DE4219378A1 - Vorrichtung zur räumlich hochauflösenden Erfassung einer flächenhaften Potentialverteilung mittels einer Folienelektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Er­ fassung einer flächenhaften Potentialverteilung mittels Elektrodenäquivalenten, die auf die zu messende Ober­ fläche elektrisch leitend aufgesetzt werden und die er­ faßten Meßparameter über eine elektrische Leitung an eine elektronische Auswerteeinheit weitergeben, die mindestens einen Vorverstärker und einen Hauptverstär­ ker enthält.

Bei einem bekannten Verfahren zur Erfassung von biome­ dizinischen Parametern werden EKG-Parameter durch ein Elektrodenarray gewonnen. Aber bereits bei Anwendungen mit mehr als vierundzwanzig Elektroden werden Aufwand und damit letztendlich die Kosten so groß, daß eine klinische Anwendung im allgemeinen nicht mehr in Frage kommt.

Bei vielen Methoden der biomedizinischen Technik werden sogenannte bioelektrische Signale aus dem Körper abge­ leitet. Diese bieten durch ihre Auswertung nichtinva­ sive, aber auch invasive Methoden zur Bewertung diver­ ser physiologischer Funktionen. Weit verbreitet ist hier das Elektrokardiogramm (EKG), für diagnostische Zwecke des Herzens. Ähnliche Anwendung finden diese Me­ thoden beim Elektroenzephalogramm (EEG) zur Untersu­ chung des Gehirns, beim Elektrooculogramm (EOG) und Elektroretinogramm (ERG) zur Untersuchung von Augenfunktionen und beim Elektromyogramm (EMG) zur Un­ tersuchung von Muskelfunktionen.

Eine Vielzahl weiterer Meßverfahren, z. B. Elektro­ nystagmogramm und Elektroolphaktogramm, sind bekannt. Bei allen Methoden werden Elektroden, z. B. Sil­ ber/Silberchlorid-Elektroden, möglichst nahe am zu un­ tersuchenden Organ auf die Hautoberfläche des Körpers aufgebracht. Jedes Organ oder Gewebe im Inneren des Körpers, das eine elektrische Aktivität aufweist (Herz, Muskel, Gehirn, Nerven usw.), zeigt diese Aktivität auch auf der Oberfläche des Körpers in einer abge­ schwächten, aber doch meßbaren Summenspannung. Mit den aufgelegten Elektroden können diese elektrischen Akti­ vitäten aufgenommen werden. Nach einer Verstärkung wer­ den die Signale registriert und ausgewertet. Ein Weg, die Aussagekraft der abgeleiteten Signale für die Dia­ gnostik zu steigern, war der Versuch, über eine höhere Anzahl von Elektroden diese Signale räumlich genauer zu erfassen. Man erfaßt nämlich in der Regel bei einer Messung mit einer Elektrode immer die Summe aller Akti­ vitäten eines räumlich ausgedehnten Gewebes. Je weiter das Organ dabei von den aufgebrachten Elektroden ent­ fernt ist, um so schwächer werden die Signale. Zusätz­ lich steigt die räumliche Ausdehnung, aus der sich die Aktivität in einer Ableitung aufsummiert. Die Messungen werden also immer undifferenzierter und die mögliche Auswertung entsprechend ungenauer.

Die sich bei einer Anordnung mit vielen Elektroden er­ gebenden Auswertungen sind allerdings eine hochkomplexe Angelegenheit, gilt es doch im Extremfall jedes Elek­ trodensignal einzeln auszuwerten und alle Ergebnisse zueinander in Bezug zu bringen. Die Darstellung und Vi­ sulisierung der so gewonnenen Ergebnisse stellt eben­ falls ein nicht geringes Problem dar. Die Hauptprobleme derartiger Methoden ergeben sich aber aus der prinzi­ piellen Schwierigkeit, das hochauflösende Elektrodenar­ ray anzulegen. Bei einer EKG-Messung wurden zunächst achtundvierzig Elektroden auf der Brustwand über dem Herzen plaziert, später wurde eine Reduktion auf vierundzwanzig vorgenommen. Die Probleme, die sich selbst bei einem so kleinen Array ergeben, erlauben keine praktikable Anwendung.

Demgemäß besteht die Erfindungsaufgabe darin, die ge­ samte hochkomplexe Elektrodenanordnung in Form einer einfachen Folie zur Erfassung von biomedizinischen Pa­ rametern zu schaffen.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß sämtliche Elektroden als Elektrodenäquivalente, die durch punktuell aufgebrachte Energie aktiviert werden, in einer Folie untergebracht sind.

Die zur Verwendung kommenden Folien bestehen aus einem Kunststoff und sind zumindest an einer Seite metallisch bzw. elektrisch leitend beschichtet, wobei die Metall­ beschichtung für die verwendete Energieform zumindest teildurchlässig sein muß. Das verwendete Kunststoffma­ terial kann unter anderem aus PVC oder insbesondere aus jeweils einer der folgenden Substanzen bestehen, und zwar aus PVC, insbesondere aus Hard-PVC (Genotherm), aus einer Gießfolie auf Polyamidbasis (Supronyl), Ace­ tatfolie (Cellulose-triacetat oder Acetylcellulose) Po­ lyethylenterephthalat (Hostaphan), Polypropylen (Tres­ paphan) oder aus Polymeren unter Einschluß von Rho­ dopsin, aus piezoelektrisch aktiven Polymeren insbe­ sondere aus polyvinylidene Fluoride (Kf Piezo Film).

Neben den erwähnten Folienmaterialien bestehet auch die Möglichkeit die erwähnten Stoffe jeweils in einer Mehr­ komponenten-Folie zu kombinieren. Es können also mehr­ schichtige Folien aus gleichem oder verschiedenem Mate­ rial gebildet werden. Ferner ist es möglich, auf einer Basisfolie zusätzliche Beschichtungen mit den erwähnten Stoffen vorzunehmen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil­ haft, daß die Folie aus mehreren, mindestens aber zwei Schichten besteht, wobei die erste eine Kunststoff­ schicht, die jeweils oberste eine Metallschicht ist. Hierdurch wird erreicht, da sich die Effekte verschie­ dener Materialien gegenseitig unterstützen, wobei die einzelnen Schichten besonders dünn ausgestattet werden können und die Folie selbst mechanisch stabil wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß mehr­ schichtige Folien aus unterschiedlich dotiertem Halb­ leitermaterial verwendet werden, an deren Grenzschich­ ten p-n- oder n-p-Übergänge auftreten. Hierdurch wird erreicht, daß die Elektrodenäquivalente den bekannten Halbleiterbauelementen nachgestaltet werden können. Es ist auch von Vorteil, wenn Ladungsträger durch den En­ ergiestrahl in p-n- oder n-p-Übergängen erzeugt werden.

Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß metallbeschichtete Folien aus einem piezoelektrisch bzw. pyroelektrischen Material (polyvinylidene Fluo­ ride) verwendet werden. Das hat den Vorteil, daß ein Potentialfeld unter dieser Folie die Dicke der Folie bzw. die Materialkonstante des Materials direkt modu­ liert, so auch den pyroelektrischen Koeffizienten.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfin­ dung, daß auf die Oberfläche der Folie ein punktuell wirksamer Energiestrahl aufgegeben wird, der in der Fo­ lie die elektrischen Eigenschaften verändert und da­ durch als punktueller Schalter wirkt. Auf diese Weise kann eine sehr große Anzahl von derartig aktivierbaren Elektrodenäquivalenten auf einem kleinen Raum unterge­ bracht werden.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, daß der Energiestrahl ein Licht-, Wärme- und/oder Schalldruckstrahl ist.

Die Messung einer Potentialfunktion selbst erfolgt be­ vorzugt entweder durch eine Strom - oder durch eine Spannungsmessung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil­ haft, daß mit den zuvor genannten Folienmaterialien weiterhin auch Messungen an den Folien möglich sind, die die mechanischen Schwingungseigenschaften sowie die optischen Eigenschaften, z. B. den Brechungsindex der Folie, nutzen.

Es ist von Vorteil, daß die Dielektrizitätskonstante des Folienmaterials durch den Energiestrahl veränderbar ist. Vorteilhaft ist auch, wenn der spezifische Wider­ stand des Folienmaterials durch den Energiestrahl ver­ änderbar ist.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Meritfigur der Fo­ lie durch den Energiestrahl und wenn der pyroelektri­ sche Koeffizient des Folienmaterials durch den Energie­ strahl veränderbar ist.

Es ist auch von Vorteil, wenn die piezoelektrische Kon­ stante des Folienmaterials und die effektive Dicke der Folie durch den Energiestrahl veränderbar ist.

Ferner es ist von Vorteil, wenn der Schwingungskoeffi­ zient des Folienmaterials und der Brechungsindex des Folienmaterials durch den Energiestrahl veränderbar ist.

Es ist von Vorteil, wenn sich die Dicke des Folienmate­ rials durch ein elektrisches Feld verändert und dieses durch Messung unter Ausnutzung einer entstehenden Dop­ pelbrechung erfaßt werden kann.

Außerdem ist es vorteilhaft, daß das gewonnene Meßsi­ gnal durch ein lineares, elektrisches Netzwerk ge­ schickt wird, das die Folieneigenschaften korrigiert und so die gewonnene reale Meßgröße in die Potential­ funktion transformiert und somit zur Darstellung und Auswertung geeignet macht.

