，本论文还将这种内聚焦式图像重建方法扩展应用到基于光栅的X光相衬Tomosynthesis成像中，以实现快速、低辐射剂量的光栅相衬Tomosynthesis成像。