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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des strukturellen Aufbaus von Medien, die sich aus Strukturelementen zusammensetzen.
Unter Medien, die sich aus Strukturelementen zusammensetzen, werden im folgenden heterogen aufgebaute, beispielsweise zelluläre, fasrige, kolloidale od. ähnl. Medien verstanden. Wird ein solches Medium einem elektrischen Feld ausgesetzt, so kann es zu bedeutenden Aufladungen der im Medium vorhandenen Grenzflächen kommen. Diese sogenannten Nachladungen äussern sich darin, dass die pauschale Dielektrizitätskonstante e des Mediums gegenüber den Dielektrizitätskonstanten der an seinem Aufbau teilhabenden Grundbaustoffe wesentlich überhöht ausfällt. Extreme Erhöhungen sind dort zu erwarten, wo ausgedehnte Bereiche guter Leitfähigkeit voneinander durch Grenzflächen geringer Leitfähigkeit getrennt werden.
Typische Vertreter derartiger Medien stellen biologische Gewebe dar, bei denen Bereiche intra-bzw. extrazellulärer Flüssigkeiten durch Zellmembranen hoher Isolationsfähigkeit getrennt werden. Die Erfassung elektrischer Kenngrössen stellt hier ein wesentliches Hilfsmittel bei der Analyse der Gewebestruktur dar (vgl. z. B. Med. & Biol.
Eng. & Comput., 1979,17, S. 45 bis 60 oder Biophysik 1, 1963, S. 143 bis 153). Die pauschale elektrische Leitfähigkeit y stellt insbesondere ein Mass für den extrazellulären Volumsanteil dar, die pauschale Dielektrizitätskonstante E erlaubt Rückschlüsse auf die im Gewebe vorhandenen Membranstrukturen.
Eine im Falle flüssiger oder halbfester Medien anwendbare Möglichkeit zur Bestimmung von y und e besteht darin, zwei Elektroden in das Medium in exakt definierter Weise einzubringen, wobei der Elektrodenabstand so klein gegenüber den Abmessungen des Mediums gewählt wird, dass das entstehende elektrische Strömungsfeld praktisch gleich jenem-in vielen Fällen mathematisch exakt beschreibbaren - ist, welches sich im Falle eines unendlich ausgedehnten Mediums einstellen würde. Voraussetzung allerdings ist ein Elektrodensystem, das gross gegenüber den Strukturelementen aber klein gegenüber den Gesamtabmessungen des betrachteten Mediums ist, Forderungen, die in vielen Fällen nicht erfüllbar sind. wofür neben begrenzten Gesamtabmessungen z.
B. auch-be- sonders bei niedrigen Messfrequenzen auftretende - Effekte der Elektrodenpolarisation verantwortlich sein können.
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, eine Probe exakt definierter Geometrie - vorzugsweise Zylindergeometrie - zwischen zwei planparallelen Elektroden anzubringen. Diese Möglichkeit hat den Nachteil, dass dem betrachteten Medium eine Probe zu entnehmen ist, deren Präparation zudem für Routineuntersuchungen häufig zu aufwendig ausfällt.
Die beiden Grössen-y und e lassen sich bekanntlich physikalisch durch eine einzige Grösse, nämlich die komplexe Leitfähigkeit X darstellen, wobei der Zusammenhang. 2 (. = y + j2-f-E = J. exp (jt), worin f die Messfrequenz bedeutet, gilt. Die Gleichung deutet eine zweite Darstellungsmöglichkeit für X an, nämlich die durch Betrag ! xJ und Phasenwinkel t. In der Messpraxis wird häufig der Weg beschritten, statt y und E zur Charakterisierung eines Mediums allein den Betrag ! xJ der komplexen Leitfähigkeit zu bestimmen. Dies ist zwar mit einem Verlust an Information verbunden, anderseits aber durch eine gerätetechnisch einfache Ohmmetrische Messung mit Wechselstrom möglich.
Abgesehen von diesem Vorteil allerdings sind für die Bestimmung von lxi die gleichen oben angeführten Voraussetzungen zu fordern, wie für jene von y, nämlich entweder (quasi) unendliche Ausdehnung des Mediums oder Vorliegen einer hinsichtlich der Geometrie exakt präparierten Probe.
Die Erfindung zielt somit darauf ab, ein Verfahren anzugeben, das zur Charakterisierung der eingangs genannten Medien geeignet ist, bei dem ohne Erfassung des Betrages allein der Phasenwinkel der komplexen Leitfähigkeit erfasst wird, u. zw. auf unmittelbare Weise an einem Medienvolumen beliebiger Geometrie.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass mit dem Medium zwei an einer Strom-Spannungsquelle liegende Elektroden in Kontakt gebracht werden, wobei sowohl das Verhältnis des Abstandes der Elektroden als auch jenes der Quadratwurzel der wirksamen Elektrodenfläche zum Durchmesser der Strukturelemente des Mediums mindestens 10 : 1 beträgt, dass der sich aus Elektrodenstrom und Elektrodenspannung ergebende Phasenwinkel in an sich bekannter Weise bestimmt wird und aus dem Vergleich der bestimmten Grösse des Phasenwinkels mit Phasenwinkeln, die zuvor an Normmedien bestimmt wurden, auf eine Abweichung des strukturellen Aufbaus geschlossen wird.
