光声成像是近年来生物医学成像领域中一种新兴的非侵入式成像模态,其兼具了光学成像高对比度和声学成像在深层组织中高分辨率的优点。光声断层成像(PACT)是光声成像的一个重要分支,具有很好的临床转化潜力和应用前景。然而,目前的PACT成像技术与系统存在诸多不足,如不具备多模态成像能力、换能器探测视角受限、成像分辨率较低、换能器阵元个数较少和难以编程扩展等,限制了其在临床前和临床上的应用。本文研究开发了可用于临床前和临床应用的高速、高分辨率、可编程PACT成像技术与系统,并开展了其在临床前与临床成像中的应用探索。具体研究内容如下:1、研究开发了两代PACT成像技术与系统:原理性PACT成像系统(第一代)和高性能PACT成像技术与系统(第二代)。第一代系统配置自由度高,但成像速度较慢,无法满足实时成像的需求,适用于原理性实验研究。第二代系统具备高速、高分辨率和可编程扩展等优点,同时可以实现光声和超声双模态成像,适用于临床前和临床应用研究。更具体地,第二代系统拥有多种阵列超声换能器,其中心频率和阵元数最高分别可至50MHz和512个;二维成像的空间分辨率和成像速度最高分别可至30 μm和10帧每秒;三维成像的仰角分辨率优于2 mm,扫描速度优于5 mm/s。基于开发的成像系统,分析了关键系统参数对图像质量的影响,研究了光声图像重建中的负值伪影。研究工作对高性能PACT成像系统的设计与实现有重要指导意义,为后续图像伪影去除方法的开发和无伪影图像重建奠定了理论基础。2、提出了纳米碳增强的光声前哨淋巴结(SLN)示踪与穿刺活检技术,可以观察到纳米碳在SLN内的动态聚集过程,实现SLN的示踪;同时,可以为SLN的穿刺活检提供高对比度的图像引导。离体SLN的组织学分析结果显示,SLN内存在明显的纳米碳聚集,与影像学结果一致。进一步的实验结果表明,提出的纳米碳在颗粒直径、光学吸收特性和光学稳定性等方面较美蓝和吲哚菁绿有明显优势,更适合用于基于光声的淋巴腺体示踪。提出的SLN示踪与穿刺活检技术具有临床转化前景,对乳腺癌转移的早期诊断具有重要意义。3、提出了光声无标记手指血管成像与识别技术,可以实现手指冠状面和横断面内血管结构的高质量成像,显示血管空间分布及其与皮肤和指骨之间的相对位置关系。通过扫描换能器,PACT可以实现手指血管结构的三维成像。除结构信息以外,PACT还可以实现指动脉跳动频率的量化,实验结果与受试者的生理指标一致。提出的手指血管结构与功能成像技术有望结合特征提取、特征匹配和活体识别技术实现高准确性和高安全性的个体身份识别。本文结合仿真与实验重点研究了高速高分辨率PACT成像技术与应用。研究工作对PACT成像系统的开发和性能提升有重要意义,为PACT的临床前和临床应用奠定了理论与实践基础。