光声成像是一种基于光声效应的新型医学成像方法,它结合了超声成像高空间分辨率和光学成像高对比度的优点。近十年来,光声成像已经成为当今国内外研究的热点课题,并得到飞速发展。光声成像利用脉冲激光照射生物组织,同时利用超声换能器接收光声信号,再从收集的光声信号中反演出光吸收系数分布情况。目前大多数研究都假设换能器可以通过全方位扫描来接收包围成像区域的闭合曲面上的完整数据,并且生物组织具有恒定的声学参数以至于可以忽略光声信号的散射。然而,在实际中,全方位扫描往往是不能实现的,并且生物组织的密度和声速往往也是不均匀的。本文以有限视角扫描光声重构和声散射媒质中的光声成像作为研究重点,进行了深入系统的研究,并取得了以下研究成果：本文首先从成像分辨率和成像深度两个角度研究了有限视角扫描对目前广泛应用的反投影重构方法的影响。结果表明有限视角扫描会造成重构图像的畸变,使两个原本独立的物体在重构图像中连接在一起而无法分辨,从而降低成像分辨率。另一方面,即使在物体具有相同强度情况下,有限视角扫描会使深处的物体的重构强度弱于浅处的物体,以至于深处的物体因为重构强度太弱而从重构图像中消失,从而减小成像深度；针对有限视角扫描导致的成像深度问题,本文提出了有效扫描角度的原理,并分析和改进了有效视角情况下光声成像深度。本文发现用基于均匀媒质假设的重构算法对声散射媒质成像,在重构图像中会出现伪像和畸变；提出了基于声波传播的时间反转不变性的光声重构方法。该方法将接收到的光声信号时间反转后,再发射到一个生物组织的模型中,最终的时间反转声场可以反映由于光声效应而产生的初始声压,进而可以用来重构光声图像。本文详细的分析了模型中散射体的位置和大小误差对时间反转重构方法的影响,结果表明在较大的误差范围之内,重构图像的质量高于基于均匀媒质假设的重构方法,并且重构图像的质量对浅处散射体的误差更加敏感。本文同时指出可以利用超声成像的方法来建立生物组织的模型；由于成像深度有限,超声成像可能无法准确确定甚至完全忽略深处的散射体,数值模拟结果表明即使在这种情况下,时间反转方法依然可以得到满意的重构图像。目前关于光声成像的研究大多是基于均匀媒质假设,它们认为光声信号的散射会导致重构图像的质量降低。本文提出了一种利用背向散射来提高有限视角光声成像的方法,其核心思想是利用成像区域背后的散射体或者人为放置的背后散射体(如注入声造影剂),使原来向背后传播而无法被换能器接收到的光声信号经散射后最终被换能器接收；同时通过时间反转的方法将这些散射声重新汇聚至吸收体的位置,将原来缺失的背向信息在重构图像中补全,进而提高成像质量。在这个方法中,散射体起到虚拟换能器的作用,即接收散射声并在时间反转过程中发射时间反转后的散射声。本文实验验证了该方法的有效性,结果表明在换能器阵列张角或者换能器扫描角度较小的情况下,该方法可以显著地提高有限视角扫描重构的图像质量。