出于临床医学上一些重要疾病指征的精确测量需求,医学超声快速成像技术得益于其高效的成像速度,相关研究得到了有效推进,在该过程中也进一步提高了对超声快速成像质量的要求,主要集中在近场的图像分辨率及成像算法带来的伪影优化等方面,其根本原因在于超声阵列式换能器的结构带来的实际声场与理论声场的误差。为了从根源上对超声快速成像质量有所改善,本论文从超声探头设计与成像应用角度入手,主要开展了以下工作:一、提出了一种超声非均匀阵列结构分布模型,以天线雷达领域内成熟的量化优化方法为基础,并结合超声声场计算的特性进行了完善,优化了阵元在超声换能器表面的分布。在对原均匀线阵/均匀凸阵模型中阵元的物理位置做出修改后,非均匀线阵/凸阵的声场指向性结果表明其旁瓣值得到了明显优化,并成功突破了旁瓣最大理论值水平-13.5 dB。二、针对提出的非均匀线阵结构模型,在已有的声场优化结果基础上,进一步将非均匀线阵应用到多角度平面波复合成像技术上。通过详细的空间域声场分布仿真实验,验证了非均匀线阵在近场声场分布形状上的连续性得到了极大提升,后续的仿真与仿体成像实验也表明,非均匀阵元分布结构明显改善了多角度平面波复合成像结果,尤其针对近场伪影、分辨率等问题。三、针对提出的非均匀凸阵结构模型,结合实际的实验条件,利用商用凸阵探头的发射变迹设置这一便捷的实现方式,避免了凸阵制作繁杂的制作过程,设计并实现了一款非均匀凸阵换能器。通过声场仿真、成像仿真等理论实验,以及仿体成像实验,验证了非均匀凸阵的优势,在不增加成像系统复杂度的情况下,有效扩大了成像范围,并且将图像质量保持在与均匀凸阵相当的水平。四、结合多角度平面波和发散波复合成像框架的相关研究内容,统一为非聚焦波复合成像算法,并利用算力强大的GPU平台加速了聚焦波复合成像算法。构建参数开放度高的超声成像控制平台,利用多线程并行的程序架构有效缩短了积累超声回波数据时间,并统一移植以上适用于非均匀结构阵列分布的成像框架,为非均匀阵列式超声换能器的成像提供了更加便捷的验证手段。