在研究活体细胞结构的动态变化和生理活动时,无需造影剂的显微镜是最理想的观测手段。折射率是物体固有的对比源,同时也是一个重要的生化参数,与分子的浓度成正比。利用对折射率分布的定量测量,细胞在化学药品或者药物作用下形态的变化以及它们正常的生理活动都能够在自然状态下进行监测。断层相位显微镜(tomographic phase microscopy, TPM)是一种基于定量相位显微镜(quantitative phase microscopy, QPM)技术对近乎透明的生物样本进行三维折射率分布测量的一种新型显微镜。本文从三维定量相位显微镜的系统设计出发,对将三维定量相位显微镜系统应用于循环肿瘤细胞(circulating tumor cells, CTCs)的检测所面临的一些技术问题如测量极限和图像重建算法等方面进行了一系列新的尝试。另外,在图像分析技术方面也进行了探讨。论文的主要贡献如下：一、在相位显微镜的基础上成功搭建出三维定量相位显微镜系统,获得了较高的空间分辨率和准确的折射率表达。并将其成功的应用于活体生物细胞折射率分布的测量,得到了单个HeLa活体细胞的结构分布图。随后,我们制作了复杂结构的样本,包括单层聚苯乙烯微珠、双层聚苯乙烯微珠和双层HeLa活体细胞。利用三维定量相位显微镜系统对其三维折射率分布进行探测,并对其成像能力进行评价。二、进行仿真实验,合成了三维微珠模型以及细胞模型(三维修正Shepp-Logan模型)的散射场模拟数据,为相应的图像处理算法研究提供了基础。在图像重建过程中,我们分别采用了相位投影近似下的滤波反投影算法和考虑衍射作用的衍射层析算法,并对两者的图像重建质量进行了比较,同时也对衍射层析相位显微镜中的Bom一级近似和Rytov一级近似模型进行了比较,为针对不同样本选用合适的重建算法提供了指导。同时,针对图像重建过程中由于缺失锥问题带来的图像分辨率下降和折射率偏低等问题,我们采用了迭代约束的方法来提高图像质量。三、发展了一种面向对称结构图像的分析方法,实现了对结构对称但有缺损的图像的自动化分析,并成功应用于真实实验数据的处理。