DE10143705A1

DE10143705A1 - Physikalischer Dipol zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes

Info

Publication number: DE10143705A1
Application number: DE10143705A
Authority: DE
Inventors: Jens Haueisen; Uwe Tenner
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-03-20

Abstract

Aufgabe war es, einen Dipol zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, nutzbar in leitenden Flüssigkeiten, Gelen, Pasten geometrisch kleiner Phantome oder sonstigen organischen und anorganischen Geweben kleiner Lebewesen, zu schaffen, der gut handhabbar und mit hoher Genauigkeit zu positionieren ist sowie trotz seines miniaturisierten Aufbaus ein sehr homogenes elektromagnetisches Feld erzeugt. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist eine erste Elektrode als runder stabförmiger Leiter (1) ausgebildet, dessen mit Spitze (2) versehenes Ende definierter Länge (l¶1¶) eine in biologischem Gewebe weitgehend korrosionsbeständige elektrisch leitfähige Oberfläche (3) aufweist und dessen übrige Oberfläche mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehen sind. Die zweite Dipolelektrode (5) besteht aus einem axialsymmetrisch und in einem definierten Abstand (a) zur ersten Elektrode angeordneten ringförmigen Leiter, der als Spiralwicklung bzw. Ringelementeanordnung definierter Länge (l¶2¶) auf der Isolation (4) des stabförmigen Leiters (1) aufgebracht ist. Auch die Oberfläche der zweiten Dipolelektrode (5) besitzt eine in biologischem Gewebe weitgehend korrosionsbeständige elektrisch leitfähige Oberfläche (3). DOLLAR A Die Dipole werden insbesondere zur Validierung von Algorithmen von Quellrekonstruktions- und Feldberechnungssoftware verwendet, die zur Rekonstruktion von elektrisch aktiver Quellen eingesetzt wird. Spezielle Anwendungen sind z. B. die Auswertung elektromagnetischer Felder von aktiven ...

Description

Die Erfindung betrifft den Aufbau eines miniaturisierten physikalischen Dipols zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere bei der Messung, Analyse und Interpretation von elektromagnetischen Feldern, die durch elektrisch aktive Organe oder Gewebe produziert werden.

Für die Rekonstruktion von elektrisch aktiven Quellen wird auf Grund der mathematischen Nichteindeutigkeit der Quellenrekonstruktion eine Vielfalt von Algorithmen angewendet. Zur Validierung dieser Algorithmen in der Quellrekonstruktions- und Feldberechnungssoftware werden häufig physikalische Dipole eingesetzt, mit denen an Phantom- oder Tiermodellen die Genauigkeit dieser Algorithmen und Software überprüft wird. Neben den Phantom- und Tieruntersuchungen werden auch Computersimulationen durchgeführt. Physikalische Dipole in Phantomen oder Lebewesen ermöglichen dabei im Vergleich zu Computersimulationen allerdings eine exaktere und weitgehend objektive Validierung. Eine spezielle wissenschaftliche Methode der Validierung besteht beispielsweise in einer Implantierung der physikalischen Dipole in anästisierte Tiere.

Für den Einsatz in geometrisch relativ großen Phantomen (z. B. im menschlichen Kopf oder im menschlichen Torso) werden physikalische Dipole mit Abmessungen von ca. 1 cm eingesetzt. Diese bestehen aus verdrillten Zuleitungen und rechtwinklig abgehenden ca. 0,5 cm langen Elektrodenenden (Tenner, U., Haueisen, J., Nowak, H., Leder, U., Brauer, H.: Source Localization in an Inhomogeneous Physical Thorax Phantom. Physics in Medicine and Biology, 44, 1969-1981, 1999).

Technisch nicht zufriedenstellend gelöst ist bislang das Problem der Miniaturisierung dieser physikalischen Dipole für die Verwendung in kleinen Tieren, wie z. B. Ratten oder Kaninchen. Dabei muss die Größe und der Abstand der Dipolelektroden angepasst werden, ohne dass der konstruktive Aufbau zu Verfälschungen des elektromagnetischen Feldes führt. Die miniaturisierten Dipole wiesen in der Anwendungspraxis keine für eine exakte Lagepositionierung hinreichende Biegeelastizität und/oder Steifigkeit zum Eindringen in Gewebe auf, so dass das Handling dieser kleinen Dipolanordnungen zu wünschen übrigen lässt.

Vorwiegend aus diesen Gründen gelangen Miniaturisierungen dieser Dipole auch nur für relativ einfache Phantome (Hagner, T., Eiselt, M., Giessler, F., Hansen, E., Haueisen, J., Nowak, H.: Multichannel MEG recordings with small volume phantom - high resolution biomagnetic investigation. Biomedical Engineering, 44 (3), 38-45, 1999).

Für den Einsatz in den besagten geometrisch kleinen Phantomen oder Lebewesen konnte bisher nur eine technische Lösung mit Hilfe einer Drahtschleife und einer Drahtspitze realisiert werden (Melcher, J. R. und Cohen, D.: Dependence of the MEG on dipole orientation in the rabbit head. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 70 (5), 460-472, 1988). Die Nachteile dieses Dipolaufbaus bestehen wiederum in der schlechten Handhabbarkeit und ungenauen Positionierung sowie im undefinierten Austritt des elektrischen Stromes an den Enden der Drahtschleife, der zu Irregularitäten im elektrischen Strömungsfeld führen kann und damit die eingangs genannte Validierung in Frage stellt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Dipol zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, nutzbar in leitenden Flüssigkeiten, Gelen, Pasten geometrisch kleiner Phantome oder sonstigen organischen und anorganischen Geweben kleiner Lebewesen, zu schaffen, der gut handhabbar und mit hoher Genauigkeit zu positionieren ist sowie trotz seines miniaturisierten Aufbaus ein sehr homogenes elektromagnetisches Feld erzeugt.

Erfindungsgemäß besteht der Dipol aus einem runden stabförmigen elektrischen Leiter als erste Dipolelektrode und aus einem axialsymmetrisch zu dem runden stabförmigen elektrischen Leiter angeordneten im Querschnitt kreisringförmigen Leiter als zweite Dipolelektrode. Der stabförmige elektrische Leiter, der in seinem definierten Endbereich eine Gewebe-Einstichspitze aufweist, besitzt zumindest im Bereich der ersten Dipolelektrode eine in biologischem Gewebe weitgehend korrosionsbeständige elektrisch leitfähige Oberfläche, beispielsweise Gold, Silber, Platin, Zinn. Die übrige Oberfläche ist mit einer elektrischen Isolationsschicht umgeben, auf welche bei der Herstellung in einem definierten und von der Dipolgröße abhängigen Abstand vom Endbereich des stabförmigen Leiters (erste Dipolelektrode) der im Querschnitt kreisringförmige Leiter als besagte zweite Dipolelektrode vorzugsweise als Draht aufgewickelt oder auch als Ringelementeanordnung aufgeschoben wird. Auch diese zweite Dipolelektrode definierter und gleichermaßen von der Dipolgröße abhängiger Breite besitzt aus Gründen der Materialbeständigkeit eine in biologischem Gewebe weitgehend korrosionsbeständige elektrisch leitfähige Oberfläche. Die übrige und nicht zur zweiten Dipolelektrode gehörende Oberfläche des ringförmigen Leiters ist wiederum elektrisch isoliert. Für die besagte elektrisch leitfähige und korrosionsbeständige Oberfläche können die Leiter für die erste und/oder zweite Dipolelektrode beispielsweise durch Kupferdraht realisiert sein, die mit einem elektrisch leitenden Überzug, wie Gold, Silber, Platin, Zinn, versehen werden. Dabei ist es vorteilhaft, mit dem Überzug gleichzeitig Unebenheiten der Oberfläche, insbesondere durch die Drahtwindungen oder Kreisringelemente in Hinsicht auf eine möglichst gleichmäßige und ebene Oberflächenschicht auszugleichen. Anstelle des Drahtes mit entsprechendem Überzug können die Leiter zumindest im Bereich der ersten bzw. zweiten Dipolelektrode auch als massive Edelmetalldrähte, beispielsweise aus Gold, Silber und Platin, ausgeführt sein.

Mit diesem Aufbau können Dipole im Millimeter- und Submillimeterbereich hergestellt werden, die sowohl ein sehr homogenes und im wesentlichen durch den mechanischen Aufbau nicht gestörtes elektromagnetisches Feld erzeugen als auch eine hinreichende Steifigkeit, Formflexibilität und Biegeelastizität besitzen und damit eine sehr gute Handhabbarkeit für den Gewebeeinstich und hochpräzise Positioniergenauigkeit im Phantom bzw. Gewebe ermöglichen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Dipols mit axialem elektrischen Zuleitungsanschluss,
Fig. 2 Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Dipols mit abgewinkeltem elektrischen Zuleitungsanschluss,
Fig. 3 praktische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dipols,
Fig. 4/5 Test des Dipols gemäß Fig. 3 in einem Kugelphantom,
Fig. 6 Ergebnis des Tests im Kugelphantom gemäß Fig. 4 und 5.
Die Prinzipdarstellungen des erfindungsgemäßen Dipols in Fig. 1 und Fig. 2 zeigen einen stabförmigen Leiter 1 mit rundem Querschnitt, dessen Ende zu einer kegelförmigen Spitze 2 für einen Gewebeeinstich ausgebildet ist und über eine Länge l₁ mit einem in biologischem Gewebe weitgehend korrosionsbeständigen elektrisch leitfähigen Überzug 3, beispielsweise Zinn, versehen ist (in Fig. 1 und 2 nicht explizit dargestellt). Der Überzug 3 kann auch aus Edelmetall, wie beispielsweise Gold, Silber, Platin, bestehen. Die übrige Oberfläche des stabförmigen Leiters 1, der über seine Länge l₁ somit als erste Dipolelektrode wirkt, ist mit einer elektrischen Isolation 4 versehen. Auf dieser elektrischen Isolation 4 ist in einem Abstand a zur ersten Dipolelektrode eine im Querschnitt kreisringförmige Elektrode 5 mit einer Länge l₂ aufgebracht, welche die axialsymmetrisch zur ersten Dipolelektrode angeordnete zweite Dipolelektrode bildet und ebenfalls mit dem in biologischen Gewebe weitgehend korrosionsbeständigen elektrisch leitfähigen Überzug 3 versehen ist (vgl. Fig. 3). Die Längen l₁ der ersten Dipolelektrode und der Abstand a (Elektrodenabstand) sind in Fig. 1 und Fig. 2 jeweils gleich und betragen l₁ = 0,5 mm, a = 1 mm. Die Länge der zweiten Dipolelektrode l₂ beträgt in Fig. 1 (wie die Länge der ersten Dipolelektrode) 0,5 mm, in Fig. 2 dagegen 0,7 mm. Alle Abmaße (l₁, l₂, a) sind beispielhafte Werte für die Einbringung in ein Kaninchengehirn und werden für jeden Anwendungsfall speziell angepasst. Darüber hinaus unterscheiden sich die besagten Figuren in der elektrischen Leitungszuführung. Fig. 1 zeigt einen axialen Zuleitungsanschluss 6 und Fig. 2 einen zur axialen Richtung des Dipols abgewinkelten Zuleitungsanschluss 7, wobei dieser gleichzeitig als mechanischer Anschlag 8 ausgebildet ist, mit welchem die Eindringtiefe des Dipols bei einem Einstich in zu untersuchendes Gewebe begrenzt wird.
Fig. 3 zeigt eine praktische Ausführung des bisher schematisch gezeigten Dipolaufbaus in Fotodarstellung. Erkennbar ist der stabförmige Leiter 1, der mit seinem verzinnten (Überzug 3) Ende als erste Dipolelektrode wirkt und über seine restliche Oberfläche mit der elektrischen Isolation 4 überzogen ist. Ebenfalls erkennbar ist die mit Zinn als Überzug 3 versehene Elektrode 5, die (wie in Fig. 3 durch die rechte Teilabbildung angedeutet) durch eine Spiralwicklung 9 eines auf die Isolation 4 gebrachten Kupferdrahtes realisiert wird. Mit Verzinnung der Spiralwicklung 9 wird die Oberfläche dieses als zweite Dipolelektrode wirkenden im Querschnitt kreisringförmigen Leiters nicht nur weitgehend gegen Korrosion für den bestimmungsgemäßen Einsatz im biologischen Gewebe geschützt, sondern es können auch insbesondere durch die Drahtwicklung entstandene Unebenheiten der Elektrodenoberfläche egalisiert werden.
Das im Hintergrund in Fig. 3 sichtbare Millimeterraster lässt im wesentlichen die Dipolgröße erkennen. Mit dem beschriebenen Dipolaufbau wird eine entsprechende Dipolsteifigkeit zur Handhabung, insbesondere für den Einstich in Organe und Gewebe erreicht. Infolge der Spiralwicklung 9 als zweite Dipolelektrode bleibt trotz dieser erwünschten Steifigkeit noch eine gewisse Formflexibilität und Biegeelastizität gewahrt, die für eine hochpräzise Positionierung des Dipols beim bestimmungsgemäßen Einsatz zweckmäßig ist. Statt der Spiralwicklung 9 könnte diese Flexibilität prinzipiell auch durch eine aus Übersichtsgründen nicht in der Zeichnung dargestellte Anordnung einzelner auf die Isolation 4 des stabförmigen Leiters 1 aufgeschobener Ringe als zweite Dipolelektrode erreicht werden, die elektrisch gekoppelt und aus Gründen der Materialbeständigkeit ebenfalls gemeinsam mit dem Überzug 3 versehen werden.
In den Fig. 4 und 5 sind fotografische Darstellungen von Tests des in Fig. 3 dargestellten Dipols in einem Kugelphantom gezeigt. Der Test im Kugelphantom dient dem Nachweis der Funktionsfähigkeit und dem Nachweis der Homogenität des elektromagnetischen Feldes.
Fig. 6 demonstriert die mit den vorgenannten Tests im Kugelphantom erreichte Störungsfreiheit und die Homogenität des erzeugten elektromagnetischen Feldes. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 stabförmiger Leiter
2 Spitze
3 elektrisch leitfähiger Überzug
4 Isolation
5 ringförmige Elektrode
6 axialer Zuleitungsanschluss
7 abgewinkelter Zuleitungsanschluss
8 Anschlag

Claims

1. Physikalischer Dipol zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere bei der Messung, Analyse und Interpretation von elektromagnetischen Feldern, die durch elektrisch aktive Organe oder Gewebe produziert werden, bestehend aus zwei gegeneinander elektrisch isolierten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Dipolelektrode ein runder stabförmiger elektrischer Leiter (1) vorgesehen ist, dessen mit einer kegelförmigen Spitze (2) versehenes Ende definierter Länge (l₁) als erste Dipolelektrode eine in biologischem Gewebe weitgehend korrosionsbeständige elektrisch leitfähige Oberfläche (3) aufweist und dessen übrige Oberfläche mit einem elektrisch isolierenden Überzug (4) versehen ist, dass die zweite Dipolelektrode (5) aus einem axialsymmetrisch zum stabförmigen Leiter (1) angeordneten im Querschnitt kreisringförmigen Leiter besteht, der in einem definierten Abstand (a) zur ersten Dipolelektrode als Spiralwicklung bzw. Ringelementeanordnung definierter Länge (l₂) auf dem elektrisch isolierenden Überzug (4) des stabförmigen Leiters (1) aufgebracht ist und dass die zweite Dipolelektrode (5) ebenfalls eine in biologischem Gewebe weitgehend korrosionsbeständige elektrisch leitfähige Oberfläche (3) besitzt.

2. Physikalischer Dipol gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stabförmige elektrische Leiter (1) zumindest im Bereich der ersten Dipolelektrode und/oder der elektrische Leiter der zweiten Dipolelektrode aus einem Metalldraht mit einem elektrisch leitfähigem Überzug (3) besteht.

3. Physikalischer Dipol gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der stabförmige elektrische Leiter (1) und/oder der elektrische Leiter der zweiten Dipolelektrode durch einen Kupferdraht realisiert sind.

4. Physikalischer Dipol gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Überzug (3) aus Edelmetall, wie Gold, Silber und Platin, besteht.

5. Physikalischer Dipol gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Überzug (3) aus Zinn besteht.

6. Physikalischer Dipol gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Überzug (3) jeweils eine glatte und insbesondere Unebenheiten durch die Spiralwicklung bzw. Ringelementeanordnung ausgleichende Elektrodenoberfläche bildet.

7. Physikalischer Dipol gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stabförmige elektrische Leiter (1) der ersten Dipolelektrode und/oder der elektrische Leiter der zweiten Dipolelektrode aus einem massiven Edelmetalldraht, beispielsweise aus Gold, Silber und Platin, bestehen.

8. Physikalischer Dipol gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen axialen elektrischen Zuleitungsanschluss (6).

9. Physikalischer Dipol gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zur axialen Richtung des Dipols abgewinkelten elektrischen Zuleitungsanschluss (7).

10. Physikalischer Dipol gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen die Eindringtiefe des Dipols in Gewebe begrenzenden mechanischen Anschlag (8).

11. Physikalischer Dipol gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Anschlag (8) formschlüssig mit dem elektrischen Zuleitungsanschluss (6, 7) des Dipols ausgebildet ist.