大脑是生物体内结构和功能最为复杂的组织,由于缺乏理想的技术和成像工具,目前人们对大脑的认识还非常有限。自从2013年美国决定实施“脑计划”以来,欧盟、日本、澳大利亚、韩国和中国等国也相继发布了各自的脑研究计划。脑计划的目标之一就是开发新型脑成像技术、方法和工具,为科学家提供更多的大脑结构和功能信息。微波热声成像技术结合了微波成像高穿透深度和超声成像高空间和时间分辨率的优点,具有非电离、非侵入式和实时对活体全脑组织进行高分辨率成像的潜力。微波热声成像以组织的比吸收率差异作为内生对比度来源。当生物组织体内的电场能量分布均匀时,微波热声成像技术有望作为一种新的高空间和时间分辨率活体脑成像工具,提供脑组织的电导率信息。脑组织的电导率与脑组织的病理和生理特性息息相关,因此微波热声成像可以帮助科学家从脑组织电特性的角度探索大脑的工作机制和脑疾病的发病原理。然而,至今还没有成功实现活体热声脑成像的文献报道。在进行人类临床研究前,有必要先利用实验动物验证活体热声脑成像的可行性。因为啮齿类动物是研究人类神经和疾病生理机制中使用最为广泛的动物,具有非常多的脑疾病模型可供研究选择。所以本文首先以大鼠活体脑成像为目标,提出了新的热声脑成像技术方案,避免了薄膜和耦合剂对微波的散射作用。其次,本文使用去离子水替代变压器油作为耦合介质,提高了微波到达脑组织的能量比例。最后,本文设计并搭建了2套新的热声成像系统,首次实现了冠状位和横断位活体大鼠脑结构的高分辨率热声成像,证明了利用热声成像技术进行活体脑成像的可行性。同时,通过动物疾病模型展示了基于热声成像技术检测新生儿脑出血和高强度聚焦超声(HIFU)热损伤的潜力。除设计新型微波热声成像系统和进行脑科学相关实验研究外,作者还提出了一种新的热声、超声双模态成像技术和一种新的针尖高对比度可视化方法,推动了微波热声成像的技术进步,并拓展了微波热声成像的应用领域。论文创新点归纳如下:1.搭建了2套微波热声成像系统。本文以实现活体大鼠脑成像为目标,设计并搭建了一套1GHz热声成像系统和一套3.05GHz热声成像系统。其中包含微波发射系统、超声耦合系统和密封型大小鼠呼吸面罩等方面的创新。2.将系统用于热声脑科学研究。提出组织相对介电常数差异也能够为热声成像提供对比度;然后通过逼真大鼠头部仿体实验研究了大鼠颅骨对热声成像的影响;首次实现了冠状位和横断位活体大鼠脑结构的高分辨率热声成像;并通过动物实验证明了热声非电离、非侵入式检测婴儿脑出血和监测HIFU热损伤的潜力。3.提出了一种利用微波脉冲同时激励样品和超声换能器实现热声、超声双模态成像的新方法,该方法不需要提供任何超声发射电路就可以实现热声、超声双模态成像。4.提出基于电磁感应原理和热声效应对组织内的针具进行高对比度、高分辨率成像的新方法,该方法弥补了现有临床医学中基于CT和超声进行针具导引成像中的不足。本文完成了2套全新的微波热声实验系统搭建,并在此基础上首次证明了基于微波热声成像技术对大鼠脑组织解剖结构进行高分辨率成像的可行性。并通过活体脑出血检测和HIFU热损伤监测实验证明展示了该技术在活体脑成像研究中的潜在价值。此外,本文提出的双模态成像技术和针尖高对比度可视化方法拓展了热声技术的应用领域。