光声层析成像结合了光学成像高对比度和超声成像高空间分辨率的优势,是近几年发展较为迅速的成像技术之一。其与多光谱成像技术相结合发展的多光谱光声层析成像（multispectral optoacoustic tomography,MSOT）技术不仅能够反映组织体的结构信息,还可以实现生物分子和功能成像。MSOT可根据组织体内不同发色团的选择性光谱吸收特性,选用特定波段的脉冲激光照射组织体,结合光谱解混技术,获取感兴趣发色团的浓度分布情况。特征光谱MSOT（eigenspectra multispectral optoacoustic tomography,e MSOT）技术通过对组织中光通量的光谱模式进行建模,解决了“光谱着色”的问题,与传统的线性解混方法相比在深层组织的定量上更加精确。但传统e MSOT的特征光谱模型为线性模型,未充分考虑组织中不同分子间的相互作用,影响其在非均匀深层组织中的定量精度。因此,本文采用非线性模型表征非均匀深层组织中的光通量光谱模型,发展了一种基于非线性混合模型的e MSOT方法（e MSOT based on non-linear mixed model,NL-e MSOT）来实现非均匀深层组织中的血氧饱和度的定量成像。通过蒙特卡罗模拟优化光通量数据集,用于更加精确提取光通量特征光谱,并基于所提取的特征光谱建立非线性混合模型,最终通过基于约束条件非线性多元函数的最小值求解获得深层组织血氧饱和度定量分布图像。获取高质量的光声初始声压图像为所有e MSOT方法的应用前提,基于模型的重建方法已被证明比传统的延迟叠加和反投影重建方法具有更高的精确性。本文采用的e MSOT和NL-e MSOT方法均需要先对21个特征波长下的光声初始声压图像进行重建,对于大晶面柱型聚焦超声探测器的MSOT成像系统,经典光声模型重建算法因需要微分探测器晶面来建立正向模型矩阵,会导致巨大的时间消耗。本文采用了一种面向大晶面超声换能器的虚拟平行投影光声模型重建算法,在保证重建图像质量的前提下减少了重建的时间消耗。本文分别用数值模拟、仿体实验和活体小鼠实验对所发展的NL-e MSOT方法进行了模拟与实验验证。模拟与仿体实验结果表明,相比于e MSOT方法,NLe MSOT方法对光通量及血氧饱和度的重建精度更高,在均匀组织区域的重建图像均匀度更优,在组织光学特性差异较大的边界地区误差更小。活体小鼠实验表明所发展的NL-e MSOT方法能够更加准确地获得肿瘤区域及深层组织区域的血氧饱和度信息,展示了其在生物医学研究中的应用潜力。