扩散光学层析成像(diffuse optical tomography, DOT)作为一种基于内源对比(endogenous-contrast-based)机制的成像模式，已被广泛的应用于乳腺肿瘤诊断中。相比于传统的乳腺成像技术，乳腺DOT不仅具有更高的灵敏度和特异性，而且更加安全。然而，由于肿瘤组织与正常组织的血红蛋白浓度对比度较低，因此在缺少先验信息的情况下，DOT对早期肿瘤组织的灵敏度并不高，并且极容易受到正常乳房及其周围组织的影响。扩散荧光层析成像(diffuse fluorescencetomography, DFT)通过引入外源性的荧光染料，能够极大的提高对肿瘤组织的检测灵敏度。但是作为目前唯一经过FDA认证可用于人体的荧光染料，吲哚菁绿(Indocyanine Green, ICG)的荧光量子效率较低，从而导致检测周期较长并且容易受到生物体自荧光效应的影响。为了弥补DOT在灵敏性和DFT在特异性上的不足，通过分别使用DOT与DFT对乳腺组织进行成像，并利用DFT重建图像为DOT提供先验信息，从而提高DOT重建图像的准确度。根据所采集信号类型的不同，DOT可以分为三种测量模式：连续(continuouswave, CW)测量模式、频域(frequency domain, FD)测量模式和时域(time domain,TD)测量模式。其中，时域测量模式能够提供最为丰富的光学信息，但数据采集时间较长且测量系统较为昂贵。作为时域测量技术，时间相关单光子计数(timecorrelated single photon counting, TCSPC)技术能够灵活地测量光子到达时间，且具有很高的计数率以及很好的时间分辨率。同时，采用多通道设计的时域系统能够极大的缩短测量时间。此前，一套基于TCSPC技术的多通道时域扩散光学-荧光层析成像乳腺癌诊断系统已经搭建完成。但其中单光子计数模块并未得到充分利用，使得整套时域系统的结构较为复杂且成本较高。为了充分优化系统构成、降低系统成本，本文基于单光子计数模块的多维存储功能，对原有系统进行了改进。通过采用路由器为信号分配存储地址，实现了将不同通道的信号存入对应存储区域的功能，将原有的多个单光子技术模块简化为单个模块，从而大大简化了系统的构成。针对系统结构和功能的变化，提出了一系列滤光片组和与测量时间的优化方案，提高了所测信号的信噪比。同时，为了提高荧光光学参数的重建质量，对截断奇异值法和共轭梯度法进行了研究，并通过模拟实验验证了这两种求解逆向问题的方法在荧光光学参数重建中的有效性。最后，通过仿体实验以及二维和三维图像重建，验证了该改进后系统以及所研究的图像重建算法具有良好的二维及三维DOT和DFT成像能力。