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目前对脑功能进行成像的方法主要有正电子发射层析成像（Positron EmissionTomography，PET）和磁共振功能成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）。前者对诊断脑部疾病有独特的作用，但其使用的同位素对人体损伤极大；后者只能间接测量总的血红蛋白浓度的变化，有禁忌症。近红外光学成像方法（Near-infrared Spectroscopy，NIRS）以其安全无损、非侵入、非电离辐射等优点而在医学界得到广泛关注。选择近红外“治疗窗口”范围内的波长，不仅可以实现对活体组织的无损伤及实时的探测和成像，还可以直接同时提供氧合血红蛋白浓度和还原血红蛋白的浓度变化信息。由于近红外光在脑部组织穿透深度的限制，一般采用拓扑的方式研究大脑皮层的应激反应过程。本论文设计了一种结合近红外光成像方式和时间相关单光子计数（Time-correlated Single Photon Counting，TCSPC）技术的时域光学拓扑成像方法，利用时域扩散方程解析解的最小二乘拟合算法和基于计算值光程的修正的Lambert-Beer定律方法计算相邻的源点与探测点之间的待测组织吸收系数变化量，并将其和基于经验值光程的修正的Lambert-Beer定律方法进行了对比和分析。本文进行了一系列的模拟实验验证算法的可行性和有效性，并以基于TCSPC的多通道时间分辨测量系统为平台进行了实验验证。模拟和实验结果表明，当异质体尺寸大于源和探测器距离时，基于经验值光程的修正的Lambert-Beer方法在量化度上会出现过估计问题，且对于目标体的重建形状会出现中间区域估计值过高，边缘估计过低的成像区域不均匀现象，此时时域测量方法对异质体的重建值和重建形状更为理想。该时域光学拓扑成像方法不仅可以灵活设计源探测阵列排布，亦可采取多波长测量模式，获取生物组织更多组分信息，因而有望成为现有脑功能成像方法的有益补充。