分子影像是本世纪初发展起来的生物医学成像技术，它可以在分子水平上实现生物有机体生理、病理变化的实时、无创、动态的在体成像，为研究特定基因功能、生物体生长发育、疾病发生发展和药物在体定量评估及动力学变化等提供信息获取和分析处理的有效手段。光学分子影像由于具有较高的探测灵敏度、较低的成本、方便易用等特点，已在生物学研究中发挥了重要作用。自发荧光断层成像(BLT)是光学分子影像技术中一种重要的成像模态，它通过精确定位自发荧光光源来定量的反映生物体分子细胞水平变化。　　 自发荧光断层成像理论上是一种病态的逆源成像问题，国际上的相关研究也刚刚起步。而且在高度非匀质活体生物组织中，光源发出的光子的散射和吸收进一步增加了光源的定位难度。相比于另一种光学成像模态，激发荧光断层分子成像(FMT)，虽然外部激发光源的缺省带来了更高的探测灵敏度，但是这也加重了自发荧光断层成像的病态，使重建问题更为复杂。因此，唯一、定量的对自发荧光光源进行重建和发展快速鲁棒的成像算法一直是需要进一步研究的内容，这需要本文作者从光学分子影像的前向和逆向问题两个方面进行深入的调研。为发展下一代多模态多光谱分子影像系统，本文的工作从成像理论、重建算法以及系统验证等多个方面对自发荧光断层成像技术进行了深入研究，主要内容包括：　　 1.发展了一种适合于在复杂生物组织中进行光子传播仿真的自适应有限元方法以及进一步完善了在体生物光学前向问题仿真平台(MOSE)。该自适应有限元方法利用易于表达复杂几何形体的四面体单元作为区域网格剖分的基本单元并利用后验误差估计的方法来选择部分网格单元进行局部细分。该方法还进一步考虑固有的剖分网格序列发展了BPX预处理子来加速仿真求解，从而在提高仿真精度的同时也改善了仿真的速度，通过分别与解析仿真结果和实验数据的比较显示了该方法的正确性和有效性。另外，通过验证MOSE平台对非匀质仿体仿真的正确性以及添加多光谱的仿真算法，进一步丰富和发展了MOSE平台的功能，为后续的工作提供了较好的基础。　　 2.提出了一种多水平自适应有限元光源重建算法。该算法利用自适应有限元方法融合了由单谱或混合谱测量的表面光强分布、重建区域的解剖结构以及光学特性参数信息确定的先验可行光源区域策略来解决光源重建中存在的重建质量与区域离散粗细之间的矛盾，并融合多水平的方法进一步改善了重建质量，提高了数值稳定性和有效性。在仿真实验中，通过考虑inversecrime问题，利用蒙特卡洛的仿真测量数据验证了该算法在单源以及多源下的重建能力，并进一步获得了毫米级的光源重建分辨率，显示了该算法的应用潜力。　　 3.提出了一种多光谱多尺度光源重建算法。该算法在前一种算法的基础上首先融合了多光谱测量信息来约束光源重建的可行解，进而发展了后验可行光源区域的策略，结合局部的网格细分实现了光源的多尺度重建。通过利用匀质仿体和microMRI获取的整体小鼠模型，评估了该算法对不同深度光源重建问题的有效性以及对光学特性参数误差的容忍性，从而验证了该算法更适宜应用于多模态多光谱的自发荧光断层成像系统。　　 4.实验验证了多模态融合对自发荧光断层成像的必要性。在自发荧光信号采集系统中，通过对具有两个自发荧光光源的非匀质仿小鼠仿体进行多角度非接触式的探测，利用多水平自适应有限元重建方法验证了microCT获得的解剖结构信息和光学断层成像方法获得光学特性参数信息对自发荧光光源重建的必要性，为下一代自发荧光断层成像原型系统的构建提供了较好的技术验证。