光学相干层析术(Optical Coherence Tomography, OCT)技术是一种全新的成像模式,它可以对生物组织等实现非侵入式、高分辨率、高灵敏度和实时的截面层析成像,因而有希望在生物医学研究及临床诊断方面实现“光学活检”的功能。本论文就OCT系统的设计、成像性能的拓展及其在生物医学领域的应用等方面开展了研究。首先,设计搭建了一套光纤型OCT成像实验系统,并结合该系统详细分析了OCT技术的成像分辨率、成像时间、探测灵敏度、成像深度等性能参数,同时给出了系统设计时需要注意的相关事项。实际测得该系统的纵向分辨率为16μm,系统灵敏度为-90dB。然后利用该系统对人体多个部位的皮肤进行了活体成像研究。从获得的图像可以清晰的分辨出角质层(掌趾部位)、表皮层、真皮上层等皮肤结构,从而验证了OCT用于表层皮肤形态结构研究的可行性。其次,提出了一种利用OCT纵向扫描信号的衰减特性提取生物组织的散射特性参数的方案,该方法是利用OCT模型对不同区域内的纵向扫描信号进行曲线拟合来实现的。在定态聚焦情况下,在对已知散射特性的组织模拟液进行OCT成像之后,对比分析了OCT单次散射模型和多次散射模型在描述不同散射强度样品的OCT信号方面的适用性。根据分析结果对OCT模型进行了修正。最后,利用上述方法获得了老鼠肝脏和人体皮肤各组织层的散射系数,实现了OCT技术的功能性扩展。再次,提出了利用随机相幅矢量和模型分析对数表示下OCT信号的散斑统计特性,并在不同的聚焦状态下对具有不同散射特性的组织模拟液进行了OCT成像的实验。实验结果与理论分析相吻合,采用对数的形式表示OCT信号以及采用较高数值孔径的显微物镜具有抑制散斑噪声的作用。另外,对数形式下的散斑特性与介质的散射特性之间存在一定的相关性,该相关性为提取生物组织的散射特性提供了一种新的途径。最后,提出了一种基于Fourier变换以及多项式拟合的方法从OCT信号中的色散项获得生物组织结构与功能的信息。该方法通过对OCT的干涉包络进行Fourier变换,再将得到的相位谱进行多项式拟合以实现色散信息的提取。数值模拟以及相关实验均证明了该方法的可行性。该研究结果不仅有助于实现动态的色散补偿,而且可以用来区分不同的生物组织,以及同一生物组织的不同生理状态等。