一种跨尺度光声成像系统技术方案

本发明专利技术涉及生物医学影像成像领域的技术领域，公开了一种跨尺度光声成像系统，包括激光发射模块、变焦模块、激光激发模块和信号采集模块；变焦模块通过改变焦距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(对应OR

【技术实现步骤摘要】
一种跨尺度光声成像系统


[0001]本专利技术涉及生物医学影像成像领域的
，具体而言，涉及一种跨尺度光声成像系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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
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PAM)与声学分辨率光声显微系统(AR
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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
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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
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2mm，所以可以对细胞动态进行观察；AR
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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
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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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的在于提供一种跨尺度光声成像系统，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。
[0015]本专利技术是这样实现的，一种跨尺度光声成像系统，包括激光发射模块、变焦模块、激光激发模块和信号采集模块；所述激光发射模块用于发射脉冲激光；所述变焦模块通过改变焦距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；所述激光发射模块发射的脉冲激光，依次经所述变焦模块、所述激光激发模块后照射到样品上并激发出光声信号，所述光声信号被所述信号采集模块所接收；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。
[0016]可选的，所述激光发射模块包括激光器和第一准直模组，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，入射至所述变焦模块。
[0017]可选的，所述激光激发模块包括高速扫描振镜，由所述变焦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。
[0018]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。
[0019]可选的，所述变焦模块包括液体透镜，改变所施加外加电压后，所述液体透镜的焦距发生改变，所述液体透镜的屈光度范围为
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5～+15。
[0020]可选的，所述变焦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。
[0021]可选的，所述变焦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。
[0022]可选的，所述液体透镜，通过机械施压的方法代替施加外电压的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨尺度光声成像系统，其特征在于，包括激光发射模块、变焦模块、激光激发模块和信号采集模块；所述激光发射模块用于发射脉冲激光；所述变焦模块通过改变焦距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；所述激光发射模块发射的脉冲激光，依次经所述变焦模块、所述激光激发模块后照射到样品上并激发出光声信号，所述光声信号被所述信号采集模块所接收；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。2.如权利要求1所述的一种跨尺度光声成像系统，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，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，入射至所述变焦模块。3.如权利要求1所述的一种跨尺度光声成像系统，其特征在于，所述激光激发模块包括高速扫描振镜，由所述变焦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。4.如权利要求1所述的一种跨尺度光声成像系统，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。5.如权利要求1
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4任一项所述的一种跨尺度光声成像系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：马新岳，李慧，叶世蔚，廖九零，陈敬钦，郑炜，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：