(57)【要約】  本発明は、不均一試料の性質を決定するための、既定の波長範囲を有する測定光を含む光音響法に関し、該試料は、既定の波長範囲に対して、１〜１００マイクロメートルの間の平均吸収長さμを有し、該光音響法は、ａ）不均一試料の表面における部位Ｆ、√Ｆ≫μ、の測定部位を、既定のパルス持続時間および既定の強度を有する少なくとも１つの測定光パルスで照射するステップと、ｂ）測定部位における少なくとも１つの圧力過渡を検出するステップであって、圧力過渡は、測定部位へ伝播する圧力波を生成する、不均一試料における少なくとも１つの測定光パルスの吸収から結果的に生じるステップと、ｃ）パルス持続時間の間に試料により吸収されるエネルギー密度の値を、少なくとも１つの測定光パルスの始まりと終わりにおける少なくとも１つの圧力過渡の曲線から計算するステップと、を含み、ｄ）測定部位の法線に対する測定光の異なる入射角について、ステップａ）〜ｃ）を反復することであって、ステップｃ）において決定されるエネルギー密度値は、各々入射角により表示されることと、ｅ）不均一試料を層スタックとしてモデル化することであって、各層に、少なくとも１つの層厚さおよび吸収係数が割り当てられ、層の少なくとも１つの吸収係数は、フィットパラメータであることと、ｆ）層スタックのフィットパラメータについてフィッティング手順を実行することであって、入射角で表示されるエネルギー密度値の、個々の層の寄与への分割は、既定の整合性基準が満たされるまでフィットパラメータの変動によって変えられることと、ｇ）フィットしたフィットパラメータを、少なくとも不均一試料の深さ分解吸収係数の値として読み出すこと、を特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不均一試料の性質を決定するための、既定の波長範囲を有する測定光を用いる光音響法であって、前記試料は、前記既定の波長範囲に対して、１〜１００マイクロメートルの間の平均吸収長さμを有し、前記光音響法は、
ａ）  前記不均一試料の表面における部位Ｆ、√Ｆ≫μ、の測定部位を、既定のパルス持続時間および既定の強度を有する少なくとも１つの測定光パルスで照射するステップと、
ｂ）  前記測定部位における少なくとも１つの圧力過渡を検出するステップであって、前記圧力過渡は、前記測定部位へ伝播する圧力波を生成する、前記不均一試料における前記少なくとも１つの測定光パルスの吸収から結果的に生じるステップと、
ｃ）  前記パルス持続時間の間に前記試料により吸収されるエネルギー密度の値を、前記少なくとも１つの測定光パルスの始まりと終わりにおける前記少なくとも１つの圧力過渡の曲線から計算するステップと、を含み、
ｄ）  前記測定部位の法線に対する前記測定光の異なる入射角について、ステップａ）〜ｃ）を反復することであって、ステップｃ）において決定される前記エネルギー密度値は、各々前記入射角によりインデックスが付されることと、
ｅ）  前記不均一試料を層スタックとしてモデル化することであって、各層に、少なくとも１つの層厚さおよび吸収係数が割り当てられ、層の少なくとも１つの吸収係数は、フィットパラメータであることと、
ｆ）  前記層スタックのフィットパラメータについてフィッティング手順を実行することであって、前記入射角でインデックス付けされる前記エネルギー密度値の、前記個々の層の寄与への分割は、既定の整合性基準が満たされるまで前記フィットパラメータの変動によって変えられることと、
ｇ）  前記フィットしたフィットパラメータを、少なくとも前記不均一試料の深さ分解吸収係数の値として読み出すこと、を特徴とする、光音響法。
【請求項２】
ステップｆ）において、グリュナイゼン係数の温度導関数および層材料の熱容量の商が各層へフィットパラメータとして割り当てられることを特徴とする、請求項１に記載の光音響法。
【請求項３】
前記層スタックのフィットパラメータは、最外層を基礎として層に対し連続的にフィットされ、前記既定の整合性基準の満足度は、前記測定光の最大の入射角を始めに、より小さい入射角へと連続して繰り返しチェックされることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の光音響法。
【請求項４】
前記測定光パルスのパルス持続時間は、１００〜１０００ナノ秒の間、好ましくは２００〜６００ナノ秒の間の値で予め決められることを特徴とする、請求項１〜３のうちの一項に記載の光音響法。
【請求項５】
前記層スタックは、５００ナノメートル〜１００マイクロメートルの間の層厚さである個々の層を有することを特徴とする、請求項１〜４のうちの一項に記載の光音響法。
【請求項６】
