近年来随着物理学、科学算法、仪器设备等方面的更新和进步,对于疾病的诊断的探索也在逐渐深入,促进了医工交叉学科的发展。其中,漫射光学成像利用可见光和近红外光对生物组织进行非侵入式的探测和诊断,研究光与组织的相互作用过程,对探测光信号进行分析,可以得到组织内部光学参数相关的结构或功能信息。目前的漫射光学成像主要基于扩散近似模型进行重建研究,基于完整辐射传输模型的重建虽然模型复杂,但应用范围更为广泛,对于扩散近似模型失效的脑脊髓液、关节滑液等组织也可以进行较好的探测。此外,单一模式的重建也具有一定的局限性。同时,由单光谱探测拓展到多光谱探测时,目前多针对有限光谱进行时域测量研究,基于时域宽谱带的测量研究较少。本文以生物组织光学参数重建为主题,基于完整的辐射传输模型进行重建研究,利用反问题算法和正则化方法构建了准确、有效的重建算法,对于时域、频域、时频融合模式下的光学参数场进行了协同重建,利用时域宽光谱实验测量平台对于仿体和生物组织进行了测量。主要研究内容分为以下几个方面:首先,对于组织内部的光子传输正问题模型和基于梯度的反问题优化算法进行了概述。针对生物组织中常见的散射占优介质,利用扩散近似模型描述其内部的光子传输过程,基于时域双层介质扩散近似模型和序列二次规划算法对于介质的光学参数进行重建。结果表明,反射信号对于底层介质的约化散射系数非常不敏感,参数重建具有一定的难度。然而,通过选用适当的目标函数,利用整个时变信号波形进行重建,并且结合多距离探测信号提供的信息,可以进一步提高重建精度,有助于介质内部光学参数的重建。其次,基于时域辐射传输模型进行重建研究,对于扩散近似模型失效的非散射占优介质、含有中空区域介质的光学参数场进行重建。基于离散坐标法求解时域辐射传输方程和序列二次规划算法求解反问题,此时对于多个光学参数场进行同时重建,反问题病态性严重,重建难度更大。引入伴随方程法、伴随差分法、复变差分法三种方法计算目标函数梯度,基于贝叶斯理论和最大后验概率理论,引入了Tikhonov方法、广义Markov方法、全变分方法三种正则化方法,对于光学参数场进行了模拟及实验重建研究。结果表明,伴随方程法与正则化方法结合的梯度优化算法可以准确、有效地对于光学参数场进行重建。考虑到实际诊断应用中,组织的几何形状差异性较大,引入了有限元法对于复杂形状介质的光学参数场进行重建研究。利用Open MP并行的有限元法求解时域辐射传输方程,基于序列二次规划算法和伴随方程法进行了光学参数场重建。接着引入了并行的扩散综合加速法对正问题的求解进行了加速和改进,基于改进后的方法对于光学参数场进行了重建。结果表明,Open MP并行计算方法与扩散综合加速法的结合提高了重建效率,适用于复杂形状的近红外光学成像。为进一步提高基于辐射传输模型的参数重建的效率和精度,引入了时频光信息融合的多模式光学参数场重建方法。在频域模式重建的基础上,基于阈值分割法和时域重建方法对光学参数场进行修正和更新。并将时频光信息融合方法的重建结果与单一模态的频域、时域模式重建结构进行对比分析。重建结果表明,时频光信息融合的方法比单一的时域模式的求解效率更快、重建精度更高,重建图像能够清晰地分辨出介质内部的结构。最后,基于漫射光的时域宽光谱实验测量平台对于仿体和生物组织进行了光谱测量。对于600—1100nm波段的离体组织、在体组织进行了光谱测量,对其光谱特性和组分信息进行分析,得到了组织内血氧饱和度,水分、脂质、胶原蛋白等关键组成物质的含量,实现了组织内部的功能性诊断。对于不同厚度的非均匀双层介质仿体进行了光谱重建研究,实验研究验证了基于双层介质重建模型的有效性和可靠性。