随着生物医学工程技术和计算机技术的发展，医学影像学为临床诊断提供了多种模态的医学图像。PET/CT一体机是目前肿瘤诊断和放射性治疗最先进的仪器，能够同时获得PET图像，CT图像和PET/CT融合图像，尤其适用于肿瘤的早期诊断。但由于CT和PET扫描时间的差异、胸腹部脏器运动以及呼吸运动的影响，尽管得到的PET图像经过了CT衰减校正，仍旧存在误配准和形变。为了保证诊断的精确性，对联合扫描得到的PET图像和CT图像进行精确配准是极其重要的。本文介绍了图像配准的基本框架和主要理论知识，并对相似性测度、几何变换、插值方法、优化算法、多分辨率策略和配准评估方法做了详细介绍。在配准过程中图像冗余信息会增加计算的复杂度并影响配准精度，为了方便配准的进行，根据PET/CT图像的特点，分别对PET和CT图像进行了预处理。使用B样条插值方法提高PET图像的分辨率，使用形态学变换去除CT图像的扫描床信息。配准算法主要研究了仿射配准算法和弹性配准算法。仿射配准主要是在采用归一化互信息为相似性测度，仿射变换为几何变换方式的前提下研究各优化算法对配准精度和速度的影响，主要研究了粒子群优化算法、单纯形优化算法、遗传算法和梯度下降法，实验结果证明几种优化算法各有优缺点。同时也得出仿射配准方法不能配准PET的变形图像。由此提出基于多层次变换和多层次优化的弹性配准方法，该方法结合刚性变换和B样条变换，分别使用单纯形优化算法和LBFGSB优化算法来提高配准速度和准确度。实验结果证明：提出的弹性配准算法能够对PET图像产生的形变和误配准进行校正，在准确性上比使用单一变换和单一优化的方法有较大优势。医学图像后处理和图像配准是医学图像分析领域非常重要的课题，设计一套实用的医学图像配准系统，实现配准的可视化，可以大大提高科研工作者和医护人员的工作效率。基于上述图像处理和配准算法，联合ITK、VTK和Qt设计了一套医学图像处理及配准系统，能够实现二维、三维以及序列医学图像的读取、存储和显示，能够实现各项图像处理功能（包括滤波、形态学变换、重采样、边缘检测、图像格式转换等），能够实现多模态图像刚性配准和弹性配准，在实际应用中用户可以根据不同的需要选择不同的配准方法和参数，能显示最终图像配准结果。经测试，系统操作简单，交互友好，适用于医学影像和科研工作者。