前記不均一試料は、生体試料、好ましくは生きている状態の試料、特に好ましくは生きている状態の皮膚試料であることを特徴とする、請求項４に記載の光音響法。
【請求項７】
前記測定光は、１〜２０マイクロメートル、好ましくは６〜１２マイクロメートルの間の波長を有することを特徴とする、請求項１〜６のうちの一項に記載の光音響法。
【請求項８】
既定の入射角に対する前記測定光の波長は、前記入射角に依存する間隔に渡って変えられることを特徴とする、請求項６に記載の光音響法。
【請求項９】
波長依存吸収係数は、表皮層、具体的には角質層および有棘層について決定されことを特徴とする、請求項６〜８に記載の光音響法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不均一試料の性質をマイクロメートルスケールの深さ分解能で決定するための光音響法に関する。本発明は、具体的には、電磁放射線が試料表面内へ発せられて、圧力波を発生させる間に試料に吸収され、圧力波が測定部位へ伝播されて圧力過渡として検出される光音響法に関する。
【０００２】
また、本発明は、生体組織、たとえば生きている状態の皮膚の性質を非侵襲的に決定するための光音響法にも関する。
【背景技術】
【０００３】
光音響測定デバイスおよびセンサは、物質をその特徴的な光吸収によって検出しかつ定量化するための既知の手段である。特定の物質について試料を分析するために、その物質に特徴的な吸収波長であることが既に知られている１つまたは複数の光波長を有する測定光によって、試料の照明が行われる。測定光は、試料内へパルス式に照射され、そこで、局所的に、物質の分布に依存して変わる度合いで吸収される。光吸収によって伝達されるエネルギーは、試料の加熱および熱機械的膨張を引き起こす。どちらも、再び平衡を確立するために、不均一に伝達されるエネルギーを試料中に分散させる緩和プロセスをトリガする。これは、熱拡散、および圧力波−音波−の試料を介する、とりわけ試料表面までの伝播によって生じる。
【０００４】
確立された光音響法において、圧力波は、圧電音波変換器により、試料表面における圧力過渡として検出される。このような音波変換器、以下、検出器とも称する、は、典型的には数十ナノ秒という高い時間分解能を対応する電子測定機器によって達成することができ、よって、試料の異なる深さからの圧力波の立上り時間を区別することに適する。測定光の波長が、その大部分が局在する物質または構造体（たとえば、血管内のヘモグロビン）によって吸収されるように選択され、かつ、圧力過渡が試料上の複数の場所で同時に検出されるのであれば、吸収場所を識別しかつ３Ｄ画像として表すことができる。たとえば、血管網の表現をこの方法で生体内に発生させることができる。
【０００５】
しかしながら、固体または流体試料内では音速が高く、たとえば、水中のそれは１．５μｍ／ナノ秒であり、その結果、試料が試料表面下数十マイクロメートルの深さにおいて既に完全に吸収している測定光で照射される従来の光音響法は、試料の限定的な分析にしか適さない。こうした状況においては、吸収は事実上測定部位の真下でしか発生し得ないという理由で、その表面における、先に測定光が照射されているその同じ測定部位において、圧力信号が検出されなければならない。検出器へほぼ同時に到達する圧力信号の持続時間は、相応して全て短い。検出器の時間分解能は、限定的であり、概して、圧力信号が発生する試料深さに対してマイクロメートルスケールの分解能を許容しない。
【０００６】
Ｆｅｉ  Ｇａｏ外著の出版物「Ｓｉｎｇｌｅ  ｌａｓｅｒ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｄｕａｌ  ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｓｉｇｎａｌｓ  ｆｏｒ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｃｏｎｔｒａｓｔ  ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｉｍａｇｉｎｇ」、Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｒｅｐｏｒｔｓ  │７：６２６│ＤＯＩ：１０．１０３８／ｓ４１５９８−０１７−００７２５−４  １，（２０１７）には、時間的に分離された２つの圧力信号をあらゆるパルス、すなわち、各々測定光パルスの始まりにおける１つおよび終わりにおける１つのパルス、でトリガするために、長い測定光パルスを用いることが提案されている。この場合、１つの測定光パルスに属する２つの圧力信号は、非線形相関を有する。これらは、一定の時間間隔および反対の極性を有するが、測定光パルスの持続時間および長いパルス持続時間の間の試料の加熱に依存して、異なる振幅を有し得る。したがって、試料内に蓄積されるエネルギー密度についての洞察は、相関される圧力信号間の差から得ることができる。Ｆｅｉ  Ｇａｏ外によるこの方法を、以下、差分光音響法（ＤＰＡ）と称する。