Eine sehr nützliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiter­ bildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß der Vor­ verstärker der Auswerteeinheit als Impedanzwandler zur Spannungsmessung eingesetzt wird und ein Kapazitätskom­ pensationszweig positiv auf den Eingang rückgekoppelt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteil­ haft, daß der Vorverstärker zur Strommessung aus einem Stromverstärker, einem Stromspannungswandler und einem Rückkopplungszweig zur Kapazitätskompensation besteht.

Außerdem ist es vorteilhaft, daß zumindest eine Schicht mittels der Energiequelle derart aktiviert wird, daß eine leitende Verbindung oder Änderungen der Übertra­ gungseigenschaft zwischen Hautoberfläche und Metall­ schicht hergestellt werden.

Vorteilhaft ist es ferner, daß zur Messung der Potenti­ alverteilung eine Folienelektrode auf der Hautoberflä­ che aufgebracht und die Folienelektrode mittels des En­ ergiestrahles gescannt wird und dabei die Folieneigen­ schaften temporär verändert und die Oberflächenspannung der Folienelektrode bei der elektrischen Leitung abge­ griffen und über eine Verstärkereinheit mit einem Ana­ log-Digitalwandler einem Rechner zugeführt und über diesen ausgewertet wird.

Vorteilhaft ist außerdem, daß die Folienelektrode zur Erfassung des EKG′s, EMG′s und EEG′s eingesetzt wird.

Es ist außerdem vorteilhaft, daß mit einem Meßzweig und einem Referenzzweig mit unterschiedlichen Frequenz­ gängen gearbeitet wird, wobei beide Zweige einen Fre­ quenzbereich oberhalb des für biologische Signale gel­ tenden Frequenzbereichs durchlassen.

Von Vorteil ist auch, daß neben der ersten Folienelek­ trode eine Referenzelektrode verwendet und auf dem Rüc­ ken angebracht wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzel­ merkmalen erfindungswesentlich sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine parallel arbeitende Anordnung für ein Elektrodenmatrix bzw. Elektrodenar­ ray,

Fig. 2 die Vereinfachung der Anordnung gemäß Fig. 1 durch Verwendung eines Multi­ plexers zwischen den Elektroden und ei­ ner ersten Verstärkereinheit,

Fig. 3 die äquivalente Anordnung der zuvor in Fig. 2 beschriebenen Anordnung mittels der erfindungsgemäßen Folienelektrode,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Folie zur Herleitung einer mathemati­ schen Beschreibung der Folieneigen­ schaften und ein Ersatzschaltbild zur Beschreibung der elektrischen Eigen­ schaften der Folie,

Fig. 5 die prinzipielle Schaltungsanordnung für eine Spannungsmessung mit Kapazi­ tätskompensation,

Fig. 6 die prinzipielle Schaltungsanordnung für eine Strommessung mit Kapazitäts­ kompensation, wobei in der ersten Stufe noch zusätzlich ein Stromverstärker verwendet wird,

Fig. 7 die Anordnung einer Stromspannungswand­ lung mit einem speziell gearteten Rück­ kopplungsnetzwerk und Kapazitätskompen­ sation,

Fig. 8 die Hauptbestandteile der auf die Vor­ verstärkung folgenden elektronischen Aufbereitung der Meßsignale, bestehend aus Hauptverstärkung mit Offsetkorrek­ tur, einer eventuellen Frequenzgangkor­ rektur, der notwendigen Analog-Digital­ wandlung und dem Rechner, auf dem die weitere Auswertung und die Visualisie­ rung der Ergebnisse erfolgt,

Fig. 9 die prinzipielle Anordnung für eine EKG-bezogene Messung auf der menschli­ chen Thoraxoberfläche, unterschieden wird eine Bezugspotentialbildung wie Wilson, d. h. es werden vier Widerstände von Armen und Beinen so zusammengekop­ pelt, daß sie das Bezugspotential bil­ den,

Fig. 10 eine Anordnung, wie sie jetzt bevorzugt wird, mit einer Rückenelektrode, wobei die für Störeinstreuungen wirksamen Einkopplungsflächen verkleinert worden sind,

Fig. 11 das erfindungsgemäße Verfahren für eine EKG-Messung mit zwei getrennten Verar­ beitungswegen mit verschiedenen Fre­ quenzgängen und den dazugehörigen An­ teilen in der Anordnung am Menschen,

Fig. 12 konstruktive Ausführung zur EKG-Messung im Schnittbild mit Darstellung der tatsächlichen, sehr kurzen, abgeschirm­ ten Kabelführung von den beiden Elek­ troden zu der Vorverstärkungseinheit, die möglichst nahe an den Elektroden angebracht ist.

Fig. 13 eine allgemeine Darstellung zur mathe­ matischen Beschreibung mit der Übertra­ gungsfunktion a) und einer beliebigen Potentialfunktion b),

Fig. 14 das Ergebnis der mathematischen Be­ schreibung mit der Darstellung der Fo­ lieneigenschaften in Form eines li­ neares Systems, mit einer Impulsant­ wort, die der durch den Energiestrahl erzeugenden Übertragungsfunktionände­ rung gemäß Fig. 13 entspricht,

Fig. 15 die Korrektur dieses linearen Systems, das den direkten Zugriff auf die zu messende Potentialfunktion nicht er­ laubt, und durch ein inverses lineares System erreicht wird.

In Fig. 1 und 2 ist der Stand der Technik und in Fi­ gur 3 die erfindungsgemäße Anordnung dargestellt, in der eine Folie 9, auf der eine Metallbeschichtung 6 zur Kontaktierung 7 aufgebracht ist, sämtliche Einzelelek­ troden der Elektrode 1 in den Fig. 1 und 2 ersetzt.

Die Grundidee des Verfahrens und der hierzu verwendeten Folie 9 besteht darin, alle in der Darstellung der Fi­ gur 2 - fiktiv - unmittelbar auf den Elektroden 1 zu positionieren und dann diese Kombination in einer Schicht zusammenzufassen. Der gemeinsame elektrische Punkt 5, auf den die Schalter 3 die Elektroden schal­ ten, ist Kontrapunkt für die Elektronik. Man kann nun eine - fiktive - Metallplatte über die - fiktive - Elektroden-Schalter-Kombination legen, um diesen elek­ trischen Punkt 5 zu realisieren. Der Abgriff für die Elektronik erfolgt dazu durch den Punkt 7. Die Metall­ platte 6 liegt erfindungsgemäß dabei als Metallfolie oder leitende Schicht über der Folie 9, durch die die Schaltfunktion realisiert wird, und diese wiederum auf der Hautoberfläche 10. Mit einer solchen Anordnung ge­ mäß Fig. 3 kann man eine sehr hohe Anzahl von Elektro­ den 1 gemäß Fig. 1 und 2 ersetzen.

Das erfindungsgemäße Elektrodenarray-Äquivalent besteht aus mindestens 1000 Elektroden, die gemäß Fig. 3 auf einer Folienfläche von 15 × 15 cm oder auch 10 × 10 cm untergebracht sein können. Es können auch weit mehr Elektroden auf einer kleineren Fläche realisiert wer­ den. Dadurch erreicht man eine extrem hohe Auflösung und eine sehr einfache Handhabung.

Die Anzahl der räumlich getrennten Meßpunkte wird also gegenüber den konventionellen Anordnungen nach Fig. 1 und 2 vervielfacht, um eine größere Meßgenauigkeit zu erzielen. Hierzu wird eine Folienelektrode 9 gemäß Fig. 3 eingesetzt, die der beschriebenen Vielelektroden- Anordnung nach Fig. 1 und 2 entspricht.

Unter Zuhilfenahme dieser Folienelektrode gemäß Fig. 3 wird eine Potentialfunktion bzw. eine Spannungsfunk­ tion, die unter dieser Folie 9 liegt, abgetastet.

Die Folie 9 besteht aus Kunststoffmaterial, bestehend aus einer oder mehreren Folienschichten, mit einer me­ tallisierten Oberfläche 6, von der die Meßsignale ent­ nommen werden, und die über eine elektrische Leitung 7 und einen Verstärker 4 an eine Auswerteeinheit ange­ schlossen ist. Ausführungen dieses Verstärkers sind in Fig. 5, 6 und 7 dargestellt, die Auswerteeinheit in Fig. 8.

Ein eng gebündelter Energiestrahl 8 verändert unter seinem Auftreffpunkt die elektrischen Eigenschaften des Folienmaterials und wirkt dadurch wie ein punktueller Schalter, der das unter dem Auftreffpunkt der Folie 44 liegende Potential auf die metallisierte Seite durch­ schaltet, d. h. es wird an dem jeweiligen Auftreffpunkt des Energiestrahles ein Schalteräquivalent kurzfristig gebildet.

Wird nun, wie in Fig. 3 dargestellt, der Energie­ strahl 8 zeilenweise, oder auch mäanderförmig, kreis­ förmig oder spiralig über die Folie 9 gelenkt, dann kann das gesamte elektrische Potential unter der Fo­ lie 9 gescannt werden.

Ein Vorverstärker 4 ist nötig, um das so durchgeschal­ tete Potential am jeweiligen Auftreffpunkt des Licht­ strahls von der metallbeschichteten Seite der Fo­ lie gemäß Fig. 3 aufzunehmen, zu verstärken und einer Weiterverarbeitung zuzuführen.

Die elektrischen Eigenschaften der Folienelektrode 44 können, wie später beschrieben wird, ersatzweise durch ein elektrisches lineares System dargestellt werden.

Zur Gewinnung der unter der Folie gemäß Fig. 3 liegen­ den Potentialfunktion wird aus der so gewonnenen Meß­ funktion im Rahmen der Verarbeitung der gewonnenen Si­ gnale ein die speziellen Folienübertragungseigenschaf­ ten beschreibendes äquivalentes lineares System invers nachgebildet. Die nicht idealen Bedingungen, die das Folienmaterial aufweist, können so eliminiert werden.

