针对具有复杂形貌的大面积组织体，基于空间频率域方法，提出并搭建了一种具有在线形貌矫正能力的绝对光学参数测量系统.首先利用相位轮廓术获取组织体三维表面轮廓，用余弦辐射公式法矫正由组织体表面复杂形貌引起的光照度的差异.然后，采用漫反射板代替传统方法中的参考仿体，基于空间频率域测量模式进行绝对光学参数测量，并利用提出的光学参数反演方法实现组织体吸收系数的重建.组织仿体实验结果表明，对于表面高度小于29 mm的仿体，经矫正后，吸收系数的测量相对误差从60%下降到13%.

在乳腺扩散光学层析成像中，L1-范数正则化的引入大幅改善了重建图像的质量，但目标函数的不可导性使得最优化过程异常困难。提出了一种新的基于非负约束L1-范数正则化的重建方法。非负先验信息的引入使得目标函数的一阶梯度变得简单易求，最优化过程得以简化和加速。数值模拟和仿体实验均表明，相对于传统正则化重建方法，该方法可简单、快速地获得更高质量的重建图像。

基于电子倍增电荷耦合器件探测器搭建了面向小鼠活体非接触式测量的荧光扩散光层析成像系统,为了避免复杂的焦点矫正计算并降低逆问题的病态性,提出一种新的电荷耦合器件平板探测器信息提取及扩展方法,并根据信息提取方法发展了非接触式荧光扩散光层析成像图像重建算法.通过大量仿体荧光扩散光层析成像实验,证明当提取的信息对应于圆柱域投影的1/2、且将信息提取域分解为3个子域时重建可获得最好的效果.制备了皮下植入荧光目标体的活体小鼠进行荧光扩散光层析成像实验,与显微CT成像结果的对比表明：搭建的系统结合所发展的图像重建算法能够较好地重建出活体小鼠内荧光目标体的位置和浓度,有望应用到小鼠肿瘤模型的荧光层析成像中.

为增强乳腺扩散光学层析(Diffuse Optical Tomography, DOT)方法的实用性，提出了一套稳态扩散荧光光学联合断层成像系统与算法.系统采用基于光开关切换的串并混合门控光子计数检测模式，可有效实现测量时间、灵敏度和系统性价比之间的平衡；算法以图形处理器加速的蒙特卡洛光子输运模型为基础，采用了荧光DOT“导航”的血氧DOT图像重建策略，通过利用高对比度荧光DOT的先验位置信息，可有效改善血氧DOT图像重建的不适定性.仿体实验结果表明，与单独DOT方法相比，此联合方法可明显提高图像重建的定位准确度和定量性.

为解决含有低散射、高吸收和空腔区域组织内扩散方程光子输运模型的不适用性，发展了基于图形处理单元(GPU)加速的任意复杂组织体光子输运的蒙特卡罗建模方法。在此基础上，提出了基于蒙特卡罗正向模型的时域荧光扩散层析广义脉冲谱技术法。模拟结果表明，与扩散方程相比，基于蒙特卡罗模拟的时域荧光扩散层析对含有低吸收高散射、低吸收低散射、高吸收低散射、高吸收高散射和空腔异质体的复杂组织体中荧光目标体的位置和形状都进行了更准确的重建，从而验证了这种荧光图像重建方法的通用性。