【０００７】
たとえば、下記の測定タスクは、生きている状態の皮膚の約２０μｍ厚さの角質層（ＳＣ）の下の「間質液」（ＩＳＦ）における１０μｍの波長を有するＭＩＲ測定光の吸収量を測定することにより、生体内で血糖値を決定する、という、Ｋｏｔｔｍａｎｎ外著の論文「Ｇｌｕｃｏｓｅ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｉｎ  ｈｕｍａｎ  ｅｐｉｄｅｒｍｉｓ  ｕｓｉｎｇ  ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」、Ｖｏｌ．３、Ｎｏ．４／ＢＩＯＭＥＤＩＣＡＬ  ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ、Ｓ．６６７  ｆｆ、に基づくものである。この論文によれば、測定光は、皮膚表面下１００μｍまでの深さ範囲内で吸収され、この吸収により圧力信号が生成される。しかしながら、ＳＣは、それ自体で血糖濃度に関する重要な情報を提供するものではない。グルコース値の推測に適するものは、唯一、より深い層、具体的には有棘層における吸収である。不均一試料のこうした可変的性質の識別は、表面下僅か数十マイクロメートルの測定深さまでのマイクロメートルスケールの深さ分解能を達成することを前提とする。
【０００８】
このような背景に対して、具体的には測定光が不均一試料によって容易に吸収されるスペクトル範囲に由来する場合に、不均一試料をマイクロメートルスケールの深さ分解能で分析できる新しい光音響測定方法に関心がもたれている。発明者らの知る限りでは、差分光音響法は、まだ、この問題に対する可能なソリューションとされていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｆｅｉ  Ｇａｏ外著「Ｓｉｎｇｌｅ  ｌａｓｅｒ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｄｕａｌ  ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｓｉｇｎａｌｓ  ｆｏｒ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｃｏｎｔｒａｓｔ  ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｉｍａｇｉｎｇ」、Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｒｅｐｏｒｔｓ  │７：６２６│ＤＯＩ：１０．１０３８／ｓ４１５９８−０１７−００７２５−４  １，（２０１７）
【非特許文献２】Ｋｏｔｔｍａｎｎ外著「Ｇｌｕｃｏｓｅ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｉｎ  ｈｕｍａｎ  ｅｐｉｄｅｒｍｉｓ  ｕｓｉｎｇ  ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」、Ｖｏｌ．３、Ｎｏ．４／ＢＩＯＭＥＤＩＣＡＬ  ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ、Ｓ．６６７  ｆｆ
【発明の概要】
【００１０】
本発明の意図は、不均一試料の性質を決定するための、既定の波長範囲を有する測定光を用いる光音響法を提案するという目的を達成することにあり、該試料は、既定の波長範囲に対して、１〜１００マイクロメートルの間の平均吸収長さを有する。
【００１１】
この目的は、不均一試料の性質を決定するための、既定の波長範囲を有する測定光を用いる光音響法によって達成され、該試料は、既定の波長範囲に対して、１〜１００マイクロメートルの間の平均吸収長さμを有し、該光音響法は、
ａ）  不均一試料の表面における部位Ｆ、√Ｆ≫μ、の測定部位を、既定のパルス持続時間および既定の強度を有する少なくとも１つの測定光パルスで照射するステップと、
ｂ）  測定部位における少なくとも１つの圧力過渡を検出するステップであって、圧力過渡は、測定部位へ伝播する圧力波を生成する、不均一試料における少なくとも１つの測定光パルスの吸収から結果的に生じるステップと、