Die Anordnung kann für die Messung einer Potentialver­ teilung auf der Körperoberfläche 10 eines Menschen an­ gepaßt werden, um auf der Thoraxoberfläche eine räum­ lich hochauflösende Erfassung eines EKG′s zu ermögli­ chen.

Die Anordnung kann für die Messung einer Potentialver­ teilung auf der Körperoberfläche 10 eines Menschen an­ gepaßt werden, um auch andere elektrophysiologische Pa­ rameter (EMG, EEG, ECG) räumlich hochauflösend zu erfas­ sen.

In dem Ausführungsbeispiel werden gemäß Fig. 3 alle Schalteräquivalente durch die Folieneigenschaft selbst in Verbindung mit dem aufgebrachten Energiestrahl re­ alisiert.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Elektrodenarray ist in aufwendiger Weise für jede Elektrode ein Vorverstärker parallel angeordnet. Wie erkenntlich, wächst der not­ wendige Einsatz an Elektronik dabei sehr schnell. Dazu zeigt Fig. 2 eine alternative Anordnung, bei der jede Elektrode über die Schalter eines Multiplexers auf die Auswertelektronik bzw. Auswerteeinheit geschaltet wer­ den kann. Hierzu wird nur ein Verstärker benötigt. Die Anordnung muß aber in der Lage sein, die Schalter aus­ reichend schnell zu schließen, eine Messung der an der Elektrode liegenden Spannung vorzunehmen, den Schalter wieder zu öffnen und den nächsten Schalter zu betäti­ gen, um die Spannungsverläufe an den Einzelelektroden abzutasten. Die notwendigen Schaltgeschwindigkeiten er­ geben sich aus dem Shannon′schen Abtasttheorem, das be­ sagt, daß die höchste im zu messenden Signal enthaltene Frequenz mit mindestens der doppelten Frequenz abzuta­ sten ist.

Ist die geforderte Abtastfrequenz fa gegeben, muß das gesamte Array fa mal je Sekunde vollständig abgetastet werden. Dies ist mit jeder Elektrode durchzuführen. Da­ mit steht an jeder Elektrode für den Einschaltvorgang, das Einschwingen, die Messung selbst und das Wiederaus­ schalten insgesamt lediglich die Zeit 1/(fxm) zur Ver­ fügung. Eine solche Multiplexeranordnung erfordert einen sehr hohen technischen Aufwand. Der Multiplexer müßte nämlich die geplante, auf jeden Fall sehr große Eingangsanzahl bewältigen können. Zusätzlich liegen im­ mer noch die auf den Körper aufzubringenden Einzelelek­ troden vor, und für jede dieser Elektroden wird ein Schalter benötigt.

Der gemäß Fig. 1 und 2 gemeinsame elektrische Punkt 5, auf den die Multiplexerschalter 3 die Elektroden 1 schalten, ist zugleich der Eingang des Verstärkers 4. In der Anordnung gemäß Fig. 3 wird dieser Punkt 5 durch die Metallbeschichtung 6 der Folienbahn 9 er­ reicht, auf der ein Kontaktpunkt 7 den elektrischen Kontakt zum Vorverstärker 4 hergestellt. Die Elektro­ den 1 gemäß Fig. 1 und 2 werden also sinngemäß zusam­ mengefaßt und in einer Schicht, eben der Folie, inte­ griert. Es werden nun aber keine echten Einzelelektro­ den 1 gemäß Fig. 1 und 2 in der Folie gemäß Fig. 3 verwendet sondern sinngemäß direkt wirkende bzw. zu ak­ tivierende Kanäle. Diese Kanäle oder Elektrodenäquiva­ lente bilden sinngemäß kleine Tore, die im offenen Zu­ stand eine Verbindung zwischen der in Fig. 3 unten liegenden Oberfläche 10 mit der zu messenden Potential­ verteilung und der Metallbeschichtung 6 herstellen. Im geschlossenen oder nichtleitenden Zustand besteht eine solche Verbindung nicht.

Für die erfindungsgemäße Anwendung der Anordnung gemäß Fig. 3, müssen die Kanäle oder Schaltäquivalente nur ausreichend schnell geöffnet und geschlossen werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die Folie 9 gemäß Fi­ gur 3 aus einem Material angefertigt wird, das seine Eigenschaften durch Energie, also z. B. Licht, oder Tem­ peratureinwirkung verändern kann. So kann ein eng ge­ bündelter Energiestrahl 8, z. B. ein Laserstrahl, eine solche Torwirkung herbeiführen. Ein Lichtstrahl, der z. B. zeilenweise, kreisförmig, spiralig oder auch mäan­ derförmig über die Folie gemäß Fig. 3 streicht, er­ laubt so das zeilenweise Abtasten eines unter der auf­ liegenden Folie 9 vorhandenen elektrischen Potentials.

Die beschriebenen Torelemente (Elektroden) sind in ih­ rer technischen Realisation nur Schaltäquivalente; tatsächliche Toreigenschaften wären hilfreich, sind aber nicht nötig. Es können z. B. biologische Membrane verwendet werden, in denen Kanäle eingebaut sind, die z. B. selektiv Ionen einer bestimmten Sorte durchlassen oder andere Transporte durch die Membran ermöglichen.

Die Veränderung der elektrischen Eigenschaften der zur Verwendung kommenden Folienmaterialien, die durch einen Energiestrahl 8 gezielt ausgelöst werden kann, ist für die funktionsgerechte Anwendung ausreichend. Auch ist eine Vielzahl von Variationen durch das Heranziehen un­ terschiedlichster Materialien möglich.

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau der bereits be­ schriebenen Folie 44 zur Messung einer flächenhaften Potentialverteilung. Die Folie 44 besteht aus der Wir­ kungsschicht 9 und der metallbeschichteten Oberflä­ che bzw. oberflächigen Metallschicht 6, die zur Kontak­ tierung mit einer Elektronik bzw. einem Vorverstärker 4 dient.

Die Folie 9 in Fig. 3 wird durch einen Lichtstrahl 8 in seinen elektrischen Eigenschaften verändert. Zur Messung des Potentials auf der Körperoberfläche 10 wird die nicht metallisierte Seite der Folie leitend auf die Körperoberfläche 10 aufgebracht. Um einen sicheren elektrischen Kontakt zwischen Körperoberfläche 10 und der Folie 9 herzustellen, wird ein Elektroden-Gel 11 verwendet. Diese Maßnahme kann bei technischen Anwen­ dungen oder bei völlig planen Oberflächen entfallen.

Wie bereits erläutert, sind echte Tor- bzw. Kanalfunk­ tionen, also ideale Bedingungen, für die Anwendung letztendlich nicht nötig.

Fig. 13 zeigt den angenommenen Funktionsverlauf der Übertragungseigenschaft der Folie 9 mit einer durch einen Energiestrahl 8 ausgelösten, örtlich begrenzten Änderung 61 dieser Übertragungseigenschaft für einen Punkt Xi, entsprechend dem gescannten Punkt Xi. Ein En­ ergiestrahl, der in der Zeit dt von Xi nach Xj wandert, bewirkt eine entsprechende örtliche Verschiebung der Veränderung, die durch diesen Energiestrahl in der Fo­ lie 9 bewirkt wird.

Wichtig ist, daß sich die gesamte, vom Energiestrahl bewirkte Änderung mit dem Energiestrahl mitbewegt. Da­ bei ist der Bereich 61, in dem sich die Änderung be­ merkbar macht, räumlich durchaus ausgedehnt. Wenn der Energiestrahl also hier in eine bestimmte Richtung wan­ dert, nimmt das Material nicht sofort den alten Zustand ein sondern erreicht diesen erst mit einer gewissen Zeitverzögerung. Das ist nicht relevant, auch ein der Bewegung des Lichtstrahls evtl. vorauslaufender Wir­ kungsanteil ist unwesentlich.

Wie im folgenden erläutert wird, bekommt man bei der mathematischen Beschreibung der Übertragungseigenschaf­ ten gemäß Fig. 12 einer solchen realen Folie 44 ein bestimmtes Integral, nämlich ein sogenanntes Faltungs­ integral, das auch bei der Beschreibung eines linearen Systems verwendet wird. Hierbei wird die Impulsant­ wortsfunktion des linearen Systems mit der auf den Ein­ gang des Systems geschalteten Funktion gefaltet, um die Ausgangsfunktion zu beschreiben. Der Vergleich der auf­ tretenden Faltungsintegrale zeigt, daß die Eigenschaf­ ten der realen Folie bezüglich der Übertragung der Po­ tentialfunktion beim beschriebenen Scanning unter der Wirkung eines Energiestrahls als die Übertragungseigen­ schaften eines linearen Systems aufgefaßt werden kön­ nen. In diesem Fall ist es die reale Übertragungseigen­ schaft, die diese Folie 9 selbst darstellt, aber man kann sie als Übertragungseigenschaft eines äquivalenten elektrischen linearen Systems auffassen.

Die unter der gescannten Zeile liegende Potentialfunk­ tion 58 gemäß Fig. 13 geht durch den Scannervorgang in eine Zeitfunktion über, die meßtechnisch an dem Punkt 7 gemäß Fig. 3 zur Verfügung steht. Das Ergebnis der Messung ist die unter der Folie 44 liegende Potential­ funktion 58, die gemäß Fig. 14 als Zeitfunktion durch ein lineares System 65 hindurchgeht. Dieses die realen Folieneigenschaften beschreibende äquivalente lineare System besitzt dabei eine Impulsantwort, die der Verän­ derungsfunktion der Folieneigenschaft entspricht.