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Durch den Einsatz des beschriebenen Messverfahrens kommt es im allgemeinen zur Ausbildung eines äusserst inhomogenen elektrischen Strömungsfeldes, das sich analytisch nicht beschreiben lässt, womit auch eine Berechnung von y oder c nicht möglich ist. Auf theoretischer Basis - etwa unter Anwendung der Feldröhrentheorie - kann jedoch einfach gezeigt werden, dass der gemessene
Phasenwinkel e m für den Fall eines in elektrischer Hinsicht linearen Mediums, das-pauschal gesehen-homogen und isotrop aufgebaut ist, unter Vernachlässigung von Effekten der Elektroden- polarisation, mit e identisch ist. Das heisst e ist der Dielektrizitätskonstante E direkt und der
Leitfähigkeit y verkehrt proportional.
Zum Beispiel im Falle des oben angeführten biologischen Ge- webes ist m damit ein Mass für die Ausgeprägtheit des vom Medium beinhalteten Membransystems.
Besonders augenscheinlich wird dies etwa beim Abbau des Membransystems im Zuge der autolyti- schen Zersetzung : Die Leitfähigkeit y nimmt dabei stark zu, die Dielektrizitätskonstante E nimmt stark ab, was sich in einer extremen Verringerung von ° - und damit auch e m-äussert. Dieses
Beispiel veranschaulicht, dass e m die Struktur eines Mediums in manchen Fällen in besonders signifikanter Weise charakterisiert. Für diese Fälle ist die Anwendung der Messanordnung in beson- derem Masse geeignet.
Die Forderung nach Linearität ist für viele hier interessierende Medien in hinreichendem
Ausmasse erfüllt. Im Falle z. B. eines biologischen Mediums ist allerdings zu fordern, dass die maxi- mal auftretende Feldstärke zu keinen Durchbruchserscheinungen an Membranen führt. In Bereichen sehr niedriger Feldstärke auftretende Nichtlinearitäten verunsichern das Messergebnis meist nur wenig, da diese Bereiche das Messergebnis nur wenig mitbestimmen.
Da erfindungsgemäss jeweils das Verhältnis des Abstandes der Elektroden als auch jenes der Quadratwurzel der wirksamen
Elektrodenfläche zum Durchmesser der Strukturelemente mindestens 10 : 1 beträgt, wird der Vorteil erreicht, dass die oben erwähnte Forderung nach pauschaler Homogenität des Mediums erfüllt wird.
Im übrigen gilt die oben angegebene Gleichung, soferne das untersuchte Medium durch nichtleitende, nichtpolarisierbare Medien (wie Luft) oder aber (quasi) ideal leitende Medien (d. h. wesentlich besser leitfähige) begrenzt ist bzw. auch grössere Bereiche derartiger Medien einschliesst.
Pauschale Isotropie ist gegeben, soferne die Strukturelemente des Mediums über das gesamte betrachtete Volumen gleichmässig verteilt sind. Sie ist auch dann gegeben, wenn die Strukturelemente selbst anisotrop aufgebaut sind, jedoch hinsichtlich ihrer Orientierung alle Richtungen gleichmässig besetzen, wie es z. B. bei Kolloiden, bei Mischstoffen (wie Beton) bzw. auch bei (ruhendem) Blut der Fall ist. Sind anisotrope Strukturelemente hingegen in einer Vorzugsrichtung orientiert, wie es z. B. bei Muskelgewebe der Fall ist, so kommt den Grössen y und E tensorieller Charakter zu, womit die oben angegebene Gleichung ihren Sinn verliert.
In solchen Fällen ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass zwei flächenhafte Elektroden einander parallel gegenüberliegend angeordnet werden, wobei die Flächennormale mit der Vorzugsrichtung im wesentlichen einen definierten Winkel einschliesst, so dass der Feldvektor des resultierenden elektrischen Strömungsfeldes im wesentlichen, insbesondere aber in elektrodennahen, bzw. zwischen den Elektroden gelegenen Gebieten ebenfalls einen definierten Winkel zur Vorzugsrichtung der Strukturelemente aufweist.
Beispielsweise lässt sich die autolytische Zersetzung von Muskelgewebe durch den gemessenen Phasenwinkel registrieren, indem zwei Messerelektroden annähernd parallel zueinander in von der Faserrichtung nur wenig abweichender Richtung in das Gewebe eingestochen werden.
