扩散光学层析成像技术是一种新兴的无创光学检测技术。该技术通过测量组织体在可见光或者红外光激励下表面的光强的强度分布或者时间分辨信号来重建组织体内部与生理和病理信息有关的光学参数分布，从而完成对组织体内部进行成像。扩散光学层析成像普遍采用基于模型的图像重建算法。建立一种准确描述光子在组织体内传播过程的数学模型至关重要，目前常用的扩散光学层析成像中的正向模型是扩散方程。扩散方程是基于传输理论的辐射传输方程的扩散近似，在应用上受到其适用性的限制。因此，有必要发展一套基于辐射传输方程的扩散光学层析成像算法。本文首先根据三维辐射传输方程推导出了严格符合光子传播物理过程的二维稳态辐射传输方程，然后提出了联合离散立体角元方法和有限差分方法数值求解二维稳态辐射传输方程的新方法。本文采用Monte-Carlo模拟作为验证算法正确性的金标准，对所提出的算法的正确性进行了验证。针对求解辐射传输方程数值精度的问题，本文在不同光学参数、不同离散立体角元、不同空间网格大小情况下对辐射传输方程进行了求解。通过考量求解所需时间和所得数值解之间的平均相对误差，最终确定了离散立体角元数量为120、空间网格步长为0.25mm时为数值求解辐射传输方程的最佳离散方案。本文在自然边界条件下数值求解了辐射传输方程，并比较了自然边界条件和零内向流边界条件下组织内的光子密度分布以及表面上的外向光子密度，提出了采用差分测量数据对不同边界条件下得到的表面上的外向光子密度进行了匹配。本文将所提出了数值求解二维辐射传输方程的方法扩展到了三维。本文提出了基于Newton-Raphson逆模型框架下，采用代数重建技术的图像重建算法，给出了重建图像算法中关键矩阵Jacobi矩阵的推导。在对Jacobi矩阵的求解过程中，采用微扰法和Green函数的性质避免了直接对Jaocbi矩阵进行求解所需要大量的正向模型的计算。对模拟组织体内部光学参数的单独重建结果证明了算法的有效性，同时，我们发现重建吸收系数的收敛速度大于重建散射系数的收敛速度。对由此造成了双光学参数同时重建中的交叉污染，提出采取对Jaocbi进行缩放，并对吸收系数和散射系数取不同的松弛因子的策略对标准ART算法进行改进。采用改进后的ART算法重建得到的图像质量优于标准代数重建技术。本文针对稳态模式下重建图像中产生的交叉污染进行了分析，提出了在时间分辨模式下采用广义脉冲谱技术的图像重建算法。对几种典型的模拟组织体进行重建的结果表明，该方法可以有效地遏制稳态模式下双光学参数重建图像中的交叉污染。最后，在实验室业已建立的时间分辨单光子计数系统上，对均匀仿体进行了测量，测量数据证明了本文所提出的数值求解辐射传输方程算法的正确性。对非均匀仿体的光学参数重建验证了本文所提出的基于辐射传输方程的扩散光学层析成像方法的有效性。