扩散荧光层析成像(DFT)技术作为一种能够定量提供特异性分子探针空间分布信息的高灵敏度光学分子成像手段，被逐渐地应用于疾病小动物模型体内生化过程的在体跟踪和检测。生物医学研究的深入发展对DFT技术的应用范围、功能和指标都提出了更高的要求。本文致力于研究面向小动物成像的DFT先进方法，其主要内容包括基于稳态扩散方程的差分DFT成像方法研究和实验验证，基于时域扩散方程的特征数据和全时间分辨DFT先进成像方法研究和实验验证，以及基于先进光子输运模型的DFT成像方法研究和模拟验证。本文发展了一种用于pH值敏感性检测的稳态差分DFT成像方法。该方法基于一种特殊设计的仿CT扫描模式的光子计数检测系统和Born归一化的差分图像重建算法，来实现对pH异常引起的荧光参数变化图像的快速测量和重建。在仿体实验中，通过定量性实验验证了该成像方法具有高精确度的定量能力，并在三种不同的目标体与背景荧光对比度下进行了pH敏感性检测实验验证。基于时域扩散方程，本文分别发展了基于多级离散小波变换的特征数据时域DFT成像方法和基于重叠时间门技术的全时间分辨DFT成像方法。前者利用多级离散小波变换来减少逆向模型中的重建参数，从而改善计算模型的病态性，提高荧光参数重建图像质量。后者使用了全时间分辨数据，采用重叠时间门技术最大限度地挖掘测量数据中所包含的信息，从而提高荧光产率重建图像的分辨率及量化度。此外，采用了基于时间相关单光子计数技术的时域测量系统对发展的时域DFT成像方法进行了实验验证。实验结果表明两种DFT成像方法均能够有效地提高荧光参数重建图像的量化度和空间分辨率。为了克服扩散近似光子输运模型本身的限制条件，本文分别发展了基于稳态辐射传输方程的DFT成像方法和基于早期到达光荧光输运模型的DFT成像方法。前者联合了离散立体角元法和有限差分法数值求解二维稳态辐射荧光传输方程，并采用了自然边界条件及准直光源模型。利用荧光蒙特卡罗模拟方法产生的正向数据对该成像方法进行了数值模拟验证，并且与基于扩散方程的稳态DFT算法的重建结果进行了比较。后者将早期到达光近似为直线传输的弹道光发展了荧光早期到达光输运模型。并利用全时间分辨时域DFT成像方法的正向数据进行了数值模拟验证，模拟结果证明了该方法的有效性以及对于荧光产率重建图像在空间分辨率上的提高。