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现代医学成像技术作为一种非侵入式的检测方法，通过提供人体组织、器官的结构和功能图像用于医学诊断，已经在人类生活中扮演着越来越重要的角色。医学成像技术一般分为结构成像技术和功能成像技术两大类。常见的结构成像技术包括X射线CT成像技术(X-ray Computed Tomography，XCT)，磁共振成像技术(Magnetic Resonance Imaging，MRI)，超声成像(Ultrasound Imaging)等。常见的功能成像技术包括功能性磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)，单光子发射计算机断层成像技术(Single-Photon Emission Computed To-mography，SPECT)，正电子发射断层成像技术(Positron Emission Tomography，PET)和光学层析成像技术(Optical Tomography)等。不同成像模态之间有很大的互补性。例如，XCT和MRI可以提供结构信息，但不能用于病理学诊断；SPECT、PET和光学成像技术可以提供细胞功能和新陈代谢的变化，却无法准确定位病变组织。多模态成像技术旨在融合不同模态的成像结果，从而为医疗诊断提供更全面的信息。本文着眼于融合X射线CT成像技术和光学层析成像技术。在伦琴发现X射线后，X射线成像就被应用于医学诊断。目前，X射线CT成像技术已经成为一种重要的高分辨率、非侵入式无创伤检测手段，广泛应用于无损检测和医学成像领域。光学层析成像技术近年来发展迅速，以其无辐射性、费用低廉正得到越来越多的重视。常见的光学层析成像模态有扩散光学层析成像(Difuse OpticalTomography，DOT)，自发荧光层析成像(Bioluminescence Tomography，BLT)，激发荧光分子层析成像(Florescence Molecular Tomography，FMT)等。本文主要研究了基于多模态成像系统的XCT几何参数标定方法、XCT精确重建算法及XCT/DOT双模态层析成像技术，具体内容如下：1.基于Kodak活体成像系统FX，引入了XCT和DOT成像技术。通过分析现有成像系统的关键参数及优缺点，设计了一整套系统改造方案，特别引入了物体多维运动机制和近红外光成像机制。2.研究了XCT几何参数标定与系统校正方法。首先，根据几何参数的来源不同，将所有参数分为耦合关系较小的三组，并分析确定了三组参数的标定顺序。其次，对每组参数，分别利用特殊模体给出了解析标定组内参数的方法，并用数值实验验证了方法的有效性。最后，结合CT系统，给出了参数标定与系统校正的具体方法、流程和实验结果。3.研究了双圆加直线轨迹的XCT精确重建算法。首先，结合系统空间狭小的实际情况，提出一种双圆加直线的扫描模式，使得重建算法所需图像可在有限空间内采集完成。其次，根据一般轨迹的反投影滤波重建算法，给出了双圆加直线轨迹的重建算法，并讨论了冗余数据的利用和投影微分的计算方法。最后，通过大量数值模拟和模体实验，验证了系统设计的可行性。4.研究了XCT/DOT双模态层析成像系统的设计实现。首先，根据DOT成像要求，给出了利用X射线标定激光束在物体表面的入射位置及强度的方法，并详细分析了XCT与DOT的关系。其次，设计了适合双模态成像的实验模体，其不同结构对X射线的吸收系数和对近红外光的吸收、散射系数均有一定区分度。最后，给出了双模态成像的实验结果。