ｃ）  パルス持続時間の間に試料により吸収されるエネルギー密度の値を、少なくとも１つの測定光パルスの始まりと終わりにおける少なくとも１つの圧力過渡の曲線から計算するステップと、を含み、
ｄ）  測定部位の法線に対する測定光の異なる入射角について、ステップａ）〜ｃ）を反復することであって、ステップｃ）において決定されるエネルギー密度値は、各々入射角によりインデックスが付されることと、
ｅ）  不均一試料を層スタックとしてモデル化することであって、各層に、少なくとも１つの層厚さおよび吸収係数が割り当てられ、層の少なくとも１つの吸収係数は、フィットパラメータであることと、
ｆ）  層スタックのフィットパラメータについてフィッティング手順を実行することであって、入射角でインデックス付けされるエネルギー密度値の、個々の層の寄与への分割は、既定の整合性基準が満たされるまでフィットパラメータの変動によって変えられることと、
ｇ）  フィットしたフィットパラメータを、少なくとも不均一試料の深さ分解吸収係数の値として読み出すこと、を特徴とする。
【００１２】
従属請求項は、該方法の効果的な実施形態を示す。
【００１３】
本発明による光音響法は、検出される圧力過渡の時間曲線を分析するが、試料深さへの音波持続時間のいかなる類の割当ても行わない。反対に、測定光パルスの始まりと終わりに現出する、かつここでは圧力パルスと呼ばれる圧力過渡の顕著な構造は、互いに時間的に分離されて記録され、かつ、例として、また選好的に、時間的に統合される。単一の圧力過渡の圧力パルス積分値Δρ間の差分は、長い測定光パルスの始まりと終わりにおいて測定光に対する拡張反応が異なることの結果である。たとえば、試料の拡張は、概して、測定光パルスが試料に到達すると発生し、かつ収縮は、測定光パルスが終わるとすぐに、すなわち、光が消えるとすぐに発生する。測定光パルスが持続する間、試料内には電磁エネルギーが蓄積され、これにより、局所的な加熱が生じる。照明される試料容積の温度依存性グリュナイゼン係数、Γ（Ｔ）、は、光音響応答の定義パラメータであり、かつ、最初の近似において、温度変化に線形的に依存する。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
照明された容積における放射線吸収の結果としての温度上昇は、同時に試料の熱容量Ｃｐによって決定される。分析対象である試料に関してこれらの材料係数が既知であれば、または、試料に関する知識からこれらについて合理的な仮説を立てることができれば、直に測定される変数Δｐを、照明された容積Ｖに対する蓄積エネルギーΔＥに、すなわち、吸収されたエネルギー密度に変換することができる。
【００１６】
【数２】
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【００１７】
式（２）において、ＩＯは、試料が照射される測定光強度（単位：パワー／面積）を示し、δｔは、測定光パルスの立上りまたは立下り時間（図１も参照）、ηは、音速および圧力過渡の検出器依存積分時間で除算した、Ｆｅｉ  Ｇａｏ外（２０１７年）に類似する熱−圧力変換効率を指す。
【００１８】
本発明の根本的な考案は、具体的には、測定光は、試料内の短い距離に渡り既に大部分が吸収されていることが断定される、という理由で、Δｐは、測定部位の法線に対する測定光の入射角θへの明確な依存性を示す、という洞察に基づいている。垂直入射（θ＝０゜）であれば到達できる試料のより深くに存在する層へ、測定光は、大きい角度で到達することができない。したがって、互いに異なる、すなわち各々ペア毎に異なる、角度θにおける一連の測定値Δｐ（θ）は、試料の深さ分解能に関する情報を、事実上必然的にマイクロメートルスケールで抽出できる、試料の線形的に独立した測定値の集合を表す。
【００１９】
本発明による方法は、断層撮影法、たとえば、オブジェクトが異なる角度から完全に照射されて画像化され、かつ、得られた画像の統合ビューからコンピュータモデルが適宜再構成されるＣＴスキャン、に少し似ている。
【００２０】
また、本発明は、不均一試料の再構成も実行しなければならず、この再構成は、構造変化は深さ軸に沿ってのみ生じる、という、問題を大幅に単純化する仮説を立てることができる。次に、不均一試料は、Ｍ個の層を含む一次元的層スタックとしてモデル化されることが可能であり、ここで、Ｍは自然数である。本発明によれば、モデルの各層（指数ｉ＝１，．．．，Ｍを有する）には、特性として少なくとも１つの層厚さｄｉおよび吸収係数αｉが割り当てられ、層の少なくとも１つの吸収係数は、フィットパラメータとして提供される。
【００２１】
