光声层析成像（PAT）技术有效地结合了光学成像和超声成像的优势，是一种以超声作为媒介的非侵入、非电离式的生物医学光学成像方法。PAT技术因其能够高分辨地对深层软组织进行成像而在临床前期与临床研究中展现出了巨大潜力。然而，由传统PAT技术获得的仅为光能吸收密度（初始声压）空间分布，其原理上为组织体的光学吸收系数分布与光子密度分布乘积的形式。在面向深层组织（如小动物、乳腺组织）成像时，由于光子密度沿深度方向的衰减以及器官光学参数的差异，从而会导致组织体内光子密度分布的严重不均，此时光能吸收密度图像己不能客观准确地反映组织体的本征光学特性分布。因此，为增强PAT技术在生物组织体功能成像中的应用，本文致力于建立一套由组织体光能吸收密度定量重建深层组织光学吸收系数分布的技术体系，也被称为定量PAT（q-PAT）技术。
　　在对复杂生物组织体进行PAT成像时，为保证光声信号的高信噪比，通常使用宽场光任意多方位照明。这样在q-PAT直接重建中建立光子输运模型时，会大幅增加光源项建模的难度，进而导致无法准确估计区域光子密度分布。因此，本文首先搭建了一套光声层析与扩散光学层析（PAT/DOT）联合成像系统，井发展了基于硬、软正则化的PAT导引DOT重建策略。由于DOT测量常采用点光源多角度准直入射的方式，且DOT技术可直接重建出组织体内部光学参数分布。因此，所述策略可规避q-PAT中复杂光源建模间题，同时相比于其他单纯解剖学影像模态，PAT能够为DOT重建提供更为合适的、具有高空间分辨且反映生物组织体功能信息的光学吸收结构先验信息，以减少DOT逆间题所呈现的高度不适定性。同时，利用PAT导引DOT重建得到的组织体光学参数分布，也可进一步为q-PAT直接重建方法提供更为准确的组织体光学吸收、散射系数初值估计。通过仿体实验验证，表明该方法可获得有效的定量准确性与空间分辨率。
　　在由PAT单模态直接进行q-PAT重建的理论实现中，为降低求逆过程光源建模的复杂度，通常使用的激励方式为单/多点光源同时照射或一个固定模式的全角度宽场照明。然而，由于激光安全的限制，以及获取的光声信号数据量不完备或信息组成较为单一的制约，在面向大尺寸生物组织或者复杂生物体进行光学参数定量成像时，上述设置通常无法保证获得较高的信噪比或准确的量化结果。因此，本文提出一种多角度光片照明实现小动物全身q-PAT策略。借助分时多角度激励模式，可获得更完备、丰富的携带有目标体本征光学特征的测量数据集;利用具有确定尺寸的宽场光片照明与柱聚焦测量模式，既可以降低光源建模难度、提高建模准确性，又可在激光使用安全要求下获得目标体特定成像面具有更高信噪比的测量信号;结合所发展的多角度联合q-PAT迭代反演方法，可对小动物全身各’感兴趣“横断面的’光学吸收切片图像“实现重建。通过仿体、离体与在体实验验证，表明该方法在实际应用中可高保真、高定量地获取目标区域光学吸收系数分布。
　　利用分时多角度激励模式实现q-PAT时，需在每个光片照射角度下均进行PAT测量，因此会极大增加q-PAT的整体实现代价。为了充分发挥q-PAT技术在临床应用中的潜力，可采用稀疏角度的测量方式减少数据采集位置数，以达到快速的测量。但是，由于此时获得的有限数据量用于初始声压重建具有一定挑战，因此在稀疏角度PAT实现中需同时考虑合适的测量策略与高效的重建算法。本文提出了一种结合虚拟平行束投影概念与空间自适应滤波的稀疏角度PAT迭代
　　重建算法。首先，依据’虚拟平行束投影“概念优化了测量设置，进而可利用中心切片定理，将所测数据集直接映射至稀疏变换域中（傅里叶域），同时利用逆变换，可获得图像域的初值;在图像域中，利用各图像块之间的内在相似性可进行块匹配分组，井对其采用空间自适应滤波算法完成对图像的估计;将图像返回至变换域，仅保持测得的傅里叶频谱不变（替换为实测的频谱成分），继续重复上述过程进行迭代重建，可逐步估计稀疏变换域中的未知量，进而可获得最终重建图像。通过模拟和离体组织实验验证，表明即使在较少测量位置情况下，相较于传统重建方法（UBP），所述方法也具有理想的重建保真度。