生物组织对光(特别是近红外光)通常表现为高散射、低吸收的特性,光子在生物组织中的传输可以携带出组织的生理信息。扩散光学层析成像使用非电离、低能辐射源而不是放射性同位元素源对病人和医生都更为安全,由于这些优点,近年来这种成像技术作为一种新颖的医学成像技术得到了不断发展。针对传统的基于像素的成像方法在重建时的严重病态性,本文主要讨论了基于形状的成像原理和实验方法,假设组织体各器官的光学参数均匀分布,用少量的参数描述组织器官的位置和边界形状及其内部的光学参数。本文的主要内容包括扩散方程数值求解方法、基于形状的图像重建算法、数值模拟和实验验证三个主要环节。采用扩散方程作为光在组织体中的传输模型,扩散方程是由一种更精确的确定模型——辐射传输方程的一阶球谐近似。由于边界元法只需对组织体的边界进行离散,使所考虑的问题的维数降低一次,节省数据的准备工作量和计算量且计算精度高的特点,使其更适合于基于形状的扩散光学层析成像重建技术的数值求解。扩散方程边界元解的有效性和合理性通过与有限元解比较获得初步验证。扩散光学层析成像重建算法问题数学上被视为一个基于光子传输模型的应用优化问题,即应用适合的搜索策略寻求光学参数的合理空间分布,以实现测量与模型估计量之间的最佳匹配。本文采用微扰法求解重建算法所需的雅可比(Jacobi)矩阵,对目标函数进行线性化近似,把反演问题归结为一个线性系统的迭代求解过程,应用Levenberg-Marquardt方法进行迭代优化。本文将讨论的方法进行了二维模拟验证,并对噪声鲁棒性进行了测试。基于时间分辨的实验系统,将测得的实验数据应用于基于形状的扩散光学层析成像重建技术进行重建,图像重建结果与实际情况相符,且验证了模拟实验结果,并对实验结果进行了讨论。