CN116509327A - 基于液体透镜的跨尺度光声成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医学影像成像领域的技术领域，公开了基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，包括以下步骤：S10：搭建基于液体透镜的跨尺度光声成像系统；S20：激光发射模块发射的脉冲激光入射至液透调整模块，然后经激光激发模块后照射在样品上并激发出光声信号；S30：改变液透调整模块的焦距，使得从激光激发模块出射的脉冲激光在样品上分别达到强聚焦模式(对应OR‑PAM)和弱聚焦模式(对应AR‑PAM)；S40：光声信号被信号采集模块接收，所接收到的光声信号经计算后生成图像。通过改变液体透镜的焦距，实现基于一个光路来完成OR‑PAM和AR‑PAM光声成像的切换；该基于液体透镜的跨尺度光声成像方法中无光纤、无分光、无切光，操作简单，不复杂，成本低。

Description

基于液体透镜的跨尺度光声成像方法

技术领域

本发明涉及生物医学影像成像领域的技术领域，具体而言，涉及基于液体透镜的跨尺度光声成像方法。

背景技术

在现代生物学领域中，随着研究重点已经由生命体的形态学表型探测逐步迈向了细胞和分子基本机制的定量测量，这种格局的转变直接导致对生物光学成像中信息通量的需求在不断增加。例如，神经元作为大脑和神经系统的基础组成部分，它的大小通常是微米量级的，但它的功能连接范围遍及了整个大脑，想要研究整个神经系统的工作机理就必须同时对整个大脑内每一个神经元同时进行高分辨率成像。

再如，细胞生物学、临床快速诊断、药物筛选和细胞功能分析等研究应用一方面需要对群体活细胞进行快速无损的功能检测，另一方面又需要针对单细胞进行亚细胞结构和分子水平的动态功能分析以对细胞基本功能进行解读。为了完成对这种在不同尺度下均需要成像的的生命科学系统，必须借助于跨尺度的成像技术。

尤其在近几年，类风湿关节炎(RA)在中老年群体中出现的愈发严重，而针对RA早期病变研究需在体观测免疫细胞动态、血管、炎症分布、关节结构等跨尺度生理信息的特殊需求，但目前跨尺度的成像技术寥寥无几。

传统的光声显微系统(PAM)从成像分辨率区分，主要分为光学分辨率光声显微系统(OR-PAM)与声学分辨率光声显微系统(AR-PAM)。OR-PAM的特点是，系统中激发光斑的直径小于超声换能器的焦斑，所以该系统的成像分辨率取决于激发光斑的大小。OR-PAM的分辨率高，可达几百纳米至几微米，但是成像深度浅，约1-2mm，所以可以对细胞动态进行观察；AR-PAM的光斑远大于超声换能器的探测区域，因此其成像分辨率取决于超声换能器的焦斑大小。AR-PAM的成像深度大，约数厘米，但是分辨率不如前者，达几百微米，但是其可以用于观测血管的形态与分布，以及关节结构等。

但是目前成像技术多为针对某一项功能进行精而专的功能拓展，无法在两个尺度上都获得有用信息。基于此，跨尺度成像是基础研究和临床诊疗的迫切需求，也是当前成像技术发展的新趋势。

光声成像是生物医学成像领域的一项重大革新技术，其光学激发、声学探测的独特优势，有望成为有机融合宏观尺度临床医学超声成像与微观尺度基础研究荧光成像的天然纽带。光声成像技术通过探测生物组织吸收脉冲激光后，因瞬时热弹效应而产生的超声信号，来获取组织的光吸收信息。既可以基于内源性血红蛋白，对血流、血氧等生理参数进行无标记、定量功能成像；也可以借助外源性分子探针，揭示RA组织代谢状态、炎症分布等信息。

2013年华盛顿大学的汪立宏课题组率先提出跨尺度光声显微成像技术，其课题组利用光纤束实现了跨尺度的光声显微成像。但是其光纤束的成本高昂，且维修困难，使整个系统的造价不菲，且维修昂贵。并且该系统只允许存在一个超声换能器，这就代表此系统智能采集单个频段的光声信号，使得系统的应用范围较为狭窄。

