AT391798B - Vorrichtung zur gemeinsamen bestimmung der elektrischen medien- und kontaktzonenimpedanz von elektrolytisch leitenden systemen - Google Patents

Description

Nr. 391 798

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gemeinsamen Bestimmung der elektrischen Medien- und der Kontaktzonenimpedanz von elektrolytisch leitenden Systemen, insbesondere biologischen Medien, unter Verwendung eines Impedanzmeßgerätes, das über zwei Elektroden und entsprechende elektrische Leitungen mit dem elektrolytisch leitenden System verbunden ist.

Die komplexe elektrische Impedanz (Zs) eines elektrolytisch leitenden Systems liefert weitgehende Rückschlußmöglichkeiten auf seinen stofflichen bzw. auch strukturellen Aufbau. In besonderem Maße gilt dies für biologische Medien, d. h. Zellen, zelluläre Flüssigkeiten, Gewebe bis hin zum tierischen oder menschlichen Organismus. Ein grundsätzliches Problem der meßtechnischen Bestimmung von (Zg) besteht allerdings darin, daß i. a. auch den Elektrodenkontaktzonen selbst eine endliche komplexe (Serien)Impedanz (Zk) zukommt. Als Meßergebnis erhält man damit nicht (Zg) sondern die (komplexe) Summenimpedanz Z= Zg + Zk.

Im einfachsten Fall repräsentiert (Zk) dabei die - theoretisch immer auftretende - Impedanz der Elektrodenübergänge, in vielen Fällen aber zusätzlich auch jene einer schlecht leitenden Umhüllung (Membran, Haut etc.) des elektrolytischen Systems. Typische Beispiele für den letzteren Fall sind elektromedizinische Impedanzmessungen am menschlichen oder tierischen Körper, bei denen z. B. Impedanzschwankungen innerer Organe diagnostisch gedeutet werden (vergl. z. B. Pätzold, J: Kompendium Elektromedizin. Berlin: Siemens, 1976, S. 58). Die schlechte Leitfähigkeit der kontaktierten Haut führt hier zu Werten von (Zk), die jene der interessierenden Impedanz (Zg) des Körperinneren bei niedrigen Meßfrequenzen sogar überschreiten können.

In einer Reihe von Patentschriften werden Vorrichtungen beschrieben, die dazu dienen, den Beitrag der Kontaktzonenimpedanz zur gemessenen Impedanz auszuschalten bzw. zu reduzieren. In DE-PS 35 02 913 wird eine Methode aufgezeigt, (Zk) durch feine, die Hüllfläche (Haut) durchdringende Metallspitzen auf nahe Null zu reduzieren. In DE-OS 30 04126 wird ein Elektrodenmaterial vorgeschlagen, das u. a. Halbleiterelemente enthält, womit die gleiche Wirkung erzielt werden soll. In US-PS 3 750 649 wird die Hautimpedanz durch eine Briickenschaltung unwirksam gemacht, in DE-OS 29 49 887 dadurch, daß die Spannung nicht über die Stromelektroden sondern mittels zusätzlicher Signalelektroden gemessen wird.

Gerade im Rahmen der Elektromedizin ist es aber häufig gar nicht wünschenswert, die Impedanz (Zk) auszuschalten. Oft ist es gerade die Impedanz (Zk) der kontaktierten Hautzone, die für diagnostische Zwecke gemessen werden soll (vergl. z. B. Medical & Biological Engineering & Computing 24,1986, S. 71). Dabei tritt nun das umgekehrte Problem auf, von der gemessenen Impedanz (Z) den auf das Körperinnere entfallenden Impedanzanteil (Zs) abzutrennen.

Generell besteht also ein Interesse an Methoden und Vorrichtungen zur gemeinsamen Bestimmung sowohl der Medien- als auch der Kontaktzonenimpedanz. In IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. BME-20, 1973, S. 51 wird dazu vorgeschlagen, zwei Teilmessungen bei verschiedenen Elektrodenabständen (d) vorzunehmen. Unter der Annahme, daß (Zk) in beiden Fällen gleich ausfällt, (Zg) sich hingegen entsprechend der Abstandsvariation verändert, werden die beiden Größen aus den Ergebnissen der beiden Messungen rechnerisch ermittelt. Exakte Resultate lassen sich allerdings nur in Sonderfällen definierter geometrischer Bedingungen erwarten.

Die Erfindung zielt darauf ab, eine Vorrichtung anzugeben, die durch Einsatz von Elektroden variabler effektiver Fläche eine gemeinsame, praktisch gleichzeitig vorgenommene Erfassung von (Zg) und (Zk) ermöglicht.

Prinzipiell kommen dabei Elektrodentypen zur Anwendung, deren Ausführungen den für verschiedenste Aufgaben entwickelten, bekannten Mehrfachelektroden ähnlich sind, wobei bei den letzteren die exakte effektive Fläche allerdings nicht relevant ist. Anwendungsmöglichkeiten von Mehrfachelektroden werden in zahlreichen Patentschriften angegeben, so z. B. in DE-PS 35 02 913, DE-OS 30 04 126 und DE-OS 29 49 887, wie schon erwähnt, zur Reduktion bzw. Ausschaltung der Kontaktzonenimpedanz. In US-PS 3 871 359 wird mit ihnen ein definierter Abstand zwischen den Einzelelektrodenflächen angestrebt, in US-PS 3 608 543 und US-PS 3 750 649 eine gezielte Konzentration des elektrischen Strömungsfeldes. In 3 868 947 werden Mehrfachelektroden für definierte Erdungsverhältnisse eingesetzt, in DE-OS 29 29 948 für polarographische Zielsetzungen.