Die Beschreibung erfolgt ohne Einschränkung der Gültig­ keit auch für flächenhafte Potentialfunktionen hier nur für eine eindimensionale Funktion und nimmt Bezug auf Fig. 12.

Diese Figur zeigt einen angenommenen Potentialver­ lauf 58 U(x) entlang der x-Achse und darüber eine will­ kürlich vorgegebene Funktion, mit der eine wie auch im­ mer geartete physikalische Übertragung 59 dieser Poten­ tialfunktion 50 auf die metallische Seite beschrieben wird. Die Übertragung besteht dabei aus zwei Komponen­ ten:

Die eine, dargestellt durch U°, ist immer vorhanden, für alle Stellen einer Folie 44 nach Fig. 3 gleich und stellt den Grundzustand der Übertragungseigenschaft der Folie für die Potentialfunktion 58 dar.

Die andere, dargestellt durch Ü(t) im Bereich 61, ist die Veränderung der Übertragung durch den Energie­ strahl 8, der in einem begrenzten Bereich 61 über seine thermische, Licht- oder Impulswirkung die zuvor ge­ nannte Grundeigenschaft des Materials beeinflußt und verändert.

Es werden bei dieser mathematischen Beschreibung kei­ nerlei Voraussetzungen über die Art der Übertragung selbst gemacht, sondern es wird lediglich angenommen, daß eine solche Übertragung existiert, daß sich die Funktion in Abhängigkeit von einem physikalischen Ein­ fluß ändert, hier durch einem Energiestrahl 8 an der Position Xi, und daß sich der gesamte Verlauf der Ände­ rung mit dem wandernden Einfluß des Lichtstrahls ent­ lang der x-Achse verschiebt.

Wandert der Energiestrahl 8, also in x-Richtung über die Folie, dann verschiebt sich auch der Verlauf der vom Licht verursachten Änderung in x-Richtung. Dabei hängt die Form der Funktionsveränderung durchaus auch von der gewählten Geschwindigkeit ab, mit der der Lichtstrahl 8, über die Folie gelenkt wird. Gleichgül­ tig aber, an welcher Position x die Messung der durch Licht verursachten Änderung erfolgt, bleibt der prinzi­ pielle Verlauf der Änderung bei konstanter Geschwindig­ keit gleich, wenn das Material für alle Stellen gleiche Eigenschaften hat.

In Fig. 13 gilt dies für zwei Zeitpunkte 62 xi und xj. In der Zeit dt hat sich hier der Verlauf der Kurve, also die Änderung der Folieneigenschaften durch den En­ ergiestrahl, um dx=v·dt hier nach rechts verlagert. Die Änderungsfunktion ist ohne weitere Vorgaben, also ganz allgemein mit Ü(t) bezeichnet und völlig beliebig in seiner Ausprägung. Die Funktion Ü(t) beschreibt den Verlauf der Änderungsfunktion bei x=0, wenn zum Zeit­ punkt t=0 der Start einer Änderung vorliegt. An der Po­ sition Xi, Xj < 0, kommt die Änderung mit einer kleinen Verspätung an, nämlich mit der Zeitverzögerung, die der Lichtstrahl 8 zum Erreichen der Position Xi bzw. Xj bei bl benötigt. Die zeitverschobene Änderungsfunktion an einer beliebigen Position x lautet Ü(t-x/v), wenn der Lichtstrahl 8 mit der Geschwindigkeit v in x-Richtung abgelenkt wird.

Die Übertragungsfunktion selbst, also Ü° +U(t-x/v) wird folgendermaßen aus ihren Eigenschaften definiert:

Liegt unter der Folie an der Position x die Spannung U(x) 64, dann trägt diese Spannung U(x) im Intervall von x bis x+dx an der zu messenden Größe mit U(x)·[Ü°+Ü(t-x/v)]·dx bei. Dabei ist es gleichgültig, ob die zu messende Größe ein Strom ist, in diesem Fall wäre mit Ü°+U(t-x/v) die Beschreibung einer Wider­ standsgröße eines Folienelements im Bereich von x bis x+dx gegeben, oder ob sie etwas anderes darstellt.

Wichtig ist nur, daß die Funktion Ü° +Ü(t-x/v) be­ schreibt, wie bei einer Meßanordnung gemäß Fig. 3 das Potential U(x) im Bereich x . . . x+dx in die Messung ein­ geht, nämlich gemäß U(x)·[U°+Ü(t-x/v)]·dx.

In die bei einer Meßanordnung gemäß Fig. 3 gewonnene Meßfunktion M′(t) gehen die Anteile aller Stellen x summierend ein. Es gilt also:

In diesem Ausdruck stellt der erste Teil lediglich eine Konstante dar, wenn sich U(x) nicht innerhalb der Zeit­ spanne ändert, in der der Lichtstrahl 8 von x=0 bis x=L wandert, zumindest aber ist er sehr niederfrequent. Diesen Anteil kann man technisch durch eine Hochpaßfil­ terung ganz leicht abtrennen. Da dies später für eine reale Messung ohnehin geschieht, wird er im folgenden vernachlässigt.

Interessant ist hier nur der zweite Teil, der die ei­ gentliche Meßfunktion beschreibt, die man bei einer An­ ordnung gemäß Fig. 3 erhält, also

Substituiert man hierin noch τ=x/v, x=v·τ, dx=v·dτ, dann liegt mit

ein wohlbekanntes Integral, nämlich das Faltungsinte­ gral, vor, das auch bei der Beschreibung linearer Sy­ steme auftritt.

Dieses Integral beschreibt das Verhalten eines li­ nearen, kausalen, zeitinvarianten Systems, das eine be­ kannte Impulsantwort hat, die hier mit Ü(t) bezeichnet wird und auf das eine Eingangsfunktion, hier U(v·τ), einwirkt. Die Konstante v ist dabei ohne Bedeutung.

Tatsächlich geht ja auch die Ortsfunktion U(x) durch die beschriebene Abtastung durch einen wandernden Lichtstrahl 8 in eine Zeitfunktion U(v·τ) über. Die Operation der Folienübertragung bei einer solchen Lichtabtastung ist also einem linearen System oder Fil­ ter äquivalent und entsprechend beschreibbar. Die Fig. 13 und 14 geben diese Anschauung wieder.

Gleichgültig, wie der tatsächliche Verlauf einer durch den einwirkenden Energiestrahl ausgelösten Änderung Ü(t) der Übertragungseigenschaften des Folienmaterials auch aussieht und gleichgültig, welcher physikalische Effekt diese Änderung bewirkt, die Übertragung der un­ ter der Folie liegenden Potentialfunktion bei der be­ schriebenen Messung erfolgt stets analog einem linearen elektrischen System, das die Potentialfunktion über­ trägt.

Die Abtastung gemäß Fig. 3 eines unter der Folie lie­ genden Potentialverlaufs gelingt also auch mit einem nicht idealen Folienmaterial. Die Eigenschaften der Fo­ lie können als die Eigenschaften eines linearen elek­ trischen Systems aufgefaßt werden, durch das die Funk­ tion U(v·τ) hindurchgeht. Aus einer in der Anordnung gemäß Fig. 3 meßbaren Funktion M(t) kann bei Kenntnis von Ü(t) auf die Funktion U(v·τ) geschlossen werden. Dazu stehen mathematische Operationen wie die Entfal­ tung zur Verfügung.

Schaltet man, eine andere technische Möglichkeit nut­ zend, ein zum ersten System inverses System in Reihe zu dem ursprünglichen System, also mit der Meßfunktion M(t) als Eingang, dann wird die Wirkung des ersten Sy­ stems aufgehoben. Man erhält so wieder die zu messende Potentialfunktion. Die Fig. 13 und 14 beschreiben diese Vorstellung: Die Ortsfunktion U(x) 58 wird durch die beschriebene Energieabtastung - mathematisch ist dies die Substitution von τ für x/v - in eine Zeitfunk­ tion U(v·τ) 69 gewandelt. Diese Zeitfunktion 69 geht durch ein erstes lineares System 65, das die Folienei­ genschaften darstellt, bzw. mit diesen Eigenschaften äquivalent ist. Der Ausgang 66 dieses Systems 65 ist in Fig. 14 mit M(t) bezeichnet und stellt bis auf einen niederfrequenten Anteil die am Kontaktpunkt 7 in Fig. 3 gewonnene Meßfunktion dar. M(t) ist zugleich die Ein­ gangsfunktion eines zum ersten System inversen linearen Systems 67, das die Wirkung des ersten Systems aufhebt. Es kann als analoges oder digitales System - dann vor­ zugsweise auf dem Rechner während der Auswertung soft­ waremäßig realisiert - dazugeschaltet werden. Der Aus­ gang 68 liefert die Funktion U(v·τ)=U(x) und stellt das eigentliche Meßziel der Erfindung dar.

Trotz der Möglichkeit, wie beschrieben, auch mit nicht idealen Folien arbeiten zu können, sind an das Material einer geeigneten Folie bestimmte Anforderungen ge­ stellt. Dazu beziehen sich die folgenden Darstellungen auf Fig. 4.

In einem leitfähigen Material mit der spezifischen Leitfähigkeit σ fließt bekanntlich bei vorhandenem elektrischen Feld der Stärke E ein Strom mit einer Stromdichte j = σ E (Ohmsches Gesetz).