2014年，德国Estrada课题组也立刻提出了跨尺度光声显微成像系统，但是与汪立宏课题组的系统不同的是，其系统利用的是可移动的单模光纤与自聚焦透镜的距离来实现跨尺度显微成像。但此系统的超声换能器需要开孔，因此会导致超声换能器的探测效率大幅降低。

2014年，华中科技大学的骆清铭课题组也提出了跨尺度光声显微成像系统，利用电控变焦透镜和成像光纤束，实现了一套分辨率连续可调的多尺度光声显微成像系统。该系统使用透射式信号采集方式，限制了成像物体的范围与成像物体的大小，对于体积大，厚度在厘米级别的物体是无法成像的。其次，该系统也使用了价格昂贵的光纤束，导致整套系统的成本和维修费用很高。

2018年，美国杜克大学的姚俊杰课题组提出了四模态跨尺度光声显微成像系统。该系统最大特点是光斑与声斑都可改变。但是该系统所用的超声换能器都是中心开孔结构，这将会大幅度地降低超声换能器的接收效率，而且该系统中只能接入两个超声换能器，因此该系统也只有两个频率。

2020年，中国科学院深圳先进技术研究院宋亮课题组提出了基于双包层光纤与耦合透镜的跨尺度光声显微成像系统。该系统通过调节耦合透镜，使其激光光斑耦合到不同的双包层光纤纤芯与内包层处，实现跨尺度的光声成像。但该系统双包层光纤的耦合难度极高，需要保证激光可以同时完整的耦合在纤芯与内包层中，所以其操作难度较高。且无法完成分辨率的连续可调。

总的来说，现有技术的缺点集中在以下几点：1、使用光纤束，系统成本和维修价格高昂；2、因需要调节光纤耦合，操作繁琐困难；3、核心理念是将两路光路合二为一，整套系统冗余复杂，搭建难度大；4、多数系统分辨率无法调节，为固定分辨率成像。

发明内容

本发明的目的在于提供基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，旨在解决现有技术中，跨尺度光声成像系统中需要使用光纤束导致的系统成本高的问题。

本发明是这样实现的，基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，包括以下步骤：

S10：搭建基于液体透镜的跨尺度光声成像系统，所述跨尺度光声成像系统包括激光发射模块、液透调整模块、激光激发模块和信号采集模块；

S20：所述激光发射模块发射的脉冲激光入射至所述液透调整模块，然后经所述激光激发模块后照射在样品上并激发出光声信号；

S30：改变所述液透调整模块的焦距，使得从所述激光激发模块出射的脉冲激光在样品上分别达到至少两种聚焦模式，两种所述聚焦模式包括：强聚焦模式和弱聚焦模式；其中，在强聚焦模式下，所述跨尺度光声成像系统为光学分辨率光声显微系统；在弱聚焦模式下，所述跨尺度光声成像系统为声学分辨率光声显微系统；

S40：所述光声信号被所述信号采集模块接收，所接收到的光声信号经计算后生成图像。

可选的，在步骤S30中，所述液透调整模块包括液体透镜，对所述液体透镜施加外加电压，当改变所施加的外加电压时，所述液体透镜的焦距发生改变。

可选的，所述液体透镜的屈光度范围为-5～+15。

可选的，所述液透调整模块还包括第一透镜，从所述液体透镜出射的激光入射至所述第一透镜；所述跨尺度光声成像系统的全轴向扫描范围其中，M是从样品平面到液体透镜之后的图像平面的放大率，n是液体透镜中浸没介质的折射率，f₁是第一透镜的焦距，f_液是液体透镜的焦距。

可选的，所述液透调整模块还包括第二准直模组，从所述第一透镜出射的激光经由所述第二准直模组准直后入射至所述激光激发模块。

可选的，在步骤S30中，所述液透调整模块包括液体透镜，所述液体透镜包括透镜腔体，所述透镜腔体的出光侧具有弹性薄膜，所述透镜腔体中填充有光学液体，通过光学液体的进出控制所述透镜腔体内的压力，改变所述液体透镜的曲率。

