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心脑血管病是当前危害人类健康的“头号杀手”，我国每年死于急性心脑血管事件的人数居全球之首，且呈上升趋势，约三分之二患者因急性心脑血管事件死于医院以外。约70％的致命性急性心肌梗塞和/或冠心病猝死都是由动脉粥样硬化易损斑块破裂引起的。薄的纤维帽和底层坏死核心是易损斑块的特征，易损斑块的破裂是管腔内血栓形成急性冠状动脉综合征(ACS)的主要原因。动脉粥样硬化斑块从稳定变为易损的过程涉及炎症、免疫、代谢、凝血等多个环节。目前关于易损斑块的大量证据及诊断标准主要以对罪犯斑块的横切面和回顾性研究为基础，以斑块特征为基础的前瞻性研究还十分有限。易损斑块早期识别，特别是对纤维帽、脂质核和炎症等的成像受到分辨率、灵敏度和速度的制约。斑块自身的内在特征决定其易损性，而外部流场分布及其动态变化，如血压、血流和心率等则决定其何时破裂。关于易损斑块破裂的具体机制尚不清楚。而影像学方法是易损斑块识别的主要手段。 用于诊断斑块的易损性的常规方法是20到40兆赫的血管内超声(IVUS)成像，其能够显现血管壁的结构，具有大穿透深度和中等分辨率。IVUS可以解决某些斑块和脂质池;然而，图像的对比度可能不足以区分的复杂成分的易损斑块。血管内光学相干断层扫描(OCT)拥有卓越的分辨率，是用于检测微结构，如薄纤维帽和内皮非常有用。然而，OCT的主要限制是浅的穿透深度，检测深度大约1至2毫米。 血管内光声(IVPA)成像是一种新型的基于导管，光声混合的成像方式，能够提供对动脉壁的光吸收分布图像，不仅是形态学的，而且还可以提供功能成像信息。在光声成像中，生物组织被纳秒脉冲激光激发，深度穿透的弥散激光能量被组织所吸收从而产生快速的热弹性膨胀进而产生宽频带的超声波，并且可以通过超声换能器接收。超声波信号的强度正比于在组织中被吸收的光的能量。IVPA具有同时提供组织的高光对比度和在足够的成像深度的高的超声空间分辨率的容积图像的优点。光声光谱成像能够检测血脂、纤维斑块、黄金纳米粒子造影剂、神经末梢、脑成像和动脉粥样硬化斑块的空间定征。这显示了IVPA在临床应用的潜力很大。 邢教授研究组在国际上领先开展了创新型的生物组织结构和功能的光声成像方法研究。本文是在在课题组现有的研究基础上开展的。为了能够成像斑块精细结构、辨识斑块组分、定量纤维帽厚度，研究和发展具有原理上创新的血管内高分辨光声和超声双模成像识别理论方法和原型样机，首先研究了光声成像的相关算法，包括用于斑块组分光声光谱选择性识别的多波长光声成像算法。血管内光声、超声双模成像内窥探头是成像系统的关键部件，在很大程度上决定了成像系统的性能和能够研究的深度与广度，是开展易损斑块早期识别科学研究的攻关难点和重点。本文系统的总结和归纳了目前适合用于光声、超声成像探头的各种压电材料及换能器与换能器阵列，在此基础上设计并研制了不同尺寸、不同频率、带宽的单元、双元光声-超声探头，并对血管内高密度阵列换能器的可行性进行了初步的研究。设计并搭建了基于导管的血管内光声、超声成像系统，开展了针对动脉粥样硬化斑块组分光声光谱的研究应用，通过对兔子的在体实验证明了该原型样机和方法临床应用的可行性。 主要的内容包括: 1、光声成像算法与用于斑块组分光声光谱选择性识别的多波长光声成像算法; 2、基于合成孔径聚焦算法的多元阵列光声成像系统; 3、研究适合用于内窥探头使用的各种有源材料并制备样品，研究光纤和压电元件之间的构象对于成像的图像质量的影响以及一体化探头的制备与封装工艺;研制血管内光声、超声双模成像内窥探头，包括基于压电材料声学特性与机械特性的系列无源材料（匹配层、吸声背衬等）设计与制作，探头的电学参数匹配，光纤的选择与出光角度的设计与制作; 4、基于导管的血管内光声-超声成像系统，研究声、光等能量形式在动脉血管内传输、相互作用、能量转换与信号产生机理，开展斑块精细结构成像、斑块组分光声光谱选择性识别，超声成像和光声成像集成到一个系统中，一次成像可以同时获得动脉粥样硬化斑块的光吸收参数和超声阻抗参数，为易损斑块诊断提供更全面的信息。 5、进一步发展的基于换能器阵列的内窥光声断层成像系统。研究更高频率、更大带宽的光声-超声一体化探头，研究能够使用合成孔径相控算法的高密度微型换能器阵列。