DE2430907C3 - Schaltungsanordnung zum Feststellen von Änderungen der Impedanz biologischer Objekte - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsan-Ordnung zum Feststellen von Änderungen der Impedanz biologischer Objekte, vor allem von lebenden Geweben, die an eine Hochfrequenzspannungsquelle angelegt sind und zu denen ein Widerstand in Serie geschaltet ist, dessen Impedanz mit einem Meßgerät 4s gemessen wird.

Es ist allgemein bekannt, Impedanzmessungen mit eingeprägtem Strom in der Weise durchzuführen, daß in Serie mit dem zu messenden Objekt ein Widerstand geschaltet wird, an dessen beide Enden parallel zu diesem Widerstand ein Meßgerät angeschlossen wird (Rohde und Schwarz Mitteilungen Nr. 4, 1953, Seite 194-195). Die Anwendung dieses Meßprinzips auf die Impedanzmessung biologischer Objekte ist aus der Literaturstelle Electronic Engineering Mai 1962, Seite ss — 315 bekanntgeworden. Auch hier wird ein veränderbarer Widerstand in Serie zum Meßobjekt geschaltet Vom Vorverstä» ker für das Anzeigegerät verläuft eine Rückkopplungsleitung zum Antrieb eines Motors, der die Veränderung dieses Widerstandes bewirkt.

Andere bekannte Schaltungsanordnungen ermöglichen Änderungen der Impedanz derart festzustellen, daß an das untersuchte Objekt in Reihe ein Widerstand bekannter Größe geschaltet wird und an diese 6s Kombination ein Hochfreq.'tnzstrom angeschlossen ist. Mittels eines elektrischen Voltmeters wird dann sowohl die Spannung am untersuchten Objekt ais auch an der ganzen Serienkombination gemessen. Aus den gemessenen Größen und der Größe des angeschlossenen Widerstandes kann die Impedanz berechnet werden. Falls zum Beispiel beim Studium einer bestimmten Gattung eines lebendigen Gewebes eine Reihe von Messungen ausgeführt wird, genügt es bei verschiedenen phsiologischen Zuständen des untersuchten Gewebes, nur Spannungsänderungen festzustellen. Falls der Serienkombination Widerstands-Gewebe ein Hochfrequenzstrom konstanter Spannung zugeführt wird, ist der am untersuchten Gewebe gemessene Spannungswert der festzustellenden Impedanzänderung proportional und für den gegebenen Fall genügend aufklärend. Eine Berechnung des absoluten Wertes der Impedanz wird dann nicht mehr ausgeführt

Ein Nachteil derzeit bekannter Schaltanordnungen ist daß sie Impedanzänderungen untersuchter Objekte nur als Vektorsummen deren Widerstands- und Kapazitätskomponenten widergeben. Eine Vektorsumme von Impedanzkomponenten ohne Bestimmen der Anteile dieser Komponenten ist jedoch nicht eine Quelle maximaler Informationen über physiologische Änderungen der untersuchten Objekte. Eine verhältnismäßig geringe Änderung der festzustellenden Impedanz, die bei Anwendung der bekannten Meßmethoden schon außerhalb der Grenze der Feststellmöglichkeit liegt, kann nämlich und wird auch üblicherweise durch viel größere Änderungen der einzelnen Komponenten verursacht

Eine gewisse Impedanz eines biologischen Objektes, zum Beispiel eines lebenden Gewebes, bietet dem Durchgang eines an dieses geschalteten Hochfrequenzstromes einen Widerstand. Diese Impedanz hat eine ohmsche, kapazitive und induktive Komponente: Die induktive Komponente ist bei einem lebenden Gewebe so gering, daß sie für weitere Erwägungen vernachlässigt werden kann. Das Messen der Werte, die den festzustellenden Werten der ohmschen und kapazitiven Komponenten der Impedanz proportional sind, wird so ausgeführt daß das untersuchte lebende Gewebe unter Anwendung von punktförmigen Elektroden zusammen mit zwei gleichen in Reihe geschalteten Widerständen an Klemmen eines Hochfrequenzgenerators angeschlossen werden. Bei einer gewissen Höhe der betreffenden Spannung wird mittels eines elektronischen Voltmeters die Spannung so'vohl an der Reihenkombination Widerstand — Gewebe als auch im Gewebe selbst gemessen.

Die gemessenen Spannungen sind dann den festzustellenden Impedanzkomponenten proportional. Die absoluten Werte der Impedanzkomponenten können aus den gemessenen Werten verhältnismäßig einfach berechnet werden, in der Praxis ist dies üblicherweise nicht nötig. Das Messen wird bei konstanter angelegter Spannung ausgeführt, und die gemessenen Werte sind für das Studium physiologischer Zustände des untersuchten Gewebes genügend aufklärend.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist daß das eigentliche Messen durch wenigstens zwei Personen ausgeführt werden muß, vor allem bei einem Studium von Geweben lebender Geschöpfe. Eine Person beschäftigt sich mit der Manipulation mit den Elektroden, die zweite bedient die Meßgeräte. Dabei sind die erzielten Ergebnisse durch einen gewissen Fehler belastet, da bei den derzeit verwendeten Anordnungen ein gleichzeitiges Ablesen von zwei verschiedenen Spannungen im Augenblick eines genauen Einstellens der erforderlichen Höhe der angelegten Spannung nicht gesichert

werden kann, und zwar auch nicht bei gleichzeitiger Anwendung von zwei Meßgeräten, um so weniger mit einem Meßgerät, das mit der Möglichkeit eines Umschaltens ausgestattet ist

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Es ist die Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln eine Möglichkeit zu schaffen, in sehr einfacher Weise und mit geringem apparativen Aufwand sowohl die ohmsche als auch die kapazitive Komponente der Impedanz biologischer Objekte zu ermitteln.