可选的，在步骤S40中，在弱聚焦模式下，获得样品在宏观尺度下的宏观图像，并保存至存储器；在强聚焦模式下，获得样品在微观尺度下的微观图像，并保存至存储器。

可选的，所述激光发射模块包括激光器和第一准直模组，在步骤S20中，所述激光器发射出的脉冲激光，经由所述第一准直模组准直扩束后，入射至所述液透调整模块。

可选的，所述激光激发模块包括高速扫描振镜，由所述液透调整模块出射的激光照射至所述高速扫描振镜，而后入射至物镜，聚焦在样品上。

可选的，所述信号采集模块包括超声换能器和数据信息采集器，所述超声换能器接收所述光声信号，并将所述光声信号传递给所述数据信息采集器。

与现有技术相比，本发明提供的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，通过改变液体透镜的焦距，从而在样品上分别达到强聚焦模式和弱聚焦模式，进而实现基于一个光路来完成光学分辨率光声显微系统(OR-PAM)和声学分辨率光声显微系统(AR-PAM)光声成像的切换；该跨尺度光声成像系统作为OR-PAM进行工作时，可以在细胞尺度进行成像；作为AR-PAM进行工作时，可以对血管、关节等结构在宏观层面进行成像，从而实现光声成像领域的跨尺度成像功能。并且，该基于液体透镜的跨尺度光声成像方法中无光纤、无分光、无切光，操作简单，不复杂，成本低。

附图说明

图1是本发明提供的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法的操作流程图；

图2是本发明提供的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法的立体示意图；

图3是本发明提供的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法的光路示意图；

图4是本发明提供的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法的激光发射模块的光路示意图；

图5a是本发明提供的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法的液透调整模块的光路示意图；

图5b是本发明提供的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法的液体透镜曲率变化时系统光声成像变化的示意图；

图6是本发明提供的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法的激光激发模块的光路示意图；

图7是本发明提供的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法的信息采集模块的光路示意图。

附图标记说明：

101-激光发射模块，102-液透调整模块，103-激光激发模块，104-信号采集模块；201-激光器，202-前凸透镜，203-后凸透镜；301-液体透镜，302-双胶合透镜，303-第三凸透镜，304-第四凸透镜；401-高速扫描振镜，402-物镜；501-超声换能器，502-数据信息采集器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1-7所示，为本发明提供的较佳实施例。

基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，包括以下步骤：

S10：搭建基于液体透镜的跨尺度光声成像系统，跨尺度光声成像系统包括激光发射模块101、液透调整模块102、激光激发模块103和信号采集模块104；

S20：激光发射模块101发射的脉冲激光入射至液透调整模块102，然后经激光激发模块103后照射在样品上并激发出光声信号；

S30：改变液透调整模块102的焦距，使得从激光激发模块103出射的脉冲激光在样品上分别达到至少两种聚焦模式，两种聚焦模式包括：强聚焦模式和弱聚焦模式；其中，在强聚焦模式下，跨尺度光声成像系统为光学分辨率光声显微系统(OR-PAM)；在弱聚焦模式下，跨尺度光声成像系统为声学分辨率光声显微系统(AR-PAM)；

S40：光声信号被信号采集模块104接收，所接收到的光声信号经计算后生成图像。

本实施例提供的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，通过改变液体透镜的焦距，从而在样品上分别达到强聚焦模式和弱聚焦模式，进而实现基于一个光路来完成光学分辨率光声显微系统(OR-PAM)和声学分辨率光声显微系统(AR-PAM)光声成像的切换；该跨尺度光声成像系统作为OR-PAM进行工作时，可以在细胞尺度进行成像；作为AR-PAM进行工作时，可以对血管、关节等结构在宏观层面进行成像，从而实现光声成像领域的跨尺度成像功能。并且，该基于液体透镜的跨尺度光声成像方法中无光纤、无分光、无切光，操作简单，不复杂，成本低。

