随着人类基因组测序工程的完成和后基因时代的到来，以实现生物大分子水平上的活体生理和病理信息三维实时获取和定量分析为目标的分子影像技术得到高度重视和广泛研究，光学技术则因其在特异性、灵敏性和实时性等一系列重要指标上具有其它模态无法同时兼有的优点以及光学分子标记手段的日臻完善和多样性而倍受关注。光学分子层析是光学分子影像的最高实现形式，包括激发荧光层析（Fluorescence Molecular Tomography, FMT）和生物自发光层析(Bioluminescence Tomography, BLT)两种基本模态，其图像重建均采用基于光子传输模型与测量匹配原则的最优化策略。研究表明，成像目标体的光学结构信息对发光源的精确定位和定量有至关重要的影响，因此正确获取该信息是有效实现光学分子层析定量化和灵敏性的基础条件之一。本课题将目标体光学特性分区均匀性自然假设与"粗粒度"扩散光学层析(Diffuse Optical Tomography, DOT)原理相结合，探讨了能有效克服反演不适定性的目标体光学结构获取的“粗粒度”DOT新方法及其关键技术,主要包括基于辐射输运的任意复杂组织体光子输运先进模型以及形状和区域DOT理论等；研制了基于锁相光子计数模式和电子倍增型电荷耦合器件（EM-CCD）阵列测量模式的多波长连续光动态DOT/FMT/BLT系统；在完善Monte-Carlo数值仿真工具和固态仿体设计技术的基础上，开展了有效的方法和系统的模拟与仿体验证。该研究为建立多模态光学分子层析定量成像技术奠定了关键理论与技术基础。