视觉系统疾病所造成的视觉功能损伤甚至失明,严重影响患者的生活质量。视觉系统中,血管与神经构成互不可分的功能整体,其功能异常是许多视觉系统疾病发生、发展过程中的关键因素。因此,通过血管与神经功能成像技术,提取视觉系统中血管与神经的多种功能信息,对于进一步揭示视觉系统的生理机制与疾病的发病机理,并研究更有效的临床诊断方法,都具有重要意义。光声成像是基于光学吸收的新兴生物成像技术。光声成像中,通过激光激发的光声信号反映了生物组织的光学吸收特性,因此光声成像可实现高对比度的血管结构成像,并且能够无标记地测量血管内SO₂的变化,实现基于SO₂的血管功能成像。另一方面,作为一种基于光学散射的成像技术,光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography,OCT）对生物体内由组织运动或组织生理活动所产生的光学性质变化具有高探测灵敏度,因此OCT能够准确测量血管内血流的速度,并通过探测神经组织电生理活动产生的内源性散射变化实现神经功能成像。光声成像与OCT的结合,可实现两种成像技术的优势互补,形成较理想的血管-神经功能成像技术。因此,本文的研究目的为基于研制的光学分辨率光声显微成像（Optical-resolution Photoacoustic Microscopy,OR-PAM）与谱域OCT（Spectral-domain OCT,SD-OCT）功能成像平台,通过解决光声与OCT血管-神经功能成像中的关键技术问题,包括:基于OR-PAM的高对比度血管结构成像与血管树形态提取,基于多波长OR-PAM的SO₂准确测量,基于多普勒OCT的血管流速测量,以及基于内源性散射变化探测的OCT神经功能成像,实现视觉系统中血管与神经功能信息的提取,并在此基础上开展一系列应用创新研究。本文主要内容阐述如下:基于光学吸收的OR-PAM在血管结构与SO₂功能成像方面具有比基于散射的纯光学成像技术更高的对比度与准确性。本文首先通过OR-PAM实现猫视皮层血管网的显微结构成像。在此基础上,针对血管树这一神经-血管耦合机制中的功能主体,本文着重进行了血管树自动抓取算法的研发。算法基于血管追踪概念,通过射线投射,在追踪血管树过程中识别血管的方向、分支与血管交叉。借助于OR-PAM的三维、高对比度血管结构成像,本文利用血管树抓取算法首次实现了光声成像结果中对独立血管树的自动抓取。在血管结构成像基础上,本文结合仿体实验、在体实验与理论仿真,对影响OR-PAM SO₂测量准确性的因素进行研究,为准确的OR-PAM SO₂测量提供新的理论与实验依据。仿体实验以红、蓝墨水分子分别模拟血液中的含氧、脱氧血红蛋白,以不同配比的红蓝墨水混合液模拟不同SO₂的血液;在体实验以裸鼠耳部动、静脉血管作为研究对象;理论仿真研究则利用蒙特卡洛光强分布模拟方法产生虚拟血管的光声信号。研究结果显示,光声信号的来源是影响OR-PAM SO₂测量准确性的主要因素,即:当光声信号来自于血管中部时,利用不同波长激光激发的光声信号幅值,可实现准确的SO₂测量;反之,血管边缘产生的光声信号无法反映血管内SO₂。最后,本文利用OR-PAM对猫初级视皮层动脉在脉搏周期内的SO₂时变过程进行了监测。由于OCT自身的共焦效应与相干门作用,基于光学散射的OCT在血流速度检测方面具有更高的灵敏度。本文的SD-OCT成像系统通过多普勒OCT技术,可在体测量动、静脉血管的血流速度,并提取动、静脉血流随心脏搏动的时变波形。在此基础上,本文提出基于多普勒OCT与瞬跃扫描的脉搏波传播速度（Pulse wave velocity,PWV）测量方法,从而首次利用SD-OCT实现了视网膜动脉PWV的测量,为基于PWV的血管弹性评估提供了新方法。该方法以脉搏波传播引起的血流时变波形作为脉搏波形,利用瞬跃扫描提取脉搏波在血管不同位置间传播所需的时间,从而测量PWV。以人体的视网膜动脉作为研究对象,本文利用瞬跃扫描方法,通过重复实验降低脉搏周期自身波动所产生的误差,并在正常血压被试者上测得20至30 mm/s的PWV,在高血压前期被试者上测得50mm/s的PWV。在神经功能成像方面,OCT可将神经组织内由神经电生理活动引起的内源性散射变化进行三维成像,从而实现无标记的神经功能成像。本文以在体视网膜作为研究对象,首次利用OCT对经角膜电刺激（Transcorneal Electrical Stimulation,TES）下的视网膜响应进行了研究,同时验证了本文SD-OCT成像系统的神经功能成像能力。实验结果显示,OCT可检测到TES引起的视网膜内光散射的变化,且变化幅度与TES电流强度相关。以往研究已证实,TES可通过刺激视网膜内的神经元活动而产生视皮层上的功能响应,但是视网膜内哪些神经组织受到刺激,以及不同神经组织受刺激后的响应特性仍不明了。针对这一问题,借助于OCT的三维成像能力,本文发现TES可引起视网膜内从内层视网膜到视网膜下腔的散射变化,且在内、外层视网膜中,TES主要引起光散射的减弱,而在视网膜下腔中,TES主要引起光散射的增强。在排除其它可能因素后,本文认为TES产生的神经组织电生理活动是散射变化的主要来源。综上,基于光声与OCT成像技术,本文实现了视觉系统中血管、神经功能信息的提取,并通过研发血管树自动抓取算法,为神经-血管耦合机制的研究提供了新工具;通过研究基于OR-PAM的SO₂测量准确性,为实现准确的SO₂测量提供了新的理论与实验依据;通过提出基于多普勒OCT的PWV瞬跃扫描测量方法,为无创的血管弹性测量提供了新方法;通过研究TES作用下视网膜内的神经电生理响应,为电刺激下视网膜内神经元的响应提供了新知识。最后,本文的研究拓展了光声、OCT血管-神经功能成像在视觉系统领域的应用,并为双模态的光声、OCT血管-神经功能成像技术奠定了基础。