OR-PAM的特点是，系统中激发光斑的直径小于超声换能器的焦斑，所以该系统的成像分辨率取决于激发光斑的大小。OR-PAM的分辨率高，可达几百纳米至几微米，但是成像深度浅，约1-2mm，所以可以对细胞动态进行观察；AR-PAM的光斑远大于超声换能器的探测区域，因此其成像分辨率取决于超声换能器的焦斑大小。AR-PAM的成像深度大，约数厘米，但是分辨率不如前者，达几百微米，但是其可以用于观测血管的形态与分布，以及关节结构等。

具体的，激光发射模块101包括激光器201和第一准直模组，激光器201发射出的脉冲激光，经由第一准直模组准直扩束后，入射至液透调整模块102。

例如，第一准直模组通常可由两片凸透镜组成，两片凸透镜分别为前凸透镜202和后凸透镜203，两片凸透镜的焦距不同，在沿激光传输方向上，前凸透镜202的焦距小于后凸透镜203的焦距；并且前凸透镜202的后焦点与后凸透镜203的前焦点重合。激光光束经过第一准直模组后被准直扩束，使得从第一准直模组出射的光束的直径与后续使用的液透调整模块102的尺寸相匹配，由激光发射模块101射出的脉冲激光将水平、无聚散地入射到液透调整模块102。

激光激发模块103包括高速扫描振镜401，由液透调整模块102出射的激光照射至高速扫描振镜401，高速扫描振镜401可以在两个方向上快速改变聚焦点的位置，从而达到点扫描的效果，随后，激光射入到物镜402上，物镜402再将激光聚焦在样品平面上。

现有技术中，光学扫描振镜原理：输入一个位置(position)信号，摆动马达(激光振镜)就会按一定电压与角度(angle)的转换比例摆动一定角度。整个过程采用闭环反馈控制，由位置传感器(transducer)、误差放大器、功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)放大器、位置区分器、电流(Electron flow)积分器等五大控制电路共同作用。数字激光振镜的原理则是在模拟激光振镜的原理上将模拟信号转换成数字信号。

高速扫描振镜401的工作原理是将激光束入射到两片反射镜(扫描镜)上，用计算机控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在样品平面上按所需的要求运动。在本实施例中，由液透调整模块102出射的激光照射至高速扫描振镜401，高速扫描振镜401可以在两个方向上快速改变聚焦点的位置，从而达到点扫描的效果。

激光激发模块还包括有中继透镜组，中继透镜组可由两个焦距相同的凸透镜组成，且两凸透镜共焦，高速扫描振镜、中继透镜组和物镜的后背孔径(对应激光入射至物镜处的孔径)形成4f共轭关系。

具体的，在一实施例中，在步骤S30中，液透调整模块包括液体透镜301，对液体透镜301施加外加电压，当改变所施加的外加电压时，液体透镜301的焦距发生改变。

通过外加电压来改变液体透镜301的焦距，从而实现整个跨尺度光声成像系统的变焦。当跨尺度光声成像系统需要在不同深度不同尺度的条件下观测样品时，改变液体透镜301的外加电压，使跨尺度光声成像系统的焦面与焦斑大小发生改变，从而实现跨尺度的光声成像。

液体透镜301的屈光度范围为-5到+15，在液体透镜301的调整范围内，物镜402下的激光可以实现在样品上强聚焦和在样品上弱聚焦两种聚焦方式。

液透调整模块102还包括第一透镜，例如第一透镜可采用双胶合透镜302，从液体透镜301出射的激光入射至第一透镜；跨尺度光声成像系统的全轴向扫描范围

其中，M是从样品平面到液体透镜301之后的图像平面的放大率，n是液体透镜301中浸没介质的折射率，f₁是第一透镜的焦距，f_液是液体透镜301的焦距。

通过以上公式的计算，可以量化跨尺度光声成像系统的轴向扫描范围，可以为样品的制备提供数据参考；同时结合光声领域的公式计算可以得到液体透镜在不同焦距下系统理论的光学分辨率或声学分辨率，从而使系统的参数更加完备，供使用者参考使用。