In einem quadratisch gedachten Folienelement der Fläche dA = dx dy fließt also ein Strom

i = j dx dy = σ E dx dy.

Das elektrische Feld E ergibt sich aus der Folien­ dicke d und der über der Folie liegenden Spannung U ge­ mäß E=du/d. Da die obere Seite der Folie in Fig. 3 me­ tallbeschichtet ist, ist das Potential auf dieser Flä­ che sicher überall gleich. Das in der Folie wirkende elektrische Feld wird also nur durch das unter der Fo­ lie liegende Potentialfeld bestimmt und ist eine Funk­ tion des Ortes.

In Fig. 12 ist diese Potentialdifferenz für die Dar­ stellung des U(x) verwendet worden, mit U(x)=U oben-U unten. Damit gilt für diesen Ohmschen Anteil am Strom im Meßstromkreis:

ir = σ U/d dx dy.

Dies entspricht dem Ohmschen Gesetz mit I=U/R, also

R = l/σA,l=d, A=dxdy.

Zu diesem rein Ohmschen Strom kommt eine kapazitive Komponente hinzu. Die Folienanordnung gemäß Fig. 3 bildet nämlich mit ihrem Material zwischen der metall­ beschichteten Seite 6 und der Meßoberfläche 10 das Di­ elektrikum einer recht großen Kapazität.

Ein Strom Ic durch eine Kapazität C bewirkt eine Ände­ rung der in die Kapazität eingebrachten Ladungsmenge Q = U C.
Es gilt: Ic = dQ/dt = Q′ = U′C + U C′.

Da die kleine Kapazität des betrachteten Folienelements durch

C = ε A/d, mit A = dx dy

beschrieben wird, und sich die Spannung U(x,y) über dem Folienelement im Rahmen der hier notwendigen kurzen Ab­ tastzeiten nicht oder nur sehr wenig ändern wird, also U′ = 0 gilt, ist dieser kapazitive Stromanteil.

Ic = U {ε A/d<′ = U dx dy ε′ / d.

Der Gesamtstrom über das Flächenelement der Folie in der Fig. 4, also die Summe aus Ohmschen und kapaziti­ ven Anteil, ist somit durch

i = ir+ic = {σ+ε′/d} U dx dy (I)

beschreibbar.

Aus dieser Formel ergeben sich nun alle Anforderungen, die an ein Folienmaterial gestellt werden können. Zugleich ergibt sich daraus die Möglichkeit, ein Er­ satzschaltbild zur Beschreibung der Folieneigenschaften anzugeben. Dies zeigt Fig. 4.

Im verwendeten Ersatzschaltbild wird durch einen Wider­ stand Rq 13 der Ohmsche Stromanteil des Folienelements, also die Ohmsche Leitfähigkeit des Folienmaterials er­ faßt. Ein zu Rq 13 parallel liegender Kondensator 14 beschreibt die Kapazität des Folienelementes und erfaßt die kapazitive Komponente des Stroms. Zur Erfassung eventuell in der Folie ablaufender aktiver Vorgänge ist diesen beiden Bauelementen eine gesteuerte Strom­ quelle 15 zugeschaltet. Alle diese Elemente sind als variabel angenommen.

Auf der Metallschicht 6 der Folie 44 bewirkt eine di­ rekte Verbindung aller Folienelemente, also einen di­ rekten Zusammenschluß der Ersatzbauteile Rq, Cq, Qq bei 17. Dies gilt jedoch nicht auf der Unterseite der Fo­ lie 9. Voraussetzungsgemäß muß hier ein Zusammenschluß verhindert werden, deshalb sind hier die Einzelelemente mit einem Längswiderstand R1 verbunden.

Sowohl aus dem Ersatzschaltbild, als auch aus der For­ mel (I) lassen sich die zu fordernden Folieneigenschaf­ ten beschreiben. Dabei ist zu bedenken, daß σ und ε′ gegensinnige Wirkungen haben können, d. h. daß sich die erzielbaren Effekte gegenseitig aufheben aber auch in ihrer Wirkung gegenseitig verstärken können.

Um den für eine erfindungsgemäße Anwendung notwendigen Anforderungen zu genügen, muß zunächst der spezifische Längswiderstand R1 des Folienmaterials groß sein gegen den Körperwiderstand, um eine Beeinflussung des zu mes­ senden Potentiales durch die aufliegende Folie zu ver­ meiden.

Die Dicke d der Folie ist stets ein Kompromiß zwischen gegensätzlichen Forderungen: Zum einen sollte die Folie möglichst dünn sein, um den Faktor 1/d in den Formeln groß werden zu lassen. Zum anderen wird dann aber die Kapazität der gesamten Folie 44 sehr groß, weil ja auch dort der Faktor 1/d steht. Die meßtechnische Erfassung eines gezielt ausgelösten Punkteffekts wird dadurch stark behindert, weil ein sich schnell verändernder Strom an diesem Punkt erst einmal die gesamte Kapazität umladen muß.

Bei der Herleitung der obigen Formeln wurde angenommen, daß sich nur die spezifische Leitfähigkeit des Folien­ materials oder die Dielektrizitätskonstante ändern wird.

Es kann sich durch eine intensive Energieeinwirkung aber auch eine Änderung der Dicke d ergeben. In diesem Fall wäre die oben durchgeführte Ableitung der Kapazi­ tät nach der Zeit durch

zu ersetzen.

Formel I geht dann über in

i = { [σ+ε′-ln′d] / d } U dx dy (Ia)

Möglich ist ein solcher Effekt z. B. bei elektrisch ak­ tiven oder mehrschichtigen Folien, z. B. aus Halbleiter­ materialien mit p-n- oder n-p-Übergängen zwischen den Folienschichten. Bei Betrieb in Sperrichtung kann eine recht deutliche räumliche Trennung der Ladungsträger erfolgen, die Sperrschicht, also der effektive oder auch mittlere Abstand der vorhandenen Ladungsträger, ist recht breit wie bei einer Kapazitätsdiode. Ein en­ ergiereicher Lichtstrahl bzw. Laserstrahl 8 kann nun sowohl durch seine thermische Wirkung als auch durch den direkten Photoeffekt neue Ladungsträger in der Sperrschicht erzeugen; die Sperrschicht bricht kurzfri­ stig zusammen, die effektive Breite der Sperrschicht geht innerhalb sehr kurzer Zeit, im wesentlichen beste­ hend aus der Rekombinationszeit und der Zeit bis zum Absaugen der Ladungsträger durch die angelegte Span­ nung, sehr stark - sogar bis auf d=0 - zurück. Der ge­ wünschte Effekt kann gerade an einem solchen Folienma­ terial sehr stark auftreten.

Bei derartigen Folien mit ausgebildeten Sperrschichten sind allerdings auch andere Effekte, wie z. B. Photoef­ fekt, für die erfindungsgemäße Anwendung nutzbar.

Bei zweischichtigen Halbleiterfolien mit n-p- oder p-n- Übergängen sollte die Folie besonders bei der Messungen kleiner Spannungen so dünn wie möglich sein, weil dann das elektrische Feld über der Folie gemäß U/d groß wird. Neu entstandene Ladungsträger können durch die Elektronik trotz der großen parasitären Kapazität sehr schnell abgesaugt und gemessen werden, zumal diese Ka­ pazität mit gut bekannten Techniken kompensiert werden kann.

Spezielle Anforderungen ergeben sich dann, wenn die zur Verfügung stehenden Effekte bzw. auch eine Kombination davon vorgegeben sind, wenn also ein bestimmtes Folien­ material verwendet werden soll.

Ein elektrisch nichtaktives Material, das in Abhängig­ keit von einer Bestrahlung mit Energie, also Licht, Wärme und/oder Impuls, seinen spezifischen Widerstand ändert, hätte seine nutzbare Wirkung in dem Faktor σ.

Wird dieser Effekt thermisch ausgelöst, muß das Folien­ material selbst, oder die aufgebrachte metallische Seite eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit haben, um die ausgelöste Änderung schnell wieder zurücknehmen zu kön­ nen.

Ein elektrisch nichtaktives Material, das in Abhängig­ keit von einer Bestrahlung mit Energie, also Licht, Wärme und/oder Impuls, seine Dielektrizitätskonstante ändert, hätte seine nutzbare Wirkung in dem Faktor ε′.

Wird dieser Effekt thermisch ausgelöst, muß das Folien­ material selbst oder die aufgebrachte metallische Seite eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, um die ausgelöste Änderung schnell wieder zurücknehmen zu können.

Da nur die Änderung von ε, also ε′ in die Wirkung ein­ geht, muß der Effekt sehr schnell ausgelöst werden, kann sich aber langsamer zurückbilden.

Ein elektrisch nichtaktives Material, das in Abhängig­ keit von einer Bestrahlung mit Energie, also Licht, Wärme und/oder Impuls, seine Dicke d ändert, hätte seine Wirkung in dem Faktors ln′d.

Da nur die Änderungsgeschwindigkeit, also ln′d in die Wirkung eingeht, muß der Effekt nur sehr schnell ausge­ löst werden können, kann sich aber durchaus langsamer zurückbilden. Hier ist es besonders von Vorteil, wenn die Dicke der Folie sehr klein ist, weil dann besonders große Werte für ln′d zu erwarten sind und zusätzlich der Faktor 1/d sehr groß ist. Wird dieser Effekt ther­ misch ausgelöst, dann muß das Folienmaterial selbst oder die aufgebrachte metallische Seite eine hohe Wär­ meleitfähigkeit haben.

