基于扩散光的光学分子成像正成为生命科学研究及临床医学检测中的重要工具。在扩散光学断层成像中，由于组织内的多次散射特性及生物组织的复杂多样性等，如何建立一个既准确又高效的生物组织内光子输运模型是突破的关键。目前，研究者们开发了多种光子输运模型，如辐射传输模型、扩散模型、解析模型及蒙特卡罗模型等。这些模型中，基于蒙特卡罗方法的光子输运模型是具有准确性高、适应范围广、易于建模及求解等诸多优点的最佳方法。本文围绕如何把蒙特卡罗方法应用于扩散光学断层成像及荧光扩散光学断层成像这一核心问题展开了研究。　　在扩散光学断层成像中，本文建立了一种基于微扰原理的微扰蒙特卡罗方法，该方法将组织内光学参数的变化与光子在组织内的传输路径相联系，建立起相关联的解析关系。因此，在基于微扰蒙特卡罗方法的光子输运模型中，当组织内的光学参数发生变化时，不需要重复进行蒙特卡罗模型，只需要对已有的光子输运路径进行计算即可得到新的光子模拟结果。这种微扰蒙特卡罗方法在光子输运模型及断层成像中都能极大地提高计算效率。通过仿真实验与体模实验验证了该方法在光子输运模型及组织光学参数重建问题中计算准确性及高效性。　　在荧光扩散光学断层成像中，本文将微扰蒙特卡罗方法应用到荧光光子输运模拟中，建立了微扰荧光蒙特卡罗模型)。在该模型中，假定荧光的路径与激发光的路径重合，并通过荧光光子路径将组织内荧光系数的变化与探测器上接收到得荧光强度相关联起来，建立起相对应解析关系。这种pfMC模型使得组织内荧光团分布变化时，不需要多次重复进行蒙特卡罗模拟，并极大提高了蒙特卡罗方法应用于荧光扩散光学断层成像的效率。通过仿真与仿体实验，我们验证了该方法的准确性及高效性。　　在pfMC方法中，荧光光子路径与激发光子路径相重合的假定使得该方法是一种近似计算方法。当组织模型复杂时，pfMC的准确性会受限。为了在提高蒙特卡罗方法的效率的同时，保持蒙特卡罗方法的准确性，本文提出了一种解耦荧光蒙特卡罗方法，该方法从光子输运的Boltzmann方程出发，将荧光光子路径与激发光子路径间关联起来，建立起了两者的概率与权重间的解析关系。并在仿体实验中验证了该方法在荧光输运模拟与逆向荧光重建中的准确性。　　为了进一步提高断层成像的重建效率，本文中利用异构计算机群、多核CPU和GPU设备构建了三级并行计算架构，实现了蒙特卡罗光子输运模型及断层成像重建过程的加速。