一种滚筒式多模融合三维断层成像系统，包括数据采集模块，采集成像样品的激发荧光成像模态数据和X射线断层成像模态数据；中央控制与数据传输模块，控制所述数据采集模块的工作运行状态，并将采集到的各种模态信息传输给数据处理模块；数据处理模块，对采集到的各种模态数据进行处理，重建三维成像样品内部的光源分布。本发明能够同机实现激发荧光成像、生物自发光成像、切伦科夫荧光成像、X射线断层成像的多模态影像获取，能同时、快速地得到成像样品的生物信息，并能使成像样品的不同模态数据在物理位置上得以无缝融合。能反映样品接受药物治疗后病灶区的活细胞剩余量，能体现治疗过程中药物在样品全身的代谢情况，为评估药效提供更全面依据。