Erfmdungsgemäß wird die gemeinsame Erfassung von (Zg) und (Zk) dadurch erreicht, daß die Elektroden als Segmentelektroden ausgebildet sind, deren aktive Flächen aus je zwei voneinander isolierten Segmenten bestehen und die Medienimpedanz (Zg) und die Kontaktzonenimpedanz (Zk) rechnerisch aus der mit jeweils nur einem

Segment gemessenen Impedanz (Zj) und der mit über Schalter galvanisch verbundenen beiden Segmenten gemessenen Impedanz (Zj) nach den Formeln Zg = 2 - Zj und Zk=Z j -bestimmt sind.

Der Grundgedanke der Vorrichtung besteht darin, nicht den Elektrodenabstand (d) zu variieren, sondern bei konstantem (d) eine Variation der effektiven Elektrodenflächen (A) vorzunehmen unter der Annahme, daß (Zg) bei beiden Teilmessungen gleich groß ausfällt. Bestehen die Segmentelektroden z. B. aus jeweils zwei gleich großen Segmenten der Fläche (A/2), so tritt bei der Messung mit nur jeweils einem Segment doppelte Kontaktzonenimpedanz (2 Zk) auf. Damit gelten die angegebenen einfachen Beziehungen für die gesuchten -2-

Claims (2)

1. Nr. 391 798 Größen: Zg = 2 Z2 - Zj und Zk = Z^ - Z2, wobei (Zj) und (Z2) in der oben beschriebenen Weise gemessen werden. Erfindungsgemäß ist weiters vorgesehen, daß die beiden Segmente einer Elektrode Flächenschwerpunkte aufweisen, deren Abstand (s) klein gegenüber dem Elektrodenabstand (d) ist und aus zueinander parallelen, elektrisch leitenden Elementen bestehen, deren Breite (b) und gegenseitiger Abstand (a) klein gegenüber dem Elektrodenabstand (d) sind. Damit wird gewährleistet, daß das im elektrolytischen System auftretende elektrische Strömungsfeld bei beiden Teilmessungen annähernd gleich ausfällt, und zwar auch in den elektrodennahen Bereichen - eine Voraussetzung für konstantes (Zg). Ein wesentlicher Vorteil der angegebenen Meßvorrichtung besteht darin, daß die beiden Teilmessungen mit kürzestem Zeitaufwand ohne Veränderung der Elektrodenpositionen unmittelbar nacheinander vorgenommen werden können, wobei beispielsweise bei Einsatz eines Computers eine sofortige Anzeige von (Zg) und (Zk) erfolgen kann. Somit ermöglicht die Vorrichtung die äußerst rasche Durchführung von Routineuntersuchungen. Eine Frequenzabhängigkeit der beiden komplexen Meßgrößen schränkt dabei die Anwendbarkeit der Vorrichtung in keiner Weise ein. In den Zeichnungen wird die Meßvorrichtung schematisch erläutert; es zeigen Fig. 1 ein Beispiel der Anwendung für eine Messung am menschlichen Organismus und die Fig. 2, 3, 4 Beispiele zu möglichen Ausführungen einer Segmentelektrode. In Fig. 1 ist der menschliche Thorax als untersuchtes elektrolytisches System mit (1) bezeichnet. Zwei Segmentelektroden (2) und (3) sind bei ebener Ausführung der Segmente auf die Haut aufgesetzt oder bei zylindrischer Ausführung - z. B. in Form von zwei Paaren zueinander paralleler Nadeln - in das Gewebe eingestochen. Mit Hilfe eines beliebigen Impedanzmeßgerätes (4) erfolgt die Messung von (Zj) bei geöffneten Schaltern (5) und (6), jene von (Z2) bei geschlossenen Schaltern, womit die effektive Kontaktfläche auf das Doppelte ansteigt. In Fig. 2 sind für den in Fig. 1 angesetzten Elektrodentyp mit zwei zueinander parallelen rechteckigen Segmenten (7) und (8) die Größen (a, b) und (s) eingetragen. Fig. 3 illustriert eine Möglichkeit, die effektive Gesamtbreite der Segmente (7) und (8) trotz geringer Bahnbreite (b) zu vergrößern. Fig. 4 zeigt eine kreisförmige Ausführung der Segmente (7) und (8), wobei die konzentrische Anordnung den Vorteil verschwindenden Schwerpunktabstandes (a) erbringt. PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur gemeinsamen Bestimmung der elektrischen Medien- und der Kontaktzonenimpedanz von elektrolytisch leitenden Systemen, insbesondere biologischen Medien, unter Verwendung eines Impedanzmeßgerätes, das über zwei Elektroden und entsprechende elektrische Leitungen mit dem elektrolytisch leitenden System verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden als Segmentelektroden (2, 3) ausgebildet sind, deren aktive Flächen aus je zwei voneinander isolierten, gleich großen Segmenten (7, 8) bestehen, und die Medienimpedanz (Zg) und die Kontaktzonenimpedanz (Zk) rechnerisch aus der mit jeweils nur einem Segment gemessenen Impedanz (Zj) und der mit über Schalter (5, 6) galvanisch verbundenen beiden Segmenten gemessenen Impedanz (Z2) nach den Formeln Zg = 2 Zg - Z j und = Z j - Z2 bestimmt sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Segmente (7,8) einer Elektrode Flächenschwerpunkte aufweisen, deren Abstand (s) klein gegenüber dem Elektrodenabstand (d) ist und aus zueinander parallelen, elektrisch leitenden Elementen bestehen, deren Breite (b) und gegenseitiger Abstand (a) klein gegenüber dem Elektrodenabstand (d) sind. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -3-