荧光分子层析成像（Fluorescence Molecular Tomography, FMT）作为一种新兴的分子成像手段，在肿瘤早期检测和药物开发等研究中具有重要作用。然而，FMT的图像重建过程存在病态性，对实验误差和数值模拟计算误差敏感，导致结果中易出现严重伪影，进而引起定位和定量信息的不准确，以及空间分辨率低下。因此，为提高FMT的成像质量，本文从优化系统结构，构建FMT-CT双模式系统的空间融合方法，以及提高成像空间分辨率等方面开展研究。　　在比较了他人已有研究基础上，为避免数据采集中通常采用的将生物样品旋转和垂直固定，由此带来的器官晃动和变形，以及由此引入的实验误差，本文设计并研制了一套机架旋转式FMT系统，主要研究内容包括系统设计、器件选型、软件实现以及性能测试。首先，为了实现数据的全角度有效采集，对系统的整体框架和旋转机架等进行了重新设计，实现了对处于自然体位的小动物的全角度扫描。其次，为了实现快速、大视场、高灵敏度以及高分辨率成像，选用了电子倍增 CCD作为探测器；为了避免光源对形状不规则的样品表面进行扫描时，光斑尺寸大幅变化引起的实验误差，自主设计了光纤聚焦镜，使光斑直径在焦平面±10 mm范围小于1 mm。再次，采用微软基础类库（Microsoft Foundation Classes, MFC）进行软件设计，实现了数据全自动获取。最后，对系统进行了性能测试，分辨率达到了0.7 mm；灵敏度达到了0.01μmol/L；线性度达到了99.46％，误差小于10%。综合性能较已有同类系统具有明显优势。　　在已建立的机架旋转式FMT系统的基础上，为了利用CT先验信息减小FMT重建中的数值模拟计算误差，实现 FMT-CT双模式成像的空间融合，本文提出了一种适用于机架旋转式FMT-CT双模式系统的几何校准方法。该方法考虑了FMT和CT的空间旋转和偏移，以CT坐标系为基础，对FMT系统的光源扫描模块和探测模块分别进行数学建模，从原理上解决了双模式系统空间融合中硬件安装误差问题。校准结果表明，光源扫描的定位误差为0.0153 mm，探测模块在CCD两个维度的定位误差分别为0.18 mm和0.08 mm，满足生物应用的需求。通过动物模型实验，进一步验证了本双模式系统能够对小鼠不同部位的荧光目标进行准确定位，证明本文所建立方法有效实现了双模式成像的空间融合。　　为进一步降低FMT重建问题病态性对成像质量的影响，本文发展了第二近红外光学窗（NIR-II）FMT。新兴的NIR-II染料在弹道光区域的荧光成像中展现出了较高的分辨能力，但对诸如FMT这种高散射区域的荧光成像是否同样有效尚不清楚。为此，本文首先从理论上分析了NIR-II提高FMT分辨率的可行性，利用奇异值分析方法和仿真实验，证明了NIR-II能够改善FMT重建问题的病态性、提高空间分辨率。其次，搭建了一套兼容NIR-I和NIR-II的成像系统进一步进行实验验证：平板模型实验中，NIR-II FMT的空间分辨率能够达到1 mm，高于NIR-I的3 mm；鼠状仿体模型实验中，NIR-II FMT能分辨2 mm间隔的荧光团，而NIR-I则无法完成。以上结果证明，NIR-II有效提高了FMT的空间分辨率。NIR-II波段下，组织散射系数的变化是提升FMT空间分辨率的主要原因。　　综上所述，本文研制了机架旋转结构的FMT系统，减小了实验误差；发展了FMT-CT双模式系统的几何校准方法，实现了双模式成像的空间耦合，降低了FMT的数值模拟计算误差；发展了NIR-II FMT，提高了FMT的空间分辨率。通过以上三方面的研究，有效提高了FMT的成像质量，对于拓展FMT在疾病早期诊断和新药研发中的应用具有重要意义。