Die Erfindung besteht darin, daß als Serienwiderstand zwei mit dem Meßobjekt und untereinander in Serie geschaltete, gleich große Widerstände angeordnet sind und daß das Meßgerät für die Spannungsmessung an den drei durch diese zwei Widerstände gegebenen Meßpunkten vorgesehen ist Auf diese Weise gelingt es, durch eine Messung an drei Meßpunkten und eine anschließende einfache Auswertung sowol.l die reale Komponente als auch die kapazitive Komponente des Widerstandes des biologischen Objektes zu ermitteln. Das Feststellen der Anteile der einzelnen Impedanzkomponenten erhöht wesentlich die Empfindlichkeit und die Beweiskraft der Messungen, so daß dadurch die Möglichkeit gegeben ist, genauer die gemessenen Änderungen der physiologischen Zustände der untersuchten biologischen Objekte zu unterscheiden.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann in sehr einfacher Weise für ein selbsttätiges Messen in der Weise gestaltet werden, daß an jeden der Meßpunkte eine Vergleichsschaltung angeschaltet 1st, daß die Vergleichsschaltung, die an den der Meßspannungsquel-Ie benachbarten MeBpunkt angeschlossen ist und mit ihrem Vergleichsspannungseingang an eine stabilisierte Vergleichsspannungsquelle angeschlossen ist, mit ihrem Ausgang an den Eingang eines Zählimpuise liefernden Stufengenerators angeschlossen ist, daß an die beiden übrigen Vergleichsschaltungen je eine Torschaltung angeschlossen ist, die im Wege vom Stufengenerator zu den Digitalanzeigegeräten angeordnet sind, und daß diese beiden Vergleichsschaltungen als Vergleichsspannungsquellen je einen Digital-Analog-Umsetzer aufweisen, der an einen der Torschaltungeii nachgeschalteten Zähler angeschlossen ist

Diese Schaltungsanordnung ermöglicht es, in demjenigen Augenblick, in welchem die an die erwähnte Reihenkombination von zwei gleichen Widerständen und des untersuchen Objektes angelegte Spannung die erforderliche Höhe erreicht, die Spannungswerte an der Kombination Widerstand-Gewebe und am eigentlichen Gewebe gleichzeitig abzunehmen. Die gleichzeitig abgenommenen Spannungen werden entweder durch einen Zahlenindikator aufgenommen, oder zurr, Beispiel durch ein entsprechendes Wiedergabegerät direkt gedruckt. Die Bedienung einer derartigen Meßanordnung ist auf ein bloßes Drücken eines Druckknopfes zum Anlassen beschränkt Die erzielten Werte sind durch keinerlei Fehler wegen verspätetem oder nicht gleichzeitigem Ablesen belastet

Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Beispiel eines prinzipiellen Schaltbildes einer erfindungsgemäßen Anordnung,

F i g. 2 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der gemessenen Spannungswerte und der Komponenten der gemessenen Impedanz dargestellt ist,

F i g. 3 ein Prinzip-Schaltbild eines Meßgerätes für ein gleichzeitiges Aufnehmen beider gemessener Spannungswerte,

Fig.4 ein Beispiel einer praktischen Ausführung dieser Schaltanordnung.

Das untersuchte Objekt 3 ist gemäß F i g. 1 mit zwei gleichen Widerständen 1 und 2 in Reihe an Klemmen eines Hochfrequenzgenerators 4 angeschlossen. Ein elektronisches Voltmeter 13, das fortlaufend an die Stellen 5, 6 und 7 angeschlossen ist mißt die Spannungswerte U\, U₂ und Ui. In F i g. 2 ist U] die an

ίο die ganze Reihenkombination angelegte Spannung, U₂ ist die an der Reihenkombination Widerstand-Gewebe gemessene Spannung und Ui, ist die am eigentlichen Gewebe gemessene Spannung. Der Wen der verwendeten Widerstände ist R\ = R₂. Aus der graphischen Darstellung folgt, daß die Größe der Widerstandskomponente re durch die Beziehung gegeben ist

re

■ cos φ

während die Kapazitätskomponente kap gleich ist

kap

■ sin φ

In Fig.3, welche ein prinzipielles Schaltbild des betreffenden Gerätes für ein gleichzeitiges, selbsttätiges Messen beider Größen angibt werden für gleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet wie in F i g. 1. An die Punkte 5,6 und 7 der Reihenkombination zweier gleicher Widerstände 1 und 2 und des untersuchten Objektes 3 ist ein Vergleichsschaltungsblock 9 angeschlossen, in welchen eine auf eine Höhe U₁ stabilisierte Vergleichsspannung über die Klemme 11 eingespeist wird. Sobald die Amplitude des zugeführten Signals am Punkt 5 die Höhe U\ erreicht verarbeitet der Vergleichsschaltungsblock 9 die Spannungen der Punkte 6 und 7, die durch die Wiedergabegeräte 8 als resultierende Werte von U? -nd t/3 angegeben werden.