Vorteilhafterweise ist bei dem erfindungsgemässen Verfahren vorgesehen, dass bei niedrigen Messfrequenzen (Tonfrequenzbereich) die Elektroden in einem Abstand, der grösser als die Quadratwurzel der wirksamen Elektrodenfläche ist, angeordnet werden.
Dadurch wird erreicht, dass das Messergebnis nur wenig durch Effekte der Elektrodenpolarisation, welche sich i. a. in einer Überhöhung des gemessenen Phasenwinkels äussern, verfälscht wird.
Der Vorteil des angegebenen Messverfahrens besteht darin, dass eine Analyse der Medienstruktur ohne nähere Berücksichtigung des sich einstellenden Strömungsfeldes erfolgt. Damit kann in vielen Fällen auf eine Entnahme einer Probe überhaupt verzichtet werden, bzw. es entfällt die zeitaufwendige Präparation einer geometrisch exakt definierten Probe, wie sie für die messtechnische Bestimmung der elektrischen Kenngrössen y und E notwendig ist. Auf eine definierte Elektrodenpositionierung muss ebensowenig geachtet werden, wie auf das Zustandekommen einer definierten Kontakt-
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fläche. Auch eine rechnerische Auswertung des Messergebnisses entfällt, da der Phasenwinkel e m unter Einsatz herkömmlicher Phasenmesser unmittelbar abgelesen werden kann.
Die dabei auftretende Elektrodenspannung (bzw. der auftretende Elektrodenstrom) kann dabei weitgehend dem Zufall überlassen werden und muss nicht näher berücksichtigt werden. Somit ermöglicht das beschriebene Messverfahren die äusserst rasche Durchführung von Routineuntersuchungen.
In den Zeichnungen wird das Messverfahren schematisch erläutert, es zeigen : Fig. 1 ein Beispiel der Anwendung des Verfahrens für ein pauschal isotropes Medium und der dafür möglichen Elektrodenanordnung und Fig. 2 eine günstige Modifikation der Anordnung für den Fall des Vorliegens einer Vorzugsrichtung der Orientierung der Strukturelemente.
Der schraffierte Bereich in Fig. l stellt das zu untersuchende Medium-l-dar, wobei mit - 2 und 3-- ein nichtleitendes, nichtpolarisierbares Medium bezeichnet ist. Dabei könnte z. B. der Bereich --2-- den Einschluss im zu untersuchenden Medium sein, während der Bereich --3-- die Umgebungsluft repräsentiert.
Voll schwarz abgebildet sind (quasi) ideal leitende Bereiche : Bereich --4-- steht für einen Einschluss, Bereich --5-- für ein umgebendes Medium. An das zu untersuchende Medium sind zwei Elektroden --6 und 7-- eingestochen bzw. angelegt. Die effektiven Kontaktflächen der Elektroden mit dem zu untersuchenden Medium sind dabei weitgehend dem Zufall überlassen und in Fig. l punktiert dargestellt.
Fig. 2 zeigt im wesentlichen die gleichen Verhältnisse wie Fig. 1, wobei die gleichen Zuordnungen für die Bezugszeichen gelten. Das zu untersuchende Medium --1-- aus Fig. 2 besitzt aber im Gegensatz zu jenem aus Fig. 1 eine Vorzugsrichtung, die durch den Doppelpfeil angedeutet ist, in der die Strukturelemente orientiert sind, wobei die Elektroden --6 und 7-- im gezeigten Fall beide in das Medium-l-eingestochen sind, u. zw. so, dass das resultierende Strömungsfeld im wesentlichen normal zu dieser Vorzugsrichtung orientiert ist. In beiden oben beschriebenen Fällen werden die Elektroden über eine Spannungsquelle weitgehend beliebiger Belastungscharakteristik und Amplitude-U-versorgt, wobei der Elektrodenstrom I z.
B. über einen Ohmschen Widerstand in eine proportionale Spannung umgesetzt wird und die Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Spannungen, beispielsweise auf dem Prinzip einer Zeitdifferenzmessung bei vorgegebener Messfrequenz bestimmt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Bestimmung des strukturellen Aufbaus von Medien, die sich aus Strukturelementen zusammensetzen, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Medium (1) zwei an einer Strom- - Spannungsquelle liegende Elektroden (6,7) in Kontakt gebracht werden, wobei sowohl das Verhältnis des Abstandes der Elektroden (6,7) als auch jenes der Qauadratwurzel der wirksamen Elektrodenfläche zum Durchmesser der Strukturelemente des Mediums mindestens 10 : 1 beträgt, dass der sich aus Elektrodenstrom (I) und Elektrodenspannung (U) ergebende Phasenwinkel in an sich bekannter Weise bestimmt wird und aus dem Vergleich der bestimmten Grösse des Phasenwinkels mit Phasenwinkeln, die zuvor an Normmedien bestimmt wurden, auf eine Abweichung des strukturellen Aufbaus geschlossen wird.