介观荧光分子层析成像是一种新兴的光学分子成像技术,它填补了显微荧光分子成像技术和宏观荧光分子成像技术之间的空白。相对于宏观荧光分子成像技术,介观荧光分子层析成像技术能提供更高的分辨率,相对于显微荧光分子成像技术,介观荧光分子层析成像技术的成像深度更深。为了使介观荧光分子层析成像技术更好的应用于脑功能成像,肿瘤早期检测和药物研发等生物医学研究中,目前亟待建立一个高精度和高效率的介观荧光分子层析成像理论模型和高性能的介观荧光分子层析成像系统。本文主要围绕上述两个方面展开研究。首先,对可运用于荧光分子层析成像的蒙特卡罗模型展开了研究。基于辐射传输理论,对不同的蒙特卡罗模型进行了推导,着重对基于历史路径的荧光蒙特卡罗模型在荧光分子层析成像中的适用性进行评估。研究结果表明稳态下荧光区域的背景介质吸收系数可忽略时三种微扰荧光蒙特卡罗模型等效,解耦合荧光蒙特卡罗模型是最适用于荧光分子层析成像的模型。为了得到高精度的介观荧光分子层析成像结果,提出了基于解耦合荧光蒙特卡罗模型的介观荧光分子层析成像方法。首次将解耦合荧光蒙特卡罗模型用于介观荧光分子成像的前向模拟和图像重建。模拟结果表明基于解耦合荧光蒙特卡罗模型的介观荧光分子层析成像方法能得到高精度的前向模拟和图像重建结果。为了提高介观荧光分子层析成像的图像重建效率,开发了三级并行架构,并提出了基于三级并行架构的数据存储,读写,传递优化处理方法以提高数据处理效率。同时,为了解决介观荧光分子层析成像图像重建过程中数据量巨大的问题,提出了历史路径预处理方法以压缩数据量。模拟结果验证了上述方法对减少介观荧光分子层析成像图像重建时间的有效性。最后,设计并研制了一套介观荧光分子层析成像系统。该成像系统使用半导体激光器作为光源,使用EMCCD相机作为探测器,使用双轴振扫描光源,以实现快速、大视场、高灵敏度数据采集。同时为了将Micro-CT系统获取的结构先验信息引入到介观荧光分子层析成像的图像重建中,提出了一种适用于介观荧光分子层析成像系统和Micro-CT系统组成的双模式成像系统的几何校共准方法。实验结果表明介观荧光分子层析成像系统在1-3mm成像深度达到100-300μm横向和轴向的分辨率,且能精确的定位荧光目标物位置,定量荧光目标物浓度。