光声断层成像技术是近年来兴起的一种将传统声学成像和传统光学成像进行有机结合的一种医学成像技术,利用生物组织的光吸收系数作为主要成像参数,通过重构算法重构出图像,因而重构出的图像具有高对比度;同时,相关生物信息的物理载体是超声波,因此,这种光声成像与现有的超声成像技术类似,可以在深层组织中获得高分辨率的影像;在安全性方面,这种技术采用了低功率激光作为信号激发源,不会产生电离辐射,对生物体具有可靠的安全性。基于上述因素,光声成像技术在光学、声学、生物医学工程等多个领域得到了广泛而持久的关注。目前生物医学光声成像技术面临的一大挑战在于:现有的图像重构方法是建立在被测物体为声参数均匀介质这一假设前提上的,然而实际应用中,生物组织均为声参数不均匀介质。此外,光声断层成像多用于软组织,如血管、乳腺等,而在硬组织中则很少涉及,因此,关于光声断层成像在硬组织中的成像效果的研究则十分的必要。另外,传统的光声断层成像系统所使用的超声换能器具有不能兼顾侧向分辨率和成像视角的问题,有效的解决这个问题对于提高光声断层成像的成像效果具有十分重要的意义。为了解决上述问题,本文围绕光声成像基本机制和声波的传播特性,利用数值模拟、样品实验等研究手段,对如何提高不均匀介质中的光声断层成像的成像效果和光声断层成像在硬组织中的成像进行了详细研究和深入讨论,并根据理论结果设计了非对称矩形换能器。本文的具体安排如下:第一章光声断层成像概述:概述了当前主流的生物医学成像方法,讨论了光声成像相比于这些成像技术的优点,综述了生物医学光声成像技术的发展历程以及发展趋势。第二章光声断层成像控制采集系统设计(系统硬件设计):根据光声效应基本原理,并结合实际情况,搭建了基于单个超声换能器的光声断层成像平台。并通过仿体实验验证了所搭建平台的成像效果和相关性能指标。第三章光声断层成像声学探测系统设计:在光声断层成像系统中,传统的超声换能器有着侧向分辨率和接受视角不可兼得的问题。为了解决这一问题,我们从换能器的指向性和接收视角理论出发,计算得到了换能器尺寸参数对其在成像平面和侧向成像效果的影响,并设计了非对称矩形线聚焦换能器。第四章光声断层成像重构算法:首先分析了光声断层成像的理论基础,包括光声信号的激发机制和生物组织光吸收系数分布的重构方法。其次,介绍了以光声信号频谱斜率为参数的重构方法,以及考虑到换能器成像视角及声波散射的重构算法。第五章针对目前的多数图像重构算法都是建立在"组织内部声速均匀分布"这一假设之上,我们在前人的研究基础之上,提出了一种将超声断层成像与光声断层成像相结合的方法,以此提高光声断层成像在声速分布不均匀组织内的成像质量。第六章光声断层成像系统的生物医学应用:我们提出了一种双对比度光声断层成像的成像模式用于对人类牙齿进行无损检测。其中,B模式光声成像和生物组织的光吸收系数有关,其成像参数是生物组织相应光声信号的幅值。S模式光声成像和生物组织的微结构性质和机械性质有关,其成像参数是生物组织相应光声信号的频谱斜率。第七章总结与展望:对本文的工作进行了总结,并在本文工作的基础上,对未来计划开展的工作进行了展望。综上所述,本文以光声断层成像系统及其应用研究对象,利用理论计算、数值模拟实验、样品实验等多种手段开展研究,有效改善了光声断层成像在声速不均匀介质中的成像效果,并成功将光声断层成像技术应用于检测牙齿早期疾病。此外,设计的不对称矩形换能器也提高了光声断层成像系统侧向分辨率和成像视野。本文的研究内容,从理论探索和实践应用的角度均具有一定的意义。