Fig.4 zeigt ein Beispiel einer praktischen Ausführung einer Anordnung gemäß dem Schaltbild in Fig. 3. Als Wiedergabegeräte werden Zifferneinheiten verwendet, die aus Toren 821 und 831 bestehen, aus Zählern 822 und 832, aus Digital-Analog-Umsetzern 823 und 833 und Digitalanzeigegeräten 824 und 834. Mittels eines Druckknopfes 10 wird der amplitudenmodulierte Generator 4 eingeschaltet, der mit seinem Strom einer Frequenz von 10⁵ Hz und einer Stromdichte in einer Größenordnung von 10-⁶A die Reihenkombination der zwei gleichen Widerstände 1 und 2 und des untersuchten Gewebes 3 speist Die Vergleichsschaltung 91 vergleicht das amplitudenmodulierte Signal des Generators 5 mit der Spannung an der Klemme 11, die auf den Wert U\ = 4 mV stabilisiert ist. In demjenigen Augenblick, in welchem die Amplitudenmodulation den Wert U\ erreicht beginnt der Generator 12 der Stufenspannung zu arbeiten. Gleichzeitig vergleicht die Vergleichsschaltung 92 die Spannung der Stelle 6 mit dem Austritt des Digital-Analog-Umsetzers 823 und sperrt bei gleicher Höhe der Spannungen das Tor 821, wodurch der Zähler 822 zum Stillstand gebracht wird, damit die gemessene Spannung am Digitalanzeigegerät 824 als resultierender Wert U₂ erfaßt wird. In analoger Weise vergleicht gleichzeitig die Vergleichsschaltung 93 die Spannung an der Stelle 7 mil dem Austritt des Digital-Analog-Umsetzers 833 und sperrt bei gleicher Höhe der Spannungen das Tor 831, wodurch der Zähler 832 zum Stillstand gebracht wird, damit die gemessene Spannung am Digital-Anzeigegerät 834 als resultierender Wert Lh erfaßt wird.

Für eine weitere Messung bedarf die Anordnung keiner weiteren Vorbereitung Nach Ersetzen des

Gewebes 3 genügt es, lediglich den Druckknopf 10 zu drücken. An den Digitalanzeigegeräten 824 und 834 zeigen sich praktisch gleichzeitig neue, den Messungen der Spannungen Lh und Us des neuen Gewebes entsprechende Werte.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und das zugehörige Gerät ermöglichen ein Feststellen von Änderungen der Impedanz biologischer Objekte mit weit größerer Beweiskraft als derzeit bekannte Anordnungen. Gemäß neuer Befunde sind Impedanzänderungen eine wichtige biophysikiilische Eigenschaft von Geweben, welche typische morphologische Zustände von Zellen anzeigt, was von großer Bedeutung ist und vor allem für eine frühzeitige Diagnose verschiedener Art von Karzinomen geeignet ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Feststellen von Änderungen der Impedanz biologischer Objekte, s vor allem von lebenden Geweben, die an eine Hochfrequenzspannungsquelle gelegt sind und zu denen ein Widerstand in Serie geschaltet ist dessen Impedanz mit einem Meßgerät gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Serienwiderstand zwei mit dem Meßobjekt (3) und untereinander in Serie geschaltete, gleich große Widerstände (1, 2) angeordnet sind und daß das Meßgerät (13) für die Spannungsmessung an den drei durch diese zwei Widerstände gegebenen Meßpunkten (5,6,7) vorgesehen ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß an jeden der Meßpunkte (5, 6, 7) eine Vergleichsschaltung (91,92,93) angeschaltet ist daß die Vergleichsschaltung (91), die an den der Meßspannungsquelle (4) benachbarten Meßpunkt (5) angeschlossen ist und mit ihrem Vergleichsspannungseingang an eine stabilisierte Vergleichsspannungsquelle (11) angeschlossen ist mit ihrem Ausgang an den Eingang eines Zählimpulse liefern- 2s den Stufengenerators (12) angeschlossen ist daß an die beiden übrigen Vergleichsschaltungen (92,93) je eine Torschaltung (821,831) angeschlossen ist die im "Wege vom Stufengenerator (12) zu den Digitalanzeigegeräten (824,834) angeordnet sind und daß diese beiden Vergleichsschaltungen (92, 93) als Vergleichsspannungsquellen je einen Digital-Analog-Umsetzer (823, 833) aufweisen, der an einen den Torschaltungen (821, 831) nachgeschalteten Zähler angeschlossen ist