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生物自发光断层成像(Bioluminescence tomography,BLT)是21世纪初兴起的一种新型光学分子影像成像模态。区别于荧光分子断层成像,它通过转基因技术使得靶细胞自发光,不需要外部光源的激发,也没有自体荧光的干扰,成像成本低,信噪比高,因此在癌症的早期检测、新药研发、图像引导放疗等预临床研究中具有非常大的应用潜力。将BLT应用于图像引导放射治疗等应用中时,重建图像中光源的位置对应着生物体内部靶细胞的位置,而光源的大小和形状即为被标记的靶目标(如肿瘤组织)的大小和形状,直接影响放疗区域的选择,因此重建出的光源形状对于这类应用有非常重要的意义。但是BLT中由于没有外源激发,近红外谱段的荧光在生物体中经历复杂的吸收、散射等传输过程后,在生物体表面能检测到的信号微弱,测量数据严重不足,因此如何克服BLT光源重建这一逆问题的严重不适定性。利用有限的测量信息,更稳定、更准确的重建出内部靶目标的空间位置、形状和大小是BLT研究的核心难题。围绕这一问题,本文的主要研究内容包括:(1)首先对比了基于辐射传输方程(Radiation transfer equation,RTE)的三阶简化球谐近似(Third-order simplified spherical harmonics,SP3)的重建方法和传统的基于扩散方程(Diffusion approximation,DA)的重建对于重建光源形状和大小的影响,探讨了光传输模型对重建光源形状的影响。用重建光源和真实光源的交体积与重建光源总体积之比(Ratio between the overlapping and total volume,OVTVR)定量评价了两种重建方法形状拟合程度的优劣。选择了效果更好的SP3模型进行下一步的研究。(2)在SP3传输模型的基础上,结合不完全变量截断共辄梯度(Incomplete variable truncated conjugate gradient,IVTCG)算法,利用多光谱测量数据增加先验信息,进行BLT光源重建。多组数字鼠上的仿真实验表明,在位置不同、大小不同甚至光学参数也有差异的情况下,重建方案均获得了较为良好的结果,但该方案总体时间成本较高。(3)为进一步改善重建方案,将SP3传输模型结合非凸L1/2正则化的迭代重赋权同伦(Iterative reweighted-L1/2,IRW-L1/2)算法,使得光源形状重建的时间成本大大降低。数字鼠上的多组仿真实验考虑了光源的位置、形状、大小、以及光学参数等各种因素。实验结果表明,本重建方案以更低的时间代价获得了与之前相似乃至更好的重建结果。