1895年伦琴发现X射线，并将其应用于医学成像领域，揭开了医学检测手段的新篇章。自此以后，医学成像技术的发展经历了两个阶段：结构成像、功能成像。大量现代医学成像设备(如：计算机断层成像CT、核磁共振成像MRI、计算机X线成像、正电子断层成像PET、单电子发射计算机断层成像SPECT)的出现，使得传统的医学诊断方式发生了革命性变化。但是随着人类基因组测序的完成和后基因组时代的到来，人们迫切需要从细胞、分子、基因水平探讨疾病(尤其是恶性疾病)发生发展的机理，在临床症状出现之前就监测到病变的产生，从而实现疾病的早期预警和治疗，提高疾病的治疗效果。　　 本世纪初，代表医学成像技术发展方向的全新成像模态——分子成像技术应运而生，它可以在分子水平上实现生物有机体生理、病理变化的实时、无创、动态的在体成像，为研究特定基因功能、生物体生长发育、疾病发生发展和药物作用效果及动力学变化等提供信息获取和分析处理的有效手段。其中，生物自发光分子断层成像(BLT)技术是分子成像领域新的热点研究方向，具有成本低廉、对肌体无害等优点，相关技术还处于发展的初期，是分子成像学领域面临突破的重点研究方向。　　 成像算法的研究一直是推动医学成像技术发展，诊断设备推陈出新的重要因素。作为一种新的成像模态，生物自发光分子成像更是急需算法上的探索与突破，相关研究主要分为两大方面：前向问题和逆向问题。　　 其中，前向问题主要研究从生物体内的生物自发光光源发射光子，到生物体外的探测器成像的相关问题。由于生物组织结构的复杂性及强散射性，光粒子与其相互作用会发生多种光学行为(如：吸收、反射、散射、透射等)，该过程可用漫射方程(Diffuse equation)进行建模。因而，研究前向问题的重点即为漫射方程的求解，这也是讨论逆向问题的基础。　　 逆向问题则主要解决已知探测器上的成像信息及部分实验参数，反演其余实验参数的问题。根据求取目标的不同，逆向问题可以分为两类：生物组织光学特性参数的求解和生物自发光光源的定位。自分子成像算法研究伊始，逆向问题便是该领域中最具重要性及挑战性的问题，引起了国内外信息科学、物理学、生物学、医学等多领域专家的广泛关注和兴趣，成为近几年分子成像领域的研究热点之一。　　 要深入探索生物自发光分子成像算法，除了基础理论的研究，成像处理平台的研发也是必不可少的。国际上许多科研机构均对高质量医学成像处理平台的开发给予了极高的重视：美国国家卫生院近年来投入巨资支持医学影像处理软件开发包ITK的研发；著名的医学成像国际会议SPIE Medical Imaging和MICCAI都有专门的分会探讨医学成像处理平台的研究与实现问题。　　 通过生物自发光分子成像处理平台，我们可以实现多种相关成像算法，为研究人员提供不同算法的实验平台，便于他们进行算法性能比较及改进，从而避免重复劳动，为进一步工作提供一个良好的基础，从而大大加快成像算法的研究步伐；另一方面，成像处理平台可以实现医学影像的可视化以及基于图形用户界面(GUI)的人机交互，为生物医学研究人员提供具有真实感的生物组织三维模型，便于他们从多角度、多层次进行观察，并对感兴趣区域进行定量分析，从而大大方便生物学、医学等学科研究工作的开展。本文的工作重点集中在生物自发光分子成像处理平台(MOSE)的研究与实现方面，主要内容包括：　　 1)在实验室之前工作的基础上，继续研究开发生物自发光分子成像处理平台MOSE，实现了其中的虚拟生物环境(virtual biological environment，VBE)，可以模拟生物组织的空间信息和光学参数信息，并设定生物自发光光源的空间信息和能量大小、分布。通过建立形状精确的非匀质生物组织模型，MOSE可以得到更为准确的仿真结果。　　 2)提出了一种基于射线法和半平面法的三维空间点定位算法，可以准确高效地处理空间任意点与复杂多面体之间的包含关系判断问题，通过与MonteCarlo算法相结合，在MOSE中成功实现了对光子的追踪，特别是对三角面片组成的虚拟真实生物组织模型，起到了较好的计算效果。　　 3)基于MOSE平台进行了一系列的性能验证及算法研究实验，包括扰动实验(光源位置扰动、光源体积扰动)，同真实实验比较实验，证明了MOSE平台的准确性和可行性。基于GUI的光源重建实验框架也已构建完成，为研究逆向问题提供了一种切实可行的方法。　　 全文共分六章，第一章引言介绍了生物自发光分子成像的背景、研究现状及研究意义；第二章是生物自发光分子成像前向问题的算法介绍；第三章叙述MOSE平台总体框架设计；第四章详细介绍了MOSE平台中主要功能的研究与实现；第五章的内容是基于MOSE平台的实验及算法研究；第六章对是工作的总结和展望。