正电子发射断层成像(Positron emission tomography, PET)可以在体监测放射性标记探针的分布情况，提供代谢信息，反应肿瘤发生发展扩散的情况，因此被广泛用于多种疾病的早期诊断、指导治疗、疗效评估和新药开发等方面。契伦科夫荧光断层成像(Cerenkov luminescence tomography, CLT)是近年新兴的分子影像模态，它使用光学探测设备探测放射性标记探针的在体分布，能作为PET的低成本补充技术。相比于PET，CLT具有设备成本低、成像时间短及可以对负电子放射性标记探针成像等优势。　　CLT是通过生物体表契伦科夫荧光分布反演计算生物体内契伦科夫荧光源三维分布的技术。由于光子在生物组织中并不是直线传播的，伴随着严重的散射和吸收。与计算机断层成像(Computed tomography, CT)和PET等传统成像模态相比，CLT的重建算法更复杂。现有的CLT重建算法存在精度不足、重建时间长、对参数依赖过大等缺陷。本文旨在开发一套完全针对CLT的重建算法，达到更精准、更快、更鲁棒的目的。CLT重建算法包括两个部分，首先是光子传输过程的建模，其次是模型求解。本文针对这两个方面，分别进行了研究并提出了相应的改进算法。基于此，本文的创新点如下:　　(1)系统地研究了不同光传输模型在不同光学参数下的建模精度。以往的光学成像方法（激发荧光成像，自发荧光成像等）所使用的荧光谱段主要分布在红光和近红外光谱，生物组织对这些谱段的荧光散射效应强、吸收效应弱，因此可以使用扩散近似模型建模。然而，契伦科夫荧光覆盖了整个可见光谱段，蓝光紫光占比大，简单的扩散近似难以完成光子传输建模，而高阶球谐近似模型是解决此问题的有效途径之一。本文研究了在不同光谱，不同光学参数的情况下，高阶球谐近似模型和扩散近似模型的建模准确度。　　(2)提出了多光谱混合契伦科夫荧光断层成像模型，提高了CLT的建模精度。光子传输建模的精确度直接关系到CLT重建结果的精度。我们利用契伦科夫荧光宽光谱的特点，在蓝紫光谱段采用了三阶球谐近似模型建模，在红光和近红外光谱段采用扩散近似模型建模，综合多个光谱的信息，再结合契伦科夫理论光谱，将各个光谱的方程偶合成总的系统方程，完成光子传输模型的构建，从而提高了光子传输模型的精度。　　(3)提出了基于前后向追踪的重建模型求解方案，提高了CLT重建的重建精度和鲁棒性。通过建模得到的系统方程往往具有不适定性，其解不连续依赖于定解条件。我们需要正则化方法对其求解。本文中，我们提出了一种基于前后向追踪的重建算法，在求解过程中不断地更新支撑集合，并在支撑集合上对原问题的简化问题进行求解。该算法的主要优势在于稳定性高，在对于不同器官不同分布情况的重建中，参数影响都不大。这大大改善了传统方法重建参数对结果影响过大，参数选取难的问题。提高了契伦科夫荧光断层重建算法的置信率。