光声成像(photoacoustic imaging,PAI)是一种新兴的生物医学成像技术,结合了光学成像的高对比度和超声成像的高分辨率,适用于乳腺癌成像、脑功能成像和血氧含量检测等。为了满足临床上对组织和器官不同的成像要求,迄今光声成像已经发展形成了三种成像模态:光声断层扫描成像(photoacoustic tomography,PAT)、光声显微成像(photoacoustic microscopy,PAM)和光声内窥镜成像(photoacoustic endoscopy,PAE)。超声传感器和图像重建算法是光声成像系统中的两个关键部分。一方面,对于超声传感器,尽管现有的光声成像系统通常采用的是基于压电传感的超声传感器,且可以很好地用于光声断层扫描成像系统中去;然而,对于光声显微成像,其所采用的激光和超声传感器均需要通过聚焦实现微米甚至纳米级的横向分辨率,以此获得100MHz左右的超声波频率,这对于传统的压电式超声传感器其制造成本将会很高;同时,对于光声内窥镜成像,为了在临床应用中缩短数据采集时间进行实时地成像,则必须在内窥镜探头中集成多传感器的阵列,而这在结构上是传统的超声传感器较难实现的。另一方面,对于光声成像的图像重建算法,虽然经过十多年的发展,已经有多种图像重建算法相继被报道,但这些算法大多还是建立在成像组织内声速均匀的理想条件下,实际情况中不同组织的声速均存在较大的差异;此外,这些算法设定的扫描方式大多局限于某一种特定的模式,在实际中较难灵活应用和推广。综上所述,本论文针对光声成像中的几个科学问题和技术难题,重点围绕超声传感器和图像重建算法这两种关键技术进行了深入地探讨和研究,主要工作及贡献如下:1、基于有限元分析软件COMSOL,搭建了一套用于微型压电超声传感性能分析的计算机建模与仿真平台。首先,分别建立了平面形、凸形和凹形三种结构的微型压电超声传感器数值模型,通过有限元仿真求解,对各自传感性能进行了系统地对比分析;其次,开展了传感器关键结构参数的建模和仿真分析,获得了与之密切相关的传感特性曲线;在此基础上,优化和设计了一种基于微型压电超声传感器的光声/超声双模内窥镜。该项研究及初步结果可为后续微型压电超声传感器的设计和试制提供必要的理论参考。2、提出了一种基于时域有限差分的时间反演光声图像重建新方法,即利用时间反演法的聚焦特性重建声源的三维分布,同时建立起了相应的数理模型和开展了相应的算法测试。初步仿体实验和动物实验结果显示,该方法实现了任意扫描成像模式,不仅突破了现有方法的固定扫描模式局限,而且还可用于声速均匀和非均匀介质的图像重建,有效地弥补了传统成像算法在介质特性方面的理想假设与实际情况不服的不足。3、探讨和研究了光声信号预处理及图像后处理方法以提高图像重建效果。即选择了两种不同的低通滤波器和小波变换等三种方法分别用于去除光声信号中的高频噪声,设计和开发了相应算法,初步测试结果显示小波变换的高频去噪性能优于另外两种方法。同时,初步探讨了用于图像后处理的奇异值分解法和二维傅里叶变换法,算法测试结果表明,这两种方法在一定程度上均可用于消除图像的伪影,进一步提高图像重建的质量。4、最后,初步地探讨了将光声成像技术用于心脏射频消融过程中的生物组织消融程度的评估,验证本文提出和建立的图像重建新方法的可行性。即搭建了一套光声成像实验系统,并在动物心脏上初步开展了正常心脏组织和消融组织的光声成像对比实验。初步实验结果显示,已消融心肌的光声信号强度明显高于正常心肌的光声信号(约3-4倍);重建的光声图像清晰的显示出消融组织与未消融的心肌的边界。上述结果亦显示光声成像作为一种新的成像技术,在心脏射频消融手术中,具有一定的组织区分和检测能力,或可用于评估组织的损伤范围。本文的研究工作分别从数值建模、算法设计、生物组织实验等层面,对光声成像中的超声传感器设计和图像重建方法进行了相应的探索和研究;初步研究结果有望用于微型压电超声传感器的设计,为其提供了理论性的指导和参考,更重要的是进一步扩展了非均匀介质中的光声图像重建方法和突破了现有光声成像扫描模式的局限。论文对于光声成像用于心脏射频消融的探索性研究和文中所设计的光声/超声双模内窥镜,为将来进一步开展光声内窥镜在体内瘢痕组织鉴别和消融心肌损伤评估等课题提供了新的研究思路。