具体的，液体透镜301可通过调节自身曲率半径来改变焦距，曲率的改变可以根据不同的物理机制控制，例如电润湿效应、液体填充式等；其中电润湿效应的原理是通过对液滴与固体的接触面施加电压来改变液滴与固体介质间的接触角；当所施加的电压发生变化时，固-液之间的接触角发生变化，液体透镜301的曲率也随之改变。

改变液体透镜301焦距的方式不只是施加外电压的方式，还可以采用其他方式来改变液体透镜301的焦距，例如在另一实施例中，可通过机械施压的方法代替施加外电压的方式，改变液体透镜301的形态，从而改变液体透镜301的焦距。

例如，液体透镜301包括透镜腔体，透镜腔体的出光侧具有弹性薄膜，透镜腔体中填充有光学液体，通过光学液体的进出控制透镜腔体内的压力，改变液体透镜301的曲率。当光学液体被注入到透镜腔体时，将产生一个正压力，而弹性薄膜受到压力差作用将向外凸起，形成凸透镜；相反地，当光学液体从透镜腔体被抽出时，将产生负压力形成凹透镜，通过液体的进出控制腔内的压力，从而可以对液体透镜301的曲率进行调节，液体透镜301的焦距也随之改变。

在另一实施例中，液体透镜301也可以采用可调声学梯度透镜，其原理是利用压电材料产生的声波来径向激励具有两个平板玻璃窗口的充满折射流体的圆柱腔，并获得焦距的超高速变化。圆柱压电体以较强的径向振动模式在平板玻璃壁上产生具有某一驱动频率(t＝0)的声波，并在两个平板玻璃之间来回传播，相互干扰从而达到稳定状态，并在折射流体中产生一定密度的驻波震荡。因此可以通过控制驱动频率的方式来获得特定的驻波密度震荡，从而获得可以梯度连续变化的折射率及焦距，且其变焦时间可低至微秒甚至更短的时间。

液透调整模块102还包括第二准直模组，从第一透镜出射的激光经由第二准直模组准直后入射至激光激发模块103。第二准直模组与第一准直模组类似，也由两个共焦的凸透镜组成，从第一透镜出射的激光经由第二准直模组进行准直扩束。并且，液体透镜及第一透镜的组合、第二准直模组、高速扫描振镜也形成了共轭关系，另外，高速扫描振镜、中继透镜组、物镜后背孔径三者之间存在4f共轭关系，从而使得扫描成像得以实现，且在扫描成像时最大程度地使用液体透镜的焦距改变范围。

信号采集模块104包括超声换能器501和数据信息采集器502，超声换能器501接收光声信号，并将光声信号传递给数据信息采集器502。

当样品即生物组织吸收脉冲激光后，因瞬时热弹效应而产生超声信号，超声换能器501(UST)接收到超声信号，然后将超声信号传递给后续的数据信息采集器502中，再经过处理计算后生成图像。

在步骤S40中，在弱聚焦模式下，获得样品在宏观尺度下的宏观图像，并保存至存储器；在强聚焦模式下，获得样品在微观尺度下的微观图像，并保存至存储器。

例如，采用本发明的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法对类风湿性关节炎部位进行成像时，既可以获得宏观图像，观测血管、关节结构等较宏观的尺度上的生理信息，以便于做宏观上的总体形态分析；又可以获得微观图像，观测免疫细胞动态、RA组织代谢状态等较微观的尺度上的生理信息，以便于做单细胞尺度上精准分析研究，满足了基础研究和临床诊疗对于跨尺度成像的迫切需求。

对于所获得的宏观图像和微观图像，还可作进一步的图像处理，例如，进行虚拟染色，改变图像的信背比，增强对比度，以便于后续的观测和分析。可以多幅微观图像进行拼接处理，以满足连续观测、整体观测的需要。

可以将宏观图像和多幅微观图像整合形成动态分析图像，动态分析图像初始以宏观图像的方式呈现；在动态分析图像上设置有放大镜按钮，当放大镜按钮移动至宏观图像的某位置时，调用该位置所对应的微观图像，并呈现在动态分析图像上；在动态分析图像上还设有返回按钮，以便于随时从微观图像返回至宏观图像的呈现，有助于观测、分析的连续性、实时性。

