近年来,基于光声效应的光声成像技术在生物医学成像领域得到了快速的发展。它是以脉冲光作为激励源、超声信号作为载体,通过对采集到的一组声信号进行图像重建处理而得到组织内部结构信息的一种成像方法。该方法有机地结合了光学成像和声学成像的优点,可以提供深层组织的高分辨率和高对比度的图像,成为目前医学成像领域的研究热点。本论文重点在于研究光声成像的相关理论和在生物医学成像领域的应用。以组织光学和声学为基础,从光声信号的产生机理出发,对光声成像技术的信号处理、信号的时频域特性和对重建算法的修正等理论进行了深入的探讨,采取电脑仿真和实验模拟相结合的研究方法,提出了对这些问题的解决方案;改进了现有实验系统,进行了模拟样品的光声三维成像;对多种生物组织进行了光声成像实验,为光声成像的实用性研究打下了理论和实验基础。主要工作内容包括:1)分析了系统中反卷积问题出现病态的原因,提出依靠正则化方法可以有效地加以解决。通过电脑仿真计算,表明通过对输出信号的正则化处理,可有效的解决方程的病态问题,抑制高频噪声部分,较好地还原输入信号。2)通过电脑仿真对不同直径圆吸收体的多频段的信号特性进行研究。对光声信号在50KHz~300KHz、300KHz~2MHz和2MHz~6MHz这三个频段内的能量按照其对应的直径做归一化处理,得到了不同频段的光声信号的能量比例随其直径的变化曲线,以及能量比例达到最大时对应的直径值。通过模拟实验获得了与仿真相吻合的折线图。3)依托代数重建算法的思想,进行了有限角度测量的重建算法的研究。设计了可应用于光声成像有限角度测量的重建算法。通过模拟实验得到了有限角度测量下的光声信号,重建光声图像,对图像的分辨率进行了分析。将光声成像技术在眼成像中的应用和有限角度测量重建算法相结合,得到了理想的重建图像。4)首次提出利用吸声材料从硬件结构上实现非聚焦超声传感器的三维光声成像。该吸声模型不仅能够在一定程度上限制目标样本的超声辐射方向,更可有效地将非聚焦超声传感器的声接收角度限制到一很小角度的范围内。通过理论计算分析了吸声模型的层析性能,由模拟实验进行了对目标样本的层析扫描,实现了三维光声成像。5)采用离散化方法进行了对声特性存在差异介质的重建算法的声速修正。当介质内部的声特性存在变化时,通过对重建算法中的声速进行修正,可得到实际的飞行时间,获得真实的重建图像。通过模拟实验直观地证明了该方法,并给出了系统成像的分辨率。6)利用二维光声成像系统,对多种生物组织包括鸡胚胎、离体猪眼球和白鼠脑部结构成功地进行了光声成像。7)将光透明试剂应用于光声成像技术中。通过对猪肌肉组织的模拟实验验证了试剂的实用性。利用二维光声成像系统对使用光透明试剂的活体白鼠脑部结构进行了图像重建,并取得了满意的效果。