在诸多科类的医学临床研究中,如对人体器官的病理结构探索、胎儿发育评估等,需要三维超声成像仪作为其研究平台。但现有的三维成像由于受到工作方式影响、二维传感器工艺复杂和传统聚焦成像中声波传播时间的限制,成像分辨率和帧率都非常低,无法满足医学临床研究的要求。本文围绕三维超声成像展开,以非衍射声场、非衍射波高速成像、合成孔径成像到基于非衍射波和合成孔径的三维成像为研究路线,在学习、总结前人工作的基础上,对医学超声成像中的相关问题进行了研究,取得的主要成果有：1、提出基于连续Bessel波构建脉冲形式的非衍射波方法。该方法从线性系统理论的角度,将脉冲信号分解为不同频率连续Bessel波的线性叠加,同时对每个单频信号限定沿深度方向的传播速度相同。使用该方法构建X-wave,参数含义明确。此外,使用该方法,本文设计出一种近似非衍射的脉冲Bessel声场,并对其进行了仿真验证。2、高速成像系统使用正、余弦函数加权处理回波信号,研究发现正、余弦函数可以使用方波函数替换。本文基于FFT算法中的Rader算法,通过对输入信号序列进行重新排序得到了一种计算方波变换的方法,该方法不仅可以获得与Fourier变换相似的图像质量,而且非常适合硬件系统实现。3、通过对非衍射波及高速成像算法的研究,本文提出了基于非衍射波和合成孔径的三维成像,该方法利用一维传感器发射非衍射波,采用合成孔径技术处理回波信号进行成像。它具有如下特点：a、不同于聚焦成像,它通过傅里叶变换成像,提高了成像帧率；b、不同于现有多切片图像合成的三维成像,它对整个目标区域的回波信号采用合成孔径方式进行成像,从而提高了传感器运动方向的分辨率：c、它在移动方向采用发散声场,降低了对传感器的工艺要求,这对未来半导体二维传感器设计具有重要意义；d、该成像方法不仅适用现有的机械扫描式三维超声成像,也完全适应未来的二维超声传感器。因此这种新的仪器具有较高的学术价值和较长远的应用前景。4、本文从阵列波加权和合成孔径的角度得到了与Lu相同的三维高帧率成像模型,并且将高帧率成像、基于非衍射波和合成孔径的成像和单阵元移动的三维成像在数学形式上进行了统一。本文研究工作得到了国家自然科学基金项目(No.60871087)的资助。