X射线激发发光断层成像（XLCT）是一种新兴的混合成像技术，该技术可同时获得目标体结构信息和功能信息。然而，窄束XLCT重建图像虽然具有高空间分辨率，但X射线利用率较低，数据采集时间过长；锥束XLCT系统提高了X射线利用率，缩短了数据采集时间，但有限的探测角度导致图像重建质量相对较低。为解决上述问题，提高X射线利用率，高效实现多角度高灵敏数据采集，提出了一种基于光子计数测量的锥束XLCT系统，并通过仿体实验对其性能进行了验证。仿体实验结果表明，6个角度锥束照射模式下重建图像的相似度系数（DICE）可达50%，系统保真度（SF）和重建浓度误差（RCE）达到0.7以上，可实现3 mg·mL^-1以上的荧光物质质量浓度差距的重建。

扩散拉曼层析成像(DRT)结合了拉曼光谱的分子指纹特性和扩散光学层析成像的深度分辨能力，是一种新型的无标记在体三维光学成像技术。提出一种基于蒙特卡罗光子输运模型的DRT可行性研究方法，该方法应用互易原理建立了快速有效的拉曼数据模拟器，可对实验条件下不同信噪比的拉曼测量数据进行客观模拟，同时结合扩散荧光层析线性成像原理，实现多波段下薄层组织的拉曼光谱分析。通过开展178个波段下5种物质成分的薄层组织模型的模拟重建研究，表明线性DRT图像重建方法能有效构建多种成分浓度的三维空间分布。

首先研究了LOT中光线倾斜角度对光在组织体内分布的影响, 在此基础上设计并完成了压缩倾角薄层光学层析成像(cdaLOT)系统, 提出了矫正扫描振镜枕型畸变的新方法, 并发展了基于虚拟源-扩散近似技术和GPU的LOT快速图像重建算法.光路模拟结果表明, cdaLOT系统可使入射主光线倾角减小为传统LOT系统的1/2.cdaLOT系统将测量值与蒙特卡洛模拟结果的相对误差由传统系统的38%降低为18%, 从而缓解了实际测量方式和正向数学模型的不匹配性.仿体成像实验表明: 重建异质体的吸收系数、位置和形状与真实情况基本相符.

针对辐射率的漫射近似、P3近似等正向模型在描述小源探距离及低约化反照率介质下光子传输时存在的局限性，推导了用于小源探距离低反照率无限媒质中各向同性稳态点光源下辐射传输方程在P5近似下的解析解，并将P3近似、P5近似计算的辐射率分别和蒙特卡洛模拟结果进行对比.结果表明:在高约化反照率（0.97）条件下，P5近似和蒙特卡洛模拟结果的最大相对误差为13.17%，而P3为41.57%.在低约化反照率（0.69）条件下，最大相对误差分别为27.78%，286.70%.在其他光学参数下，P5近似与蒙特卡洛模拟的最大相对误差均小于P3.在P5适用的范围内舍弃最大特征根相关项，可以简化解析表达式，提高计算速度，且对P5的计算结果影响甚微.稳态辐射率测量系统仿体验证表明，在高、低约化反照率介质中的小源探距离下，由P5近似计算得到的辐射率和实验测量结果相符.

为了提高宫颈癌的早期筛查效率以合理分配医疗资源, 研制了基于光电联合检测的宫颈癌早期筛查系统.系统顶端放置的光电极手持探头采用电脉冲、红光、绿光及近红外光交替分时刺激宫颈组织, 通过光电激励和测量,计算得到组织的光电学特征参数——电压衰减常数和相对反射率, 用组织分类算法实现了宫颈癌变的判别.将313例临床检验数据与组织病理检验金标准比对, 建立了光电激励下组织响应临床数据库.组织分类结果表明, 光电联合检测方法比单独光或电的检测在灵敏度、特异性和总符合率上有较大的提高, 与组织病理检验结果的对比表明本文所研发系统总符合率达85.1%, 对早期宫颈癌的筛查尤其是落后地区宫颈癌的筛查具有重要意义.