随着人类基因组测序的完成和后基因组时代的到来，医学影像已经进入功能和分子成像的时代。功能成像是对人体生理和心理功能的检测，其检测结果要融合到形态结构中定位。目前这个领域的世界前沿是动态三维功能成像数据的采集及其对采集的四维数据的处理和分析。快速发展的四维功能成像技术改变了传统医学的诊断、治疗模式，给医学影像学界带来了一场革命。本文根据导师领导的北京大学肿瘤物理诊疗中心主攻肿瘤诊疗的大目标，把四维功能成像信息的分析和处理作为主要研究方向，建立描述药物在人体内的动态分布的模型，对采集的原始数据进行再处理和建模分析，获得更加符合肿瘤及其周围组织生物学特性的模型，通过对模型参数和肿瘤良恶性的组织学结果的比较，获得对肿瘤良恶性鉴别和对生理过程进行描述的科学方法。本文内容包括对四维PET脑部图像满足的房室模型，以及用动态对比剂增强MRI图像(DCE-MRI)区分前列腺病灶良恶性的动力学模型的分析。主要工作体现在以下几个方面： (1)肿瘤组织的血流、代谢和渗透等情况和正常组织之间有很大差别，这种差别可以作为肿瘤诊断的一个依据。PET的最大优势在于通过动态采集并对图像数据进行数学建模(通常使用的是房室模型)可以无创伤地定量检测人体的局部血流量，葡萄糖代谢率，受体的分布，受体与配体的结合以及蛋白质的合成等生理指标。但是现有的参数估计方法受到计算速度或精度的限制，从而使得定量分析无法在临床推广使用。我们的研究中对使用FDG三房室模型定量测量人或动物的局部脑葡萄糖代谢和68Ga-EDTA两房室模型定量评估血脑屏障渗透情况的模型参数估计方法分别进行了改进：a、在对FDGPET4D数据进行平滑预处理后使用K均值和层次聚类相结合的聚类方法，联合传统线性最小二乘方法提出了使用聚类分析改进的线性最小二乘(cLLS：clusteringbasedlinearleastsquare)方法来定量测量脑葡萄糖代谢。由此方法得到的参数图像结果，与传统LLS方法相比，可明显降低图像中的噪声影响，提高参数估计的质量，缩短计算时间，能够为医学诊断和研究提供更为可靠的信息；b、对68Ga-EDTAPET4D数据进行两房室模型建模，同时采用加权积分和参数值列表相结合(WI+TM)的算法估计模型参数将血脑屏障渗透情况通过功能成像所提取的信息显示出来，避免了传统方法中计算过程复杂、耗时，及参数估计结果稳定性不好等问题。 (2)前列腺动态对比剂增强MRI扫描(DCE-MRI)可在全面了解病灶形态特征的基础上，进一步了解病灶的血流动力学情况。我们针对临床使用感兴趣区法评价DCE-MRI图像的局限性，使用定量计算的方法在对描述前列腺DCE-MRI时间-信号曲线的模型及其特征参数进行分析后，得到分段直线模型的特征参数对于区分前列腺不同组织较敏感，以其特征参数建立的前列腺癌变概率模型对癌变的预测结果与组织活检结果有较高符合率：癌变检出率为60﹪；非癌变检出率为97.6﹪；总符合率为90.4﹪。根据探讨得到的模型及其特征参数，基于像素水平分析整个前列腺区域，给出前列腺组织发生癌变的概率图，最后将这些图像融合到相应解剖结构图像上，为临床医生提供直观、定量的辅助诊断信息来鉴别前列腺癌。