式（２）の右辺における角度にのみ直に依存する変数は、蓄積されるエネルギーΔＥ（θ）および照明される容積Ｖ（θ）＝Ｆｘμ（θ）であり、ここで、Ｆは、測定光が照射される既定の測定部位の面積を指し、μ（θ）は、試料全体で平均される放射線の侵入深さを示す。深さ軸に垂直な、すなわち試料表面に対して平行である試料の光音響応答の黙示的な平均化は、効果的には、測定部位の寸法、すなわち各々√Ｆに比例するエッジの長さまたは直径、がμに対してかなり大きくなるように設定されることから、既に生じている。
【００２２】
実際に照明される試料部位もまた、斜め入射における測定光の屈折の結果として、測定部位の下に存在しないエッジ部位を呈し得るという事実は、単純化のためにここでは無視されている。
【００２３】
試料内に蓄積されるエネルギー密度の分布は、基本的に、関連する吸収係数の影響下で、測定光がどの層においてどの経路長さを進むかに依存する。たとえば、９０゜に近い入射角（すれすれの入射）では、測定光が試料の最上層内で伝播されかつ完全に吸収されることが可能である。角度を減じると、侵入深さが変わり、測定光は、第２の層または第３、他の層でも吸収されることが可能である。
【００２４】
入射角の変化は、事実上、試料モデルの全層の厚さの同時的拡張を意味する。言い替えれば、層モデルについて、モデルパラメータからの深さ軸としてｘを用いて光強度Ｉ（ｘ）を計算し、かつその過程で、異なる角度θについて単に全てのｄｉをｄｉ／ｃｏｓ（θ）に置き換えれば足りる。明確に言えば、入射角のみが変えられる場合でも、強度が−延ては測定可能な圧力応答も同時に−変わることから、層厚さｄｉまたは角度θのあらゆる変化に対して強度Ｉ（ｘ）の新たな計算が必要である。
【００２５】
モデル化された光強度を用いれば、本発明により、吸収されるエネルギー密度を層スタックの個々の層へ配分すること、言い替えれば、測定されるエネルギー密度に対する個々の層の寄与を決定することが可能である。下記の考察は、この目的に叶うものである。
【００２６】
深さ間隔Δｘに渡る堆積エネルギーの増加は、同じ間隔に渡る照射パワーの減少に測定光パルスの持続時間Δｔを乗算したものに相当する（図１参照）。測定光強度Ｉ（ｘ）は、深さ依存のパワー面積密度であって、
【００２７】
【数３】
2021500534.tif 000005
がほぼ成り立つが、右辺の差分商は、単純化のために微分商に変換されている。侵入深さμ全体に渡って平均される吸収エネルギーは、重み付け積分、
【００２８】
【数４】
2021500534.tif 000006
によって得られ、重み付けは、
【００２９】
【数５】
2021500534.tif 000007
である。
【００３０】
式（５）における重み関数は、ｘ＞μのとき、ほぼゼロであり、すなわち、式（４）における積分上限をほぼ∞に設定することができる。式（３）および式（５）を式（４）に代入し、面積Ｆで割ると、
【００３１】
【数６】
2021500534.tif 000008
【００３２】
【数７】
2021500534.tif 000009
になる。
【００３３】
式（６）から式（７）への推移において、試料は、Ｍ個の層による層厚さｄｉ、ｉ＝１，．．．，Ｍの層スタックとして導入され、ｄ０＝０、ならびに吸収係数αｉ、ｉ＝１，．．．，Ｍと定義する。個々の層において、強度は、既知の指数曲線を辿り、各々ｄＩ（ｘ）／ｄｃ＝‐αｉ×Ｉ（ｘ）が成り立つ。
【００３４】
これまでの式では、入射角θへの依存が伏されている。ここで、これを明示的に加えると、次のような結果が得られる。
【００３５】
【数８】
2021500534.tif 000010
【００３６】
式（８）は、Ｉ０が事前に追加されて知られている場合の、層スタックにおける強度Ｉ（ｘ）曲線を画定するパラメータの条件式系である。式（８）の左辺は、式（２）に従って評価された圧力過渡からの測定値を表す。原則として任意の数Ｎの入射角θの測定値は、方程式系（８）を線形独立方程式で埋めるために使用されることが可能である。
【００３７】
不均一試料のモデルをどのように構成し、かつどのパラメータを先験的な未知のフィットパラメータとして選択するかは、表面上、本発明のユーザに委ねられる。たとえば、生体試料の層厚さは、光干渉断層撮影によって事前に測定される可能性もある。その場合、ｄｉ、ｉ＝１，．．．，Ｍは、既知となり、よって、フィットパラメータではなくなることになる。概して、層スタックのうちの層は悉く、少なくとも１つの未知のフィットパラメータを割り当てられていることが想定され得る。本発明によれば、少なくとも１つの層にフィットパラメータとして吸収係数が割り当てられる。
【００３８】
式（８）において考察される入射角の数Ｎは、好ましくは、式（８）における未知のフィットパラメータの数にほぼ対応すべきであるが、これらは、互いに独立して変わってもよい。本発明によれば、少なくとも２つの異なる入射角が使用されるものとされる。
【００３９】
ちなみに、本発明には、商Γ'／Ｃｐに関する式（２）のフレーミングの間に行われる仮説をチェックし、かつ必要であれば改善することも含まれる。実際には、層スタックの圧力応答測定値は、個々の層の圧力応答Δｐｉの和であって、各層は、各層に割り当てられるΔｐｉに比例する独自の商Γ'ｉ／Ｃｐｉを持つことができる。これにより、たとえば下記のような自己整合ループを確立できるようになる。
ａ）  Ｎ個の入射角について、Ｎ個の圧力応答を測定する
ｂ）  式（２）に従って、吸収されるエネルギー密度についてＮ個の値を計算する
ｃ）  エネルギー密度の計算値を式（８）へ代入して、Ｍ個の層を有するモデルに関する方程式系を（概して数値的に）解く
ｄ）  商Γ'ｉ／ＣｐｉをＭ個の層へ割り当て、新たな平均値Γ'／Ｃｐを計算する
ｅ）  モデルのパラメータが変化しなくなるまで、ステップｂ）〜ｄ）を反復する
【００４０】
典型的には、連続する２つの実行の間のパラメータの変化が既定の限度内に収まると、自己整合ループを中断する。原則として、試料の正確な性質および／または決定されるべきパラメータに関するユーザの精度要件を知る者はユーザのみであることから、特有の整合性基準を定式化することは、常に本方法のユーザの特権でなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
以下の図面の目的は、実施形態のさらなる明確化および例示にある。
【図１】測定光パルスの典型的な時間曲線を示すプロットである。
【図２】個々の層にパラメータが割り当てられた試料の層モデルのスケッチ、および異なる入射角の３つの強度曲線を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１には、測定光パルスの時間曲線が例示的に描かれている。強度は、短い時間期間δｔの間に０からその最大値Ｉ０まで増加し、時間期間Δｔ９≫δｔに渡ってそこに留まり、その後δｔの間に０まで下がる。試料の拡張および収縮による圧力パルスは、各々、測定光パルスの立上りまたは立下り時間の間にトリガされ、長さδｔの時間間隔の間に測定可能な圧力過渡のピークを生成する。試料のエネルギー蓄積および加熱は、パルス持続時間Δｔの間に発生する。圧力過渡は、この段階では感知できるほどの構造を呈さない。パルス持続時間は、好ましくは１００〜１０００ナノ秒であり、特に好ましくは２００〜６００ナノ秒である。この手段により、２つの圧力パルス間の時間間隔が大きく、よって、第２のパルスがトリガされるまでに、第１のパルスが既に記録されていること−いずれにせよ、試料の加熱部位を離れて以降かなりの時間が経過していること−が保証される。同時に、パルス持続時間は、かなり短く、圧力パルスのトリガ時間の間の熱拡散による堆積エネルギーを大幅に除去し得るものではない。
【００４３】
測定光は、試料表面における測定部位上へ照射される。測定部位の位置、形状および表面積に関する正確な画定は、ユーザに存する。試料内に想定される測定光の限定的な侵入深さの結果として、光音響励起に対する最強の圧力応答が直に測定部位において予想される。
【００４４】
例示として、かつ選好的に、測定光の照射は、測定光を通すコンタクトプリズムを介して行われてもよい。コンタクトプリズムは、測定光が方向づけられる、かつ、試料と機械的に接触するように位置決めされる試料接触面を有する。試料に透通する測定光により生成される圧力パルスは、試料接触面まで伝播し、ここで、たとえばコンタクトプリズムの検出面上へ試料接触面に対向して配置される音波変換器（圧電トランスデューサ）によって捕捉され得る。したがって、圧力パルスは、コンタクトプリズムの内部で追加の距離を進み、遅延の後に到達しなければならないが、これは、本発明の方法による評価にとって重要ではない。追加経路の目的は、専ら、試料上への測定光入射の音波変換器による遮断を回避することにある。この点で、コンタクトプリズムによる測定は、この場合は試料接触面と同一である測定部位における圧力過渡の記録と見なされる。
【００４５】
不均一試料の層スタックとしてのモデルを、図２に示す。個々の層には、層厚さ、吸収係数、グリュナイゼン係数および熱容量を割り当てることができる。しかしながら、本発明による評価の場合、必要なものは、唯一、熱容量に対するグリュナイゼン係数の温度上昇、すなわちこれらの商、である。この意味で、たとえば自己整合ループの計算を実行する場合、既に述べたように、本方法でフィットパラメータとして実際に使用できるものは、商のみである。層スタックの個々の層のフィットパラメータとしての、グリュナイゼン係数の温度上昇および熱容量の商の導入は、本方法の効果的な一実施形態である。
【００４６】
どのパラメータが知られていて、どのパラメータがフィットされなければならないかは、基本的には、試料の性質およびユーザの予備知識に依存する。しかしながら、特に、生きている状態の生体試料、具体的には、生きている状態の皮膚におけるグルコース決定の場合、測定光の吸収係数は、特に注意すべきものであって、典型的には、生理学的過程に起因して変わる可能性があり、よって未知である。したがって、本発明は、角度依存式に記録される圧力過渡から、不均一試料の少なくとも深さ分解吸収係数α（ｘ）を決定することを目的とする。これは、ほぼ、試料の層スタックモデルの、パラメータαｉ、ｉ＝１，．．．，Ｍを有するα（ｘ）を識別することによって発生し、ここで、少なくとも１つのαｉは、先験的に未知であって、フィッティング手順により決定される。概して、全てのαｉは、未知であって、フィッティング手順のフィットパラメータとして作用する。
【００４７】
図２における層厚さは、好ましくは、５００ナノメートル〜１００マイクロメートルの範囲から選択されるべきものである。５００ナノメートルより略薄い層は、ほとんど十分な線形吸収を呈さず、よって、感知できるほどのエネルギー蓄積がない。このような薄い層は、隣接するより厚い層と併せてモデル化する方が得策である。しかしながら、本発明による方法は、まさしく１層しか持たない−略自明な−モデルの事例も明確に含む。そのために、本明細書では、この事例でも、層パラメータを決定するために、少なくとも２つの異なる入射角において、圧力過渡の少なくとも２つの測定、必然的に堆積エネルギー密度の２つの測定を実行することを提案する。この場合、フィットパラメータに関する本発明によるフィッティング手順は、当然ながら、結果的に極めて単純なものとなり得る。
【００４８】
図２における３つの強度曲線を活用すれば、本発明の考案をもう一度別の言葉で例示することができる。上側の曲線は、たとえば、測定光が測定部位へ垂直に当たったとき（θ＝０゜）の、試料内の測定光の強度曲線を示している。測定光は、各層を最短ルートで通過することから、個々の層内で最遠まで透通し、パワー損失も最小である。上から２番目の曲線は、入射角θ＝φ＞０゜での強度を表し、最下曲線は、入射角θ＝φ'＞φの場合の強度曲線を表す。入射角が増大するにつれて、測定光は、個々の層を各々より長いルートで横切り、よって、層は、測定部位に近いほど、パルス持続時間の間にますますエネルギー密度を蓄積する。層が深くなると、大きい入射角では、寄与の程度が加速度的に皆無まで下がる。角度依存圧力信号のこの統合ビューでは、層の順序および性質を推測することができる。
【００４９】
真ん中の曲線における中間的な強度値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，．．．の表示は、式（８）における積分を全て解析的に解くことができ、かつ本表において正確にこれらの中間値へと導くことができるという事実を指し示すべきものである。これらの中間値を追加のフィットパラメータとして導入し、かつより多くの入射角を用いて方程式系を解くことは、参考になる。しかしながら、中間値は、層の吸収係数および厚さに直に依存し、よって、さらに別の整合性チェックが実行されなければならない。
【００５０】
角度依存の圧力過渡または吸収エネルギー密度の測定値を巧みに使用すれば、層モデルのフィッティング手順を、複数の個別層および層毎の複数のフィットパラメータをも用いて迅速かつ効率的に実行するための効果的なオプションも利用可能である。すなわち、測定値を入射角に従って順序付け、かつ、まずは入射角の測定値の部分集合θ＞θ０≫０゜のみを方程式系（８）に代入すれば−すなわち、系全体を評価しなくても−既に、最外層のフィットパラメータに関して信頼性の高い結果を得ることが可能である。使用される測定値は、実際にはより深い層の寄与分を全く含まず、すなわち、このアプローチは、近似を構成するものではなく、単に、選択された入射角での測定光の侵入深さに関する仮説を含むだけである。
【００５１】
この仮説が著しく不正確である場合、すなわち、選択される測定値部分集合に対して提供される層が少なすぎれば、当初は誤ったフィットパラメータを得るが、これは、続いてより多くの層が追加されかつより大きい測定値部分集合が使用されるにつれて、再び正しい値の方向へと移り始める。最悪の場合、計算時間が無駄になるが、不正な結果を得ることはない。
【００５２】
しかしながら、正しい仮説が立てられれば、層スタックのフィットパラメータが好ましくは最外層を基礎として層に対し連続的にフィットされることから、フィッティング手順のパフォーマンスを大幅に促進することができ、既定の整合性基準の満足度が、測定光の最大の入射角を始めに、より小さい入射角へと連続して繰り返しチェックされる。まずは外層のパラメータ、次いでより深いパラメータを少しずつ決定することにより、フィッティング方法の後続ステップにおいて、特に複数の材料変数が層毎のフィットパラメータとして決定される場合の計算量を節約することが可能である。
【００５３】
なお、具体的には、事前の測定値からフィットパラメータの可能な変動について既に確立した履歴が入手されている試料について、反復的な測定タスクがいつも変わらず解かれる場合には、先に述べた意味合いにおける正しい仮説を立てることが可能である。これは、特に、一人の被検者に対してグルコース測定が反復される場合に当てはまる。
【００５４】
既に述べたように、本発明による方法は、生きている状態の生体試料、具体的には、生きている状態の皮膚試料に対する測定によく適する。１つの目標は、人体部分における非侵襲的な生体内血糖測定である。この目的に対して、具体的には、測定光として中赤外（ＭＩＲ）波長を選択することが特に適する。この測定光は、効果的には、１〜２０マイクロメートルの、特に好ましくは６〜１２マイクロメートルの間の波長を有する。
【００５５】
測定光の波長を単一試料の分析中に変更可能であることは、明らかである。たとえば、第１の波長について一連の入射角を通して実行し、かつ試料から第１の角度依存の圧力過渡を記録して、引き続き同じ一連の入射角を第２の波長について使用し、第２のシーケンスの圧力過渡を測定することが可能である。このアプローチは、本発明による吸収係数の決定に特に有用であるが、その理由は、吸収係数が、典型的には波長に依存することにある。特定物質のスペクトル同定は、吸収の波長依存性によって正確に発生する。
【００５６】
しかしながら、本発明の効果的な一実施形態は、既定の入射角に対する測定光の波長が、入射角に依存する間隔に渡って変えられる、という事実の中に見出される。ここにおける主な利点は、やはり分析の促進に存する。すなわち、生きている状態の皮膚上でのグルコース測定の例を用いると、大きい入射角−すれすれの入射角−の圧力過渡が測定され、かつ効果的には、これから、表皮層、具体的には角質層および有棘層、の波長依存吸収係数の値が測定され、よって、これらの測定値は、当初、外部角質層に対してのみ意味がある。しかしながら、この文脈においては、以前の分析から、グルコースは、角質層の必須成分ではないことが知られている。したがって、いずれの場合も僅かしか変化しない最外層内の吸収係数を検証するために、グルコースによって特に容易に吸収される複数の波長を照射する必要はない。現実的なグルコース濃度を決定するための吸収量の決定にとって、グルコース感受性波長が有用または重要であるのは、測定光が有棘層にも達し得る場合に限られる。必然的に、こうした波長を、より小さい入射角の測定光で照射すれば足りる。
【００５７】
結論として、測定光で測定部位を照射する間の入射角の修正には、試料内へ実際に照射される強度が、光の同様に変わりやすい部分が試料により反射されることに起因して変わる、という望ましくない副次的影響があり得ることは、指摘されなければならない。しかしながら、反射される強度は、たとえば、光検出器によって直に測定されることが可能である。この手段により、式（２）および式（８）において、強度の数値補正係数を容易に決定することができる。しかしながら、代わりに、むしろ実際に透通する測定光の強度を一定に保つことが効果的であり得るが、これは、測定される圧力過渡によってバックグラウンドノイズの増大が予測されることに起因する。この目的に沿って、測定光を測定部位上へ、たとえばソレノイドおよび偏光子によって直線偏光される電子的に切り替え可能な減衰デバイスを介して照射することを提案する。コイルへの電流供給を選択することによって、測定光の偏光面を、場合により多かれ少なかれ測定光が測定部位へ達するように回転させることができる。したがって、たとえば、該光検出器が反射される強度を連続的に測定し、それをコイル電流の制御ユニットに中継する場合に、測定光強度の自動化可能な再調整が生じ得る。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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