近年来,恶性肿瘤的发生率和死亡率持续上升,成为威胁人类健康的第一大疾病。研究有效的恶性肿瘤诊疗方法已经成为肿瘤医学领域的一大热点问题。而利用医学影像技术获取肿瘤结构和功能信息是引导其进行有效治疗的关键手段之一。目前现有的医学影像技术中,超声成像方法对比度较低,CT成像有较强的辐射作用,光学相干断层成像则受限于光学衍射极限,穿透深度较低,这些技术受限于无法全面获取肿瘤的状态信息。而光声成像则是一种新型的无创无损多模式医学影像技术,同时具备光学成像高对比度以及超声成像大穿透特性,已经发展到从科学研究到临床应用的关键时期。因此,开展适用于肿瘤分子影像的光声成像系统与方法研究具有重要的实际意义与临床应用价值。本课题提出了一种基于稀疏采样的三维光声成像方法,包括光声成像系统以及与之相匹配的光声图像稀疏重建方法。主要从以下几个方面展开介绍。首先,研究了光声层析成像方法的基本原理。通过理论推导与数值仿真对光声成像的过程进行详细分析。在此基础上,研究迭代重建方法在光声断层图像重建中的应用,充分考虑超声换能器的大接收角度特性,提出基于阵元探测灵敏度的投影模型构建方法,并在联合代数重建方法的基础上,实现基于稀疏采样的光声断层图像重建。然后,设计和搭建了一套基于稀疏采样的三维光声层析成像系统。开展新型照明和超声探测方法的研究,提出能够拓宽成像视野、改善激光照明与光声探测效率的光声共面结构,并设计人机交互平台对系统进行有效控制。最终,设计相应的实验对系统横向分辨率、成像范围以及高性能光声成像能力进行测试验证。最后,开展了基于稀疏采样的光声成像仿真与实验研究。一方面通过基于稀疏采样的仿真和仿体实验验证稀疏重建算法与光声成像系统的可行性;另一方面,将稀疏成像方法应用于血管、肿瘤仿体与小鼠乳腺癌在体模型的三维光声成像实验,通过成像目标与三维光声图像的结构相似度来定量描述系统的成像性能,进一步论证本课题提出的基于稀疏采样的三维光声成像系统与方法的有效性。本课题在二维光声断层成像技术的基础上,通过设计新型的光路照明和超声探测模式,在稀疏采样条件下,有效的捕获目标成像截面的光声信号,大大缩短了光声数据的采集时间;并研究基于稀疏采样的光声图像重建方法,对生物组织的光吸收分布进行高质量重建,准确得到组织中吸收体的三维光声图像。