Eine sehr geringe Dicke des Folienmaterials ist sehr günstig. Zusätzlich werden so die elektrischen Felder über der Folie gemäß E=U/d sehr groß, was unter Umstän­ den den wie auch immer gearteten Effekt unterstützt.

Nachfolgend sind mehrschichtige Folien mit n-p oder p- n-Übergängen erläutert. Ein Übergang wird im Sperrbe­ trieb betrieben. Die (Majorität-)Ladungsträger werden durch die angelegte Sperrspannung auseinandergezogen, es entsteht eine isolierende Sperrschicht.

Jedes Folienelement weist in diesem Zustand eine sicher geringe spezifische Leitfähigkeit und eine bestimmte kleine Kapazität auf. Trifft Licht auf diese Folie, dann werden unter dem Auftreffpunkt thermisch neue La­ dungsträger erzeugt und durch den Photoeffekt neue La­ dungsträger erzeugt. In direkter Folge nimmt die Leit­ fähigkeit des Folienelements durch die Ladungsträger zu und die Kapazität des Folienelements wird durch Änderung der Dielektrizitätskonstanten in Verbindung mit einer Abnahme der Sperrschichtdicke sehr stark verkleinert. Die erreichbaren effektiven Schaltge­ schwindigkeiten ergeben sich aus der Geschwindigkeit, mit der die Ladungsträger im Folienmaterial durch den auftreffenden Lichtstrahl erzeugt werden, zusätzlich durch die Geschwindigkeit, mit der die ausgelösten Ef­ fekte sich zurückbilden können, also die erzeugten La­ dungsträger rekombinieren, oder abgesaugt werden können und die erzeugte Wärmemenge abtransportiert werden kann.

Ein Übergang wird im Durchlaßbetrieb betrieben. Jedes Folienelement weist in diesem Zustand eine sicher große spezifische Leitfähigkeit auf. Trifft Licht auf diese Folie, dann werden unter dem Auftreffpunkt thermisch durch den Photoeffekt neue Ladungsträger erzeugt. In direkter Folge nimmt die Leitfähigkeit des Folienele­ ments durch die Ladungsträger zu.

Die erreichbaren effektiven Schaltgeschwindigkeiten er­ geben sich aus der Geschwindigkeit, mit der die La­ dungsträger im Folienmaterial durch den auftreffenden Lichtstrahl erzeugt werden, zusätzlich durch die Ge­ schwindigkeit, mit der die ausgelösten Effekte sich zu­ rückbilden können, also die erzeugten Ladungsträger re­ kombinieren oder abgesaugt werden können und die er­ zeugte Wärmemenge abtransportiert werden kann.

Bei mehrschichtige Folien mit aufeinanderfolgenden -n- p-n-p- . . . -Übergängen folgen die Wirkungen wie oben be­ schrieben im Wechsel aufeinander.

Nachstehend ist eine einschichtige Folie aus piezoakti­ vem Material erläutert.

Das durch die Potentialfunktion modulierte, vom Ort ab­ hängende elektrische Feld erzeugt vom Ort abhängige De­ formationsänderungen des Folienmaterials 9, dies verän­ dert alle Materialschaften.

Jedes Folienelement weist in diesem Grundzustand eine sicher geringe spezifische Leitfähigkeit und eine be­ stimmte kleine Kapazität auf. Trifft Licht auf diese Folie, dann werden unter dem Auftreffpunkt thermisch die Materialkonstanten zusätzlich geändert. In direkter Folge nimmt die Leitfähigkeit des Folienelements durch die Ladungsträger zu, und die Kapazität des Folienele­ ments wird durch Verändern der Dielektriztätskonstan­ ten, evtl. in Verbindung mit einer Abnahme der Schicht­ dicke, verändert.

Die erreichbaren effektiven Schaltgeschwindigkeiten er­ geben sich aus der Geschwindigkeit, mit der die thermi­ sche Änderung durch den auftreffenden Lichtstrahl aus­ gelöst wird, zusätzlich durch die Geschwindigkeit, mit der die ausgelösten Effekte sich zurückbilden können, also die erzeugte Wärmemenge abtransportiert werden kann.

Nachstehend ist eine ein- oder mehrschichtige Folie aus piezoaktivem Material beschrieben.

Über der aufliegenden Folie liegt bei Spannungen von ca. 10 mV und einer Foliendicke von ca. 10 µm ein elek­ trisches Feld in der Größenordnung von ca. 1000 V/m. Bei einem piezoaktiven Material wird bei einer solchen Feldstärke eine deutliche Dickenänderung des Materials erzielt. Damit verändern sich aber auch die optischen Eigenschaften des verwendeten Materials. Das Vorliegen eines unter der Folienanordnung gemäß Fig. 3 liegenden Potentialfeldes führt zu einer vom Ort abhängenden elektrischen Feldstärke, damit zu einer von Ort abhän­ genden Material(-Dicken-)änderung und Materialdichte und damit zu einem vom Ort abhängenden optischen Bre­ chungsindex.

Diese Parameter sind gut erfaßbar, z. B. durch Scanning der Folie mit einem (Monomode-) Laser. Hierbei wird kann die Eigenschaft der Folie zur Doppelbrechung aus­ genutzt werden, wobei der verwendete Laser zugleich En­ ergiestrahl 8 als auch Meßfühler ist.

Die Beschreibung der Verstärkertechnik zur Potenti­ alaufnahme ist nachstehend aufgeführt. Je nach Anwen­ dungsgebiet für die Potentialmessung muß der aufzubau­ ende Verstärker etwas angepaßt sein. Trotzdem lassen sich ganz allgemein einige Konstruktionsmerkmale eines derartigen Verstärkers beschreiben und realisieren.

Die notwendigen Anpassungen der Verstärkertechnik erge­ ben sich aus den Eigenschaften der möglichen Folienma­ terialien und betreffen im wesentlichen die Vorverstär­ kung. Anwendungsspezifische Variabilitäten der Elektro­ nik betreffen im wesentlichen den zu realisierenden Verstärkungsfaktor, den Frequenzgang und die Auswer­ tung.

Zu den vom Folienmaterial abhängigen Verstärkerteilen gehört vor allen Dingen die Vorverstärkung. Im folgen­ den werden die möglichen Verstärkungsprinzipien hierzu beschrieben.

Fig. 5 beschreibt eine Schaltung zur Spannungsmessung: Mechanisch möglichst nahe an der Folienelektrode 44 wird ein Operationsverstärker mit direkter negativer Rückkopplung als Impedanzwandler, mit einer nachfolgen­ den Verstärkung 22 positioniert. Die so gewonnenen Spannung wird über die RC-Kombination 19 zur Kompensa­ tion der parasitären Kapazität 20 positiv auf den Ein­ gang der Schaltung zurückgekoppelt. Um die Neigung die­ ser Schaltung zu unkontrollierten Schwingungen zu be­ einflussen, wird der Frequenzgang der Rückkopplung durch ein entsprechendes Filter 21 festgelegt und die Kreisverstärkung auf <1 festgelegt.

Die gewonnene Spannung wird dann zur Auswertung über den Verstärker 23 weiterverstärkt, digitalisiert und im Rechner weiterverarbeitet.

In Fig. 6 ist eine Schaltung zur Strommessung veran­ schaulicht. Mechanisch möglichst nahe an der Folien­ elektrode wird in einer ersten Stufe ein Stromverstär­ ker positioniert. Der verwendete Operationsverstär­ ker 32a hält über R1 und R2 das Potential am Eingang konstant auf den Wert, der durch die Spannung bei 29 und damit durch Ur_ef vorgegeben ist. Ein Strom Im, der in den Eingang der Schaltung fließt, wird durch die R1/R2-Kombination abgeleitet. Dazu muß die Spannung bei 30 so eingestellt werden, daß der Spannungsabfall über R1, dividiert durch R1, gerade den Meßstrom ergibt. Dann fließt aber bei Punkt 32 ein Strom, der Im _* R1/R3 beträgt, also bei geeigneter Widerstandskombination R1/R3 proportional zu Im, aber wesentlich größer als dieser ist. Eine echte Stromverstärkung wird so er­ reicht, an die sich eine konventionelle Strom-Span­ nungs-Wandlung, bestehend aus Verstärker 33a, an­ schließt, bei der ein Rückkopplungswiderstand 33 eine stromproportionale Spannung am Ausgang des Verstärkers 33a zur Weiterverarbeitung erzeugt.

Die erzielte stromproportionale Spannung am Ausgang be­ trägt

Ua = Im _* R₁/R_{3 *} R₄

kann also durch geeignete Wahl der Widerstandswerte für R₁, R₃, R₄ sehr große Werte bei kleinen Strömen annehmen. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß bei kleinem R₁ eine entsprechend kleine Zeitkonstante für R_{1 *} Cp vor­ liegt und damit eine, von der parasitären Kapazität Cp nicht mehr sehr stark beeinflußte, schnelle Meßwerter­ fassung. Der Widerstand R₂ sichert die gesamte Schal­ tung gegen ungewollte Übersteuerungseffekte, bei denen die Schaltung ohne diesen Widerstand durch die positive Rückkopplung über R₃ 31 in einen stabilen Übersteue­ rungszustand gehen kann; die Schaltung "hängt sich dann auf". R₂ verhindert, daß bei dem Kopplungspunkt 29 der beiden Stufen eine Spannung entstehen kann, die durch den Strom-Spannungswandler über den Rückkopplungswider­ stand R₄, 33 nicht mehr auf den Sollwert Ur_ef korrigiert werden kann. Dazu muß der Widerstandswert für R₂ so ausgelegt sein, daß R₂+R₃ zusammen größer sind als der Rückkopplungswiderstand R₄, 33.

