对生物组织的光学参数,如吸收系数μa (absorption coefficient)、约化散射系数μs’(reduced scattering coefficient)等进行准确的测量,是光应用于医学领域基础研究和临床应用的前提条件,是用光作诊断和治疗的研究热点之一。目前应用于光学参数研究和近红外光成像的主要测量方法有连续光法、频域法和时间分辨法。而基于时间相关的单光子计数技术(Time-correlated Single Photon Counting ,TCSPC)可以在单一源和探测器距离下提供比连续光法和频域法更多的信息,能够有效的区分出吸收系数和散射系数的贡献。此外,与传统的医学诊断和成像设备(如x射线、脑电图、核磁共振)相比,近红外光成像不仅可以直接获取组织体的功能信息,还可以实现对活体组织的无损伤及实时的探测和成像,特别是在时间分辨测量条件下能够实现快速、高灵敏度的组织体功能信息的获取。因此,TCSPC技术是测量生物组织光学参数及近红外光医学成像诊断的强有力的方法。本文主要研究了时域TCSPC的基础理论,并在国内外TCSPC系统的基础之上,设计、搭建和调试了一套基于TCSPC技术的测量系统,用来获取生物组织的光学参数,并进一步探讨TCSPC技术在近红外光医学成像诊断方面应用的可行性。在该TCSPC测量系统的基础上,开展了一系列的实验研究工作:首先,设计了快速简单的系统时间原点的校正方法。其次,选用基于时间扩展曲线的平均飞行时间和方差的特征参数法进行光学参数反演,因为此算法具有快速简单的特点,适用于组织体光学参数的活体测量。然后,进行了一系列的液体、固体模型实验研究,并应用该TCSPC测量系统来检测人体前臂肌肉的光学参数和血氧饱和度生理变化。通过大量的模型和人体实例实验,验证了系统和算法完全能够承担活体测量组织体光学参数任务。由于时间扩展曲线的特征参数(如峰值、光强、平均飞行时间,方差等)对组织体的吸收系数和散射系数的变化反应灵敏,使基于该TCSPC测量系统的光学直接成像成为可能。文中第五章详细介绍了基于液体模型的直接成像实验研究,结果表明了该系统应用于扩散光学透射二维成像的可行性,为测量系统后续应用于光学层析成像和荧光分子成像奠定了基础。