在以下一具体实施例中，基于液体透镜的跨尺度光声成像系统，其组成主要包括：激光发射模块101、液透调整模块102、激光激发模块103、信号采集模块104。

激光发射模块101的具体实施方案如图4所示，激光器201输出532nm的脉冲激光，光束经过前凸透镜202与后凸透镜203的准直扩束，使光束的直径与后续使用的液体透镜301尺寸相吻合。由激光发射模块101射出的脉冲激光将水平、无聚散的射入到液透调整模块102。

液透调整模块102的具体所实施方案如图5a所示，由激光发射模块101准直扩束后的激光射入至液体透镜301，液体透镜301在施加外加电压后，令其具有一定的聚焦度，液体透镜301的屈光度范围为-5到+15。在液体透镜301的调整范围内，物镜402下的激光就可以实现在样品上最好聚焦和在样品上弱聚焦两种激发方式。液体透镜301的变焦以及对应的聚焦形式如图5b所示。全轴向扫描范围可通过几何光学计算：

其中M是从样品平面到液体透镜301之后的图像平面的放大率，n是浸没介质的折射率，f₃₀₂和f₃₀₁分别是双胶合透镜302和液体透镜301的焦距。在液体透镜301的光焦度范围内，我们计算得到了36.8um的理论总焦距位移。并且可以通过改变双胶合透镜302的焦距和跨尺度光声成像系统的放大倍数来提供适当的轴向扫描，将该总焦距位移范围调整为约100um。该总焦距位移范围对应的是跨尺度光声成像系统在强聚焦方式下的焦点和弱聚焦方式下的焦点之间的位移。激光从液体透镜301射出后，再有后续的第三凸透镜303与第四凸透镜304进行准直扩束。

以上跨尺度光声成像系统，实现跨尺度成像的方法主要包括以下步骤：

(1)激光发射模块101产生532nm的脉冲激光后，经过两片焦距合适的凸透镜(需结合物镜后背孔径大小与激光器射出激光尺寸进行选择)后，产生能刚好充满物镜后背孔径的光斑；(2)从激光发射模块101出来的平行准直光束进入液透调整模块102，通过改变外加电压的大小来改变液体透镜中液体的曲率，对整个系统的焦距进行相应调整，也可在细小的范围内调整聚焦处的光斑大小，实现跨尺度光声成像；(3)激光从液透调整模块102射出后，经过反射镜、振镜和物镜等器件后，聚焦在样品处，样品因瞬时热弹效应而产生超声信号；(4)产生的超声信号被信号采集模块104所接受，经过处理计算后生成图像。

在工作时，控制调节液体透镜301，当调节激光在样品上聚焦最好时，光学焦点小于声学焦点，图像分辨率由光斑决定，因此被称为OR-PAM，其横向分辨率可以达到4.92um，其成像深度由光学确定，最深达0.7mm；当调节液体透镜301，让激光在样品上弱聚焦时，光学焦点大于声学焦点，图像分辨率由声斑决定，因此被称为AR-PAM，其横向分辨率为114.5um，由于是弱聚焦，其脉冲能量比OR-PAM高300倍以上，其成像深度可达4.1mm。本发明是首次使用液体透镜301来结合OR和AR图像特征的高速多尺度系统，该系统通过液体透镜301的电控高速自由焦距调节实现大成像深度与可变分辨率。本系统横向分辨率可在4.9和114.5um之间连续切换，最大成像深度可在0.7和4.1mm之间连续切换。