C_f 34 sichert die Schaltung vor zu schnellen Reaktionen auf Störspitzen am Eingang der Schaltung.

R₅, R₆ und R₇ dienen zur thermischen Stabilisierung und sind nötig, wenn die zu messenden Ströme Im so klein sind, daß die Biasströme der Eingänge der verwendeten Operationsverstärker in der Größenordnung der zu mes­ senden Ströme liegen. Wird R₅ gerade so groß wie R₁ ge­ wählt, dann geht nur der Biasoffsetstrom in eine even­ tuell thermisch bedingte Drift der Biasströme ein.

Die so gewonnene stromproportionale Spannung wird über die RC-Kombination 19 zur Kompensation der parasitären Kapazität Cp 20 positiv auf den Eingang der Schaltung zurückgekoppelt. Um die Neigung dieser Schaltung zu un­ kontrollierten Schwingungen zu beeinflussen, wird der Frequenzgang der Rückkopplung durch ein entsprechendes Filter 21 festgelegt und die Kreisverstärkung auf <1 festgelegt. Die gewonnene Spannung wird dann zur Auswertung über den Verstärker 23 weiterverstärkt, digitalisiert und im Rechner weiterverarbeitet.

Fig. 7 beschreibt eine alternative Schaltung zur Strommessung. Mechanisch möglichst nahe an der Folien­ elektrode wird ein Operationsverstärker mit direkter negativer Rückkopplung über ein T-Glied mit einem nach­ folgenden Verstärker 23 positioniert.

Für die erzielbare Strom-Spannungs-Wandlung gilt

Ua = R₁ (1 + R₂/R₃).

Die so gewonnene Spannung wird über die RC-Kombina­ tion 19 zur Kompensation der parasitären Kapazität Cp 20 positiv auf den Eingang der Schaltung zurückge­ koppelt. Um die Neigung dieser Schaltung zu unkontrol­ lierten Schwingungen positiv zu beeinflussen, wird der Frequenzgang der Rückkopplung durch einen entsprechen­ den Filter 21 festgelegt und die Kreisverstärkung auf <1 festgelegt.

Die gewonnene Spannung wird dann zur Auswertung über den Verstärker 23 weiterverstärkt, im A/D-Glied 34 di­ gitalisiert und im Rechner 25 weiterverarbeitet.

Die Messung des Potentials unter der Folie wird, wie beschrieben, auf eine echte Strom- oder Spannungsmes­ sung abgegriffen und bei 7 von der metallisierten Seite zurückgeführt. Hierbei hat man das bereits beschriebene Problem der großen parasitären Kapazität, bestehend aus der metallisierten Seite, dem Folienmaterial als Di­ elektrikum und der Fläche, auf der das zu messende Po­ tential liegt. Diese parasitäre Kapazität kann aber durch eine sogenannte Kapazitätskompensation fast völ­ lig eliminiert werden. Diese Technik der Kapazitätskom­ pensation wird in der biomedizinischen Technik sehr oft durchgeführt.

Das Prinzip ist dabei rechnerisch die Nachbildung einer negativen Kapazität gleicher Größe. In der technischen Realisation erfolgt die Kompensation durch eine posi­ tive Rückkopplung über eine einstellbare Kapazität bzw. RC-Kombination 19 auf den Eingang des Verstärkers. Steigt die zu messende Spannung am Meßeingang, dann wird bekanntermaßen ein Teil des für die Messung benö­ tigten Stroms zur Umladung der zu kompensierenden Kapa­ zität gebraucht, die Spannung an diesem Kondensator nimmt erst sehr spät den eigentlichen Meßwert an. Zur Kompensation liefert man nun aus der Elektronik den größten Teil des für die Umladung benötigten Stroms und vermindert dadurch den parasitären Effekt wesentlich. In den Fällen, in denen diese Technik eingesetzt wird, z. B. bei Patch-Clamp-Techniken, bei normalen intrazel­ lulären Ableitungen usw., wird vor jeder Messung eine recht empfindliche Einstellung der Kreisverstärkung durchgeführt um zu verhindern, daß die gesamte Schal­ tung aufgrund der positiven Rückkopplung ins Schwingen gerät.

Fig. 5, 6 und 7 zeigt beispielhaft die Ausführung einer solchen Vorverstärkung mit einer positiven Rückkopplung zur Kapazitätskompensation. Die vorverstärkte Spannung wird dazu mit gleicher Polarität über die variable Wi­ derstands-Kapazitäts-Kombination 19 auf den Eingang 20 zurückgekoppelt.

Ist die Rückkopplung auf den Eingang 20 zu stark, dann gerät die Schaltung durch Selbstverstärkung ins Schwin­ gen. Eine Beeinflussung des Schwingungseinsatzes der Elektronik ist in Grenzen dadurch möglich, daß dieser Rückkopplungszweig einen bestimmten Frequenzgang er­ hält. Schwingungsbedingung einer derartigen Schaltung ist, daß die Kreisverstärkung für eine bestimmte Fre­ quenz, die um 180 Grad phasenverschoben auf den Eingang kommt, größer ist als 1. Deshalb wird der Rückkopp­ lungszweig noch mit einem von der jeweiligen Anwendung abhängigen Netzwerk zur Frequenzkorrektur 21 versehen.

Im Anschluß an die spezifische Vorverstärkung werden die Hauptverstärkung 23, die Digitalisierung der Si­ gnale 24 und die weitere Verarbeitung allgemein im Rechner 25 durchgeführt. Im Rahmen der Verarbeitung kann nachträglich auch auf einem Rechner die Korrektur evtl. noch bestehender Meßsignalverfälschungen vorge­ nommen werden.

Die Messung des Potentiales kann also, wie beschrieben, auf eine Strom- oder Spannungsmessung zurückgeführt werden. Bei der Strommessung besteht das allgemeine Problem darin, die sehr geringen Ströme in bekannter Weise durch eine Strom-Spannungswandlung bzw. einen Rückkopplungswiderstand 33 in eine stromproportionale Spannung umzuwandeln. Um kleine Ströme durch eine di­ rekte Strom-Spannungswandlung in gut zu verarbeitende Spannungen wandeln zu können, ist man gezwungen, den Rückkopplungswiderstand R₄ gemäß Fig. 6 in der Schal­ tung sehr groß auszulegen. Dadurch wird wiederum die schon beschriebene parasitäre Kapazität durch die sehr große Zeitkonstante τ=R₄·Cp sehr wirksam und muß kom­ pensiert werden. Die Technik dazu ist die gleiche, wie oben beschrieben.

Man hat allerdings bei der Strommessung zusätzlich die Möglichkeit, durch geeignete Stromverstärker den Rück­ kopplungswiderstand wesentlich zu verkleinern und damit die Zeitkonstante der RC-Kombination relativ klein zu halten.

In Fig. 6 ist eine solche Anordnung dargestellt. Die Spannung am Meßpunkt 27 wird durch die Schaltung kon­ stant gehalten. Fließt ein zu messender Strom Im in diese Schaltung, so wird er durch den Operationsver­ stärker über R₁, R₂ abgesaugt. Dazu stellt sich der Ausgang des Operationsverstärkers so ein, daß an der Stelle 30 die Spannung U=-i·R steht, wobei U am Meß­ punkt 27 mit 0 angenommen ist. Dann fließt durch den Widerstand R₃ 31, der sehr viel kleiner ist als R₁₁ ein Strom, der wesentlich größer ist. Am Punkt 32 fließt ein um R1/R3 größerer Strom, so daß also eine echte Stromverstärkung vorliegt. Erst danach wird die übliche Strom-Spannungswandlung durch den Verstärker 33a und den Rückkopplungwiderstand R₄ 33 durchgeführt.

Die Kapazität C_f 34 an diesem Punkt verhindert eine zu schnelle Reaktion des Verstärkers im Sinne eines Tief­ passes. Da der Widerstand R1 28 in dieser Schaltung nun viel kleiner ausgelegt werden kann, wird das Zeitver­ halten der Schaltung durch die viel kleinere Zeitkon­ stante τ=R·C wesentlich verbessert.

Fig. 7 zeigt eine mögliche alternative Schaltung mit kleinen Zeitkonstanten. Hier erfolgt die Rückkopplung im üblichen Sinne der Strom-Spannungswandlung, wird aber durch eine Widerstandskombination 35a, 35b, 35c mit einem T-Glied realisiert. Im Anschluß an die Vorver­ stärkung werden Hauptverstärkung, Digitalisierung und Verarbeitung allgemein durchgeführt.

Die allgemeine Konstruktion des weiteren Verstärkungs­ verlaufs zeigt das Blockschaltbild gemäß Fig. 8. Vom Ausgang des Vorverstärkers 23 wird die Spannung vor oder nach einer weiteren Verstärkung im Verstärker 37 durch Addieren oder Subtrahieren einer Korrekturspan­ nung 36 offsetfrei gemacht. Diese Spannung wird nun im Verstärker 38 so weit verstärkt, daß eine Ana­ log/Digitalwandlung im A/D-Glied 24 erfolgen kann. Hierfür wird ein vom Wandlertyp 24 bestimmter Signalpe­ gel verlangt. Hier werden, wenn nötig, auch die Fre­ quenzgänge durch entsprechend ausgelegte analoge Filter festgelegt.

Die Digitalisierung 24 und Auswertung auf dem Rechner 25 sowie die Visualisierung der Ergebnisse sind sehr spe­ zifische Teile einer solchen Meßanordnung und müssen von Fall zu Fall anders ausgelegt werden.

