近年来,生命科学的快速发展受益于超高分辨成像技术的更新换代,而通过成像技术获取组织结构和功能信息是生物医学检测的关键手段之一。光声成像是一种蓬勃发展的无损无创性生物医学影像技术,正由基础科学研究逐渐转向临床化与产业化。而光声显微作为一种混合体内成像技术,利用组织中微弱的声学散射,从而突破了光学扩散极限。凭借其出色的可扩展性,可以在所需的最大成像深度达数毫米甚至厘米级别的情况下提供高分辨率图像,非常适用于皮下毛细血管成像研究。然而现阶段的逐点扫描式光声显微成像系统由于高度依赖脉冲激光重复频率和机械电机扫描速度,导致时间分辨率低,采集速度慢。为了确保细胞活力和小鼠存活率以满足生物研究需求,大多数光声显微实验需要快速完成。同时数据量的显著增大,对系统的硬件要求也提出了挑战。因此,光声显微技术目前关键的问题是缩短采样时间和减少采样点数。针对此问题,本课题提出了一种结合低秩矩阵恢复和最短路径规划的快速稀疏采样方法,并重点围绕基于快速稀疏采样的光声显微成像方法及系统展开研究工作。首先阐述了低秩矩阵近似的理论基础,包括截断奇异值分解法、双边随机映射法以及GoDec算法,并分析了光声显微图像的低秩性,建立随机稀疏采样方案,减少采样点的数量并加速采样过程,采用基于GoDec算法的低秩矩阵填充方法,实现稀疏采样下的光声显微图像恢复重建,获得高分辨的光声显微图像。然后阐述了最短路径规划的理论基础,包括旅行商问题数学模型和蚁群算法数学模型,通过蚁群算法对扫描机制移动进行最短路径规划来缩短采样时间,并量化分析了影响光声显微系统采样时间的诸多因素和与路径规划方法效果的关系。通过仿真实现对小规模与大规模的路径规划。最后,设计快速稀疏采样的光声显微成像系统,包括硬件选型设计,光路设计和软件设计,搭建系统并调试光声共轴共聚焦,测试系统横向分辨率与成像深度,设计血管仿体和活体小鼠验证方案可行性。本课题分别从仿真和实验两个方面对快速稀疏采样光声显微方法及系统进行研究,阐述验证了光声显微成像稀疏采样、低秩矩阵恢复和最短路径规划方法的可行性与有效性,为更加快速的光声显微成像采集模式提供了一个新的方法和思路,加速推动光声显微成像技术临床化和产业化进程。