与现有技术相比，本发明提供的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，通过液体透镜来改变焦距，从而在样品上分别达到强聚焦模式和弱聚焦模式，进而实现基于一个光路来完成光学分辨率光声显微系统(OR-PAM)和声学分辨率光声显微系统(AR-PAM)光声成像的切换；该跨尺度光声成像系统作为OR-PAM进行工作时，可以在细胞尺度进行成像；作为AR-PAM进行工作时，可以对血管、关节等结构在宏观层面进行成像，从而实现光声成像领域的跨尺度成像功能。从系统的整体结构和设计上来看，本发明的跨尺度光声成像系统实现OR-PAM与AR-PAM的切换共用一个光路，而不是将多个光路捏合在一起，无需切光分光等操作，整个系统简洁规整，不冗余不复杂。液体透镜301可以电控高速连续变焦，从而实现系统分辨率与成像深度的连续可调。并且，该跨尺度光声成像系统无光纤、无分光、无切光，整套系统结构简单易搭建，不复杂，成本低。

另外，基于液体透镜301的跨尺度光声成像系统可以在不改变样品与物镜402位置的前提下进行不同深度、不同尺度的光声成像。由于液体透镜301中液体的曲率是由外加电压的大小控制的，所以整个光声成像系统的焦面深度与尺度是可以在很小的范围内精确调节，不需要预先设计分析所需的焦距，也不需要精调样品平面的所在位置，可以极大的提高成像效率与成功率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：搭建基于液体透镜的跨尺度光声成像系统，所述跨尺度光声成像系统包括激光发射模块、液透调整模块、激光激发模块和信号采集模块；

S20：所述激光发射模块发射的脉冲激光入射至所述液透调整模块，然后经所述激光激发模块后照射在样品上并激发出光声信号；

S30：改变所述液透调整模块的焦距，使得从所述激光激发模块出射的脉冲激光在样品上分别达到至少两种聚焦模式，两种所述聚焦模式包括：强聚焦模式和弱聚焦模式；其中，在强聚焦模式下，所述跨尺度光声成像系统为光学分辨率光声显微系统；在弱聚焦模式下，所述跨尺度光声成像系统为声学分辨率光声显微系统；

S40：所述光声信号被所述信号采集模块接收，所接收到的光声信号经计算后生成图像。

2.如权利要求1所述的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，其特征在于，在步骤S30中，所述液透调整模块包括液体透镜，对所述液体透镜施加外加电压，当改变所施加的外加电压时，所述液体透镜的焦距发生改变。

3.如权利要求2所述的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，其特征在于，所述液体透镜的屈光度范围为-5～+15。

4.如权利要求3所述的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，其特征在于，所述液透调整模块还包括第一透镜，从所述液体透镜出射的激光入射至所述第一透镜；所述跨尺度光声成像系统的全轴向扫描范围

其中，M是从样品平面到液体透镜之后的图像平面的放大率，n是液体透镜中浸没介质的折射率，f₁是第一透镜的焦距，f_液是液体透镜的焦距。

5.如权利要求4所述的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，其特征在于，所述液透调整模块还包括第二准直模组，从所述第一透镜出射的激光经由所述第二准直模组准直后入射至所述激光激发模块。

6.如权利要求1所述的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，其特征在于，在步骤S30中，所述液透调整模块包括液体透镜，所述液体透镜包括透镜腔体，所述透镜腔体的出光侧具有弹性薄膜，所述透镜腔体中填充有光学液体，通过光学液体的进出控制所述透镜腔体内的压力，改变所述液体透镜的曲率。

7.如权利要求1所述的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，其特征在于，在步骤S40中，在弱聚焦模式下，获得样品在宏观尺度下的宏观图像，并保存至存储器；在强聚焦模式下，获得样品在微观尺度下的微观图像，并保存至存储器。

8.如权利要求1-7任一项所述的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，其特征在于，所述激光发射模块包括激光器和第一准直模组，在步骤S20中，所述激光器发射出的脉冲激光，经由所述第一准直模组准直扩束后，入射至所述液透调整模块。

9.如权利要求1-7任一项所述的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，其特征在于，所述激光激发模块包括高速扫描振镜，由所述液透调整模块出射的激光照射至所述高速扫描振镜，而后入射至物镜，聚焦在样品上。

10.如权利要求1-7任一项所述的基于液体透镜的跨尺度光声成像方法，其特征在于，所述信号采集模块包括超声换能器和数据信息采集器，所述超声换能器接收所述光声信号，并将所述光声信号传递给所述数据信息采集器。