Für die Verstärkeranpassung bei einer Messung des Ober­ flächenpotentials auf einem menschlichen Körper 10 sind die allgemein beschriebenen Verstärkertechniken noch etwas zu spezifizieren. Zwar bleibt prinzipiell das be­ schriebene Verfahren erhalten, trotzdem sind bei einer solchen Messung noch andere Probleme zu berücksichti­ gen.

Die zu messende Potentialverteilung auf der Körperober­ fläche hat seine Ursache in einer im Körper liegenden Quelle, und für diagnostische Zwecke will man auf diese Quelle rückschließen. Das geht allerdings nicht so ohne weiteres, da bei einer solchen Messung am menschlichen Körper immer eine Überlagerung vieler Quellen vor­ liegt.

So überlagert sich bei einem EKG stets das aus der Mus­ kulatur kommende EMG; Nerven, die unter der Meßoberflä­ che laufen, tun ein übriges. Will man also Messungen zur kardiologischen Diagnostik durchführen, muß man zu­ sätzliche Anforderungen an die benötigte Technik stel­ len. So muß man Potentialanteile aus dem EMG oder ande­ ren Quellen von dem interessierenden Signal trennen. Auch macht sich die elektromagnetisch hoch aktive Um­ welt störend bemerkbar. Diese Störungen müssen irgend­ wie ausgeschlossen oder beseitigt werden. Da die wich­ tigsten Probleme aber die gleichen sind, die auch bei der normalen EKG-Aufnahme auftreten, sind die Lösungs­ wege ähnlich.

Die durch die allgegenwärtigen elektromagnetischen Fel­ der verursachten hohen Störspannungen, eingekoppelt über elektrische und/oder magnetische Felder, müssen bereits in der Eingangsstufe durch einen Differenzver­ stärker mit hoher Gleichtaktunterdrückung kompensiert werden.

Hohe Offsetspannungen anderer Herkunft, z. B. elektro­ statische Aufladungen, sind durch geeignete Bildung ei­ nes Bezugspotentials gleichfalls in Verbindung mit dem Differenzverstärker mit hoher Gleichtaktunterdrückung zu verhindern.

Dies ist aber mit den in den Fig. 5, 6 und 7 ge­ schilderten Schaltungen nur möglich, wenn jeweils zwei völlig gleichwertige Zweige aufgebaut werden, und zwar ein Meßzweig und ein gleicher Referenzzweig oder Ground, gegen den der Meßzweig das eigentliche Meßsi­ gnal erfaßt.

Zwei Anordnungen gemäß Fig. 9 und 10 sind besonders vorteilhaft.

Bei einer ersten Anordnung gemäß Fig. 9 werden wie bei einer normalen EKG-Ableitung die Potentiale von Elek­ troden an den Extremitäten, also an Armen und Beinen, gemäß Fig. 9 zu einem mittleren Bezugspotential 40 zu­ sammengeführt. Die eigentliche Meßspannung ist dann die Differenz der Spannungen zwischen der Folienelek­ trode 44 und dem so gebildeten Bezugspotential 40, ent­ nommen am Differenzeingangsverstärker 41.

Vorteilhaft ist eine relativ große Nutzspannung, nach­ teilig dagegen, daß sehr viel höhere Brumm- und Offset­ spannungen zu beobachten sind, da die einkoppelnden Felder einen wesentlich größeren Einkopplungsbereich finden.

Für magnetische Felder sind die Einkopplungsschleifen gebildet von dem Kreis Folienelektrode-Thorax-Leitungs­ zuführungen 43 sehr groß.

Für elektrische Felder bildet die gesamte Körperober­ fläche eine recht große Kapazität Ck 42 zum umgebenden Raum, wodurch eine Einkopplung von Störspannungen durch elektrische Felder erfolgt.

Bei einer anderen Anordnung gemäß Fig. 10 wird als Be­ zugsspannung eine mittlere Folienelektrodenspannung im tieferen Frequenzbereich angenommen. Das Meßpotential ist die gegen dieses Potential gemessene schnelle Span­ nungsänderung im hohen Frequenzbereich. Bei der hier dargestellten Methode wird also die Meßspannung durch die Differenz zweier Meßzweige mit unterschiedlichem Frequenzgang gebildet, wobei zusätzlich ein beliebiges Körperpotential, vorzugsweise das einer Rückenelek­ trode 43, aber auch das einer Bauch-, Arm- oder Bein- Elektrode, als Referenzsignal für die Elektronik ver­ wendet werden muß.

Es muß sehr deutlich zwischen diesem durch die Rücken­ elektrode 43 gebildeten Ground für die Elektronik, für die differentielle Zuführung der Signale, gebildet zwi­ schen Bezugselektrode und Meßelektrode, die für jeden der Differentialverstärker 41 und 41a genutzt wird, und dem genannten Referenzzweig für die Messung unterschie­ den werden.

Durch die Anordnung gemäß Fig. 10 werden also durch 41 und 41a zwei völlig gleichwertige Signale erzeugt. Erst die in Fig. 11 angedeuteten unterschiedlichen Fre­ quenzgänge durch Filterung in den Blöcken 48 und 48a ergibt in den Zweigen die Meßspannung 49 und die für diese Meßspannung gültige Referenzspannung 50.

Bezüglich dieser Referenzspannung wird die relevante Meßspannung, in Fig. 11 dargestellt durch 50b, aus den Spannungen 49 und 50 nun durch Differenzbildung in 50a gewonnen.

Diese Anordnung liefert wesentlich geringere Nutzspan­ nung als bei der Methode gemäß Fig. 9. Dabei ist aber vorteilhaft, daß eine wesentlich geringere Störempfind­ lichkeit gegen die Einkopplung von elektrischen und ma­ gnetischen Feldern erreicht wird. So kann konstruktiv durch Verlagern der ersten Vorverstärkungsstufen 47 und 47a möglichst nahe an die Position der Elektroden 43 und 44 und/oder das Verdrillen und Abschirmen der Zu­ leitungen 45 eine sehr kleine induktive Einkopplungs­ schleife erreicht werden. Hierdurch werden die Wirkun­ gen von Störeinkopplungen durch magnetische Felder weitgehend eliminiert, besonders wenn für die Vorver­ stärker Verstärker mit sehr hoher Gleichtaktunterdrüc­ kung eingesetzt werden.

Die technische Ausgestaltung zeigt Fig. 11b, hier eine Schnittdarstellung des Körpers mit der angebrachten Re­ ferenz 43 und Meßelektrode 44. Zwei abgeschirmte Lei­ tungen 50d verbinden die beiden Elektroden 44, 43 mit einem dicht am Körper anliegenden, ebenfalls abge­ schirmten Kasten 53, in dem die Vorverstärker 47, 47a sowie die Frequenzgangglieder 48/48a und der Differenz­ verstärker 50a untergebracht sind. Das ebenfalls abge­ schirmte, mindestens 3adrige Zuführungskabel 50b ver­ bindet diese Anordnung mit der in Fig. 8 dargestellten weiteren elektronischen Auswertung und führt die not­ wendige Stromversorgung für die Elektronik in 53 heran sowie das gewonnene Signal 50b zur Auswertungselektro­ nik.

Obwohl bei dieser Anordnung die Kapazität des Meßob­ jekts, z. B. der Mensch, gegen den umgebenden Raum genau so groß ist wie bei der Methode nach Fig. 9, kann hier die Störeinkopplung durch elektrische Felder wesentlich kleiner gehalten werden, weil sich die einkoppelnde ef­ fektive Fläche durch die Methode der zwei unterschied­ lichen Frequenzgänge letztendlich auf die Fläche der Folienelektrode 44 reduziert, verbleibende Reste wie­ derum durch die Verstärker 47/47a mit hoher Gleichtakt­ unterdrückung eliminiert werden und durch die wesent­ lich höherfrequente Signalführung die elektronischen Filter sehr einfach sein können.

Die Grenzfrequenz des Blocks 48a des Bezugszweigs ist mit 50 kHz nämlich relativ tief, die des Meßzweigs 48 sehr viel höher gewählt. Beide Grenzfrequenzen liegen damit aber noch weit über den Frequenzen, die normaler­ weise durch körpereigene Signale entstehen können. Diese liegen in Frequenzbereichen unterhalb von 20 kHz. Damit wird eine mögliche Störspannung durch diese Quel­ len durch Filter sehr einfach abtrennbar. In der Fig. 11 wird diese Quelle zwar als EMG 51 bezeichnet, die Herkunft einer solchen Störspannung ist aber sicher nicht auf diese Quelle beschränkt.

Tatsächlich werden alle Signale, die aus dem Körper an die Elektroden 44 und 43 gelangen, durch diese Fre­ quenzgangswahl erst gar nicht zur Verstärkung zugelas­ sen, sogar das eigentliche EKG kommt gar nicht erst zur Auswertung.

Die Auswertung ist hier tatsächlich auch ganz anders: Um ein EKG vollständig und ohne Fehler aufnehmen zu können, ist eine Abtastfrequenz nötig, die das Abtast­ theorem nicht verletzt. Die Abtastung eines EKGs ist deshalb mindestens 256 mal je Sekunde auszuführen.

Da eine Elektrodenanordnung über dem Herzen von mindestens 32 × 32 Elektroden, also 1024 Elektrodenäquivalenten, erreicht werden soll und somit jede dieser Elektroden­ punkte 256 mal je Sekunde abgetastet werden muß, ist die Abtastfrequenz für alle Elektrodenpunkte mindestens 32·32·256 = 262 144 Hz, also <250 kHz. Die Frequenzen der aufzunehmenden Spannungen, d. h. die Frequenzen ