借助具有预定的波长范围的测量光的、用于确定不均匀样品的特征的光声方法技术

本发明专利技术涉及一种光声方法，所述光声方法借助具有预定的波长范围的测量光来确定不均匀的样品的特征，其中所述样品对于预定的波长范围具有在区间1‑100微米中的平均吸收波长μ，所述方法包括如下步骤：a)将至少一个测量光脉冲以预定的脉冲时长和预定的强度入射到不均匀的样品的表面中的面积F的测量面上，其中

Photoacoustic method for determining the characteristics of inhomogeneous samples by measuring light with a predetermined wavelength range

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】借助具有预定的波长范围的测量光的、用于确定不均匀样品的特征的光声方法
本专利技术涉及一种用于以微米深度分辨率来确定不均匀的样品的特征的光声方法。尤其是，本专利技术涉及一种光声方法，其中将电磁辐射入射到样品的表面上并且被样品吸收以产生压力波，其中压力波传播至测量面并且作为压力瞬态被探测。本专利技术也涉及一种用于非侵入地确定活体组织例如活体皮肤的特征的光声方法。
技术介绍
光声测量仪器和传感器是已知的用于对物质通过其特征性的光吸收进行探测和定量分析的机构。为了针对要研究的物质来检查样品，借助测量光来照射样品，所述测量光具有一个或多个光波长，所述光波长作为物质的特征性的吸收波长是预先已知的。测量光以脉冲的方式射入到样品中并且在那里与物质的分布相关地局部不同强度地吸收。借助光吸收输入的能量引起样品的发热和热机械膨胀。二者引发弛豫过程，所述弛豫过程将不均匀输入的能量分布到样品上，以便再次建立平衡。这经由热扩散和压力波——声波——经过样品、此外朝向样品表面传播发生。在常见的光声方法中，压力波作为样品表面处的压力瞬态由压电声转换器探测。这种声转换器、一般而言还有探测器可以借助相应的测量电子装置达到通常为数十纳秒的高时间分辨率并且从而适合于分辨出自样品的不同深度的压力波渡越时间。如果将测量光的波长选择成使得所述测量光主要由局部化的物质或结构(例如在血管中的血红素)吸收并且在样品上的多个地点同时探测到压力瞬态，那么能够确定吸收的地点并且作为3D图像显示。因此，例如可以产生活体内的血管网的视图。由于固态或液态样品中声速大，例如在水中为1.5μm/ns，但常用的声光学在如下情况下也仅有限地适合于检查样品：所述样品借助测量光辐照，样品已经在样品表面下的数十微米的深度中完全吸收测量光。在所述条件下，应在表面的如下测量面上探测压力信号，测量光之前已经射入到所述测量面中，因为实际上仅直接在测量面之下会发生吸收。几乎同时在探测器上入射的压力信号的全部渡越时间是相应短的。探测器的有限的时间分辨率通常不允许用于压力信号所出自的样品深度的微米分辨率。在FeiGao等人的出版物“Singlelaserpulsegenerateddualphotoacousticsignalsfordifferentialcontrastphotoacousticimaging”，ScientificReports∣7:626∣DOI:10.1038/s41598-017-00725-41，(2017)中，提出使用长的测量光脉冲，以便借助每个脉冲触发两个时间上分开的压力信号，即在测量光脉冲开始和结束时各一个。属于测量光脉冲的两个压力信号在此非线性地相干。所述压力信号具有固定的时间间隔和相反的极性，但是可以根据测量脉冲时长和样品在长的脉冲时长期间的发热而具有不同的幅值。从相干的压力信号的差值中就此而言可以获得关于在样品中沉积的能量密度的知识。FeiGao等人的方法在下文中称作为差分电光学(DPA)。例如从Kottmann等人的论文“Glucosesensinginhumanepidermisusingmid-infraredphotoacousticdetection”，第3卷，第4期/BIOMEDICALOPTICSEXPRESS，第667及以下页中得出如下测量目的：通过测量波长在10μm附近的MIR测量光在“interstitialfluid(组织液)”(ISF)中在活体皮肤的大约20μm厚的角质层(SC)下方的吸收来确定活体中的血糖含量。测量光在此根据源在皮肤表面下方的直至100μm的深度范围中吸收，并且吸收生成压力信号。但是角质层本身不提供任何关于血糖浓度的有效力的信息。在深的层中、尤其在棘层中的吸收才适合于，导出葡萄糖水平。确定不均匀的样品的这种改变的特征的前提条件是直接在表面下方在仅数十微米的测量深度上达到微米深度分辨率。在该背景下，对新的光声测量方法感兴趣，所述光声测量方法可以以微米深度分辨率来检查不均匀的样品，如果测量光出自由不均匀的样品强烈吸收的光谱范围，那么刚好如此。根据专利技术人的知识，差分电光学对于所述问题还不考虑作为解决可能性。
技术实现思路
本专利技术提出如下目的，提出一种借助具有预定的波长范围的测量光来确定不均匀的样品的特征的光声方法，其中样品对于预定的波长范围具有区间1-100微米中的平均吸收长度。所述目的通过借助具有预定的波长范围的测量光来确定不均匀的样品的特征的光声方法来实现，其中样品对于预定的波长范围具有区间1-100微米中的平均吸收长度μ，所述方法包括如下步骤：a)将至少一个具有预定的脉冲时长和预定的强度的测量光脉冲入射到不均匀的样品的表面中的面积F的测量面上，其中b)探测测量面处的至少一个压力瞬态，其中压力瞬态因至少一个测量光脉冲在不均匀的样品中的吸收在产生传播至测量面的压力波的情况下产生；c)从在至少一个测量光脉冲开始和结束处的至少一个压力瞬态的变化曲线中计算在脉冲时长期间由样品吸收的能量密度的值；其特征在于，设有d)针对测量光相对于测量面的法线的彼此不同的入射角重复步骤a)至c)，其中在c)中确定的能量密度值分别借助入射角指示；e)将不均匀的样品建模为层堆，其中每个层与至少一个层厚度和吸收系数相关联，其中层的至少一个吸收系数是拟合参数；f)实施用于层堆的拟合参数的拟合过程，其中通过改变拟合参数，改变借助入射角指示的能量密度值对各个层的贡献的分配，直至满足预定的一致性标准；g)读出经拟合的拟合参数作为至少用于不均匀的样品的深度分辨的吸收系数的值。从属权利要求给出方法的有利的设计方案。根据本专利技术的光声方法分析探测到的压力瞬态的时间变化曲线，在此但是放弃在样品深度上的声渡越时间的任意关联关系。更确切地说，在一个测量光脉冲开始和结束时示出的并且在此称作为压力脉冲的压力瞬态的突出的结构在时间上彼此分开地检测并且例如和优选地在时间上积分。单个压力瞬态的压力脉冲积分的差值Δp是对在长的测量光脉冲开始和结束时的测量光的不同的膨胀响应的结果。如果测量光脉冲射入样品中，那么例如通常发生样品的膨胀，并且只要测量光脉冲结束，即切断照射，那么发生收缩。在测量光脉冲的时长期间，电磁能量沉积在样品中，这引起局部发热。样品的被照射的体积的与温度相关的格律乃森系数Γ(T)是用于光声响应的确定的参数并且一级近似地与温度变化线性地相关：Γ(T)＝Γo+Γ′ΔT(1)同时在被照射的体积中由于吸收的辐射造成的温度升高通过样品的热容量Cp来确定。如果用于被检查的样品的所述材料系数是已知的或者此外从对样品的了解中可以进行合理的假设，那么能够将直接的测量变量Δp换算成沉积的能量ΔE，关于被照射的体积V，即换算成被吸收的能量密度：在方程(2)中，I0表示入射到样品上的测量光强度(以功率/面积为单位)，δt表示测量光脉冲的上升或衰减时长(也参见图1)，并且η表示从热量到压力的转换效率，类似于FeiGao等人(2017)，除以声速和压力瞬态的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光声方法，所述光声方法借助具有预定的波长范围的测量光来确定不均匀的样品的特征，其中所述样品对于预定的波长范围具有出自区间1-100微米的平均吸收波长μ，所述方法包括如下步骤：/na)将至少一个测量光脉冲以预定的脉冲时长和预定的强度入射到不均匀的样品的表面中的面积F的测量面上，其中

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171027 EP 17198860.31.一种光声方法，所述光声方法借助具有预定的波长范围的测量光来确定不均匀的样品的特征，其中所述样品对于预定的波长范围具有出自区间1-100微米的平均吸收波长μ，所述方法包括如下步骤：
a)将至少一个测量光脉冲以预定的脉冲时长和预定的强度入射到不均匀的样品的表面中的面积F的测量面上，其中
b)探测测量面处的至少一个压力瞬态，其中所述压力瞬态因至少一个测量光脉冲在不均匀的样品中的吸收在产生传播至测量面的压力波的条件下产生；
c)从在至少一个测量光脉冲开始和结束时的至少一个压力瞬态的变化曲线中计算用于在脉冲时长期间由所述样品吸收的能量密度的值；
其特征在于，设有
d)针对测量光相对于测量面的法线的彼此不同的入射角重复步骤a)至c)，其中在c)中确定的能量密度值分别用入射角指示；
e)将不均匀的样品建模为层堆，其中每个层与至少一个层厚度和吸收系数相关联，其中层的至少一个吸收系数是拟合参数；
f)执行用于层堆的拟合参数的拟合过程，其中通过改变拟合参数改变借助入射角指示的能量密度值对各个层的贡献的分布，直至满足预定的一致性标准；
g)读出经拟合的拟合参数作为至少用于不均匀的样品的深度分辨的吸收系数的值。


2.根据权利要求1所述的光声方法，
其特征在于，
在步骤f)中还将每个层与...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉斐尔·施莱辛格，扬费伦茨·基施卡特，赫尔曼·冯利林菲尔德托阿尔，
申请(专利权)人：柏林洪堡大学，
类型：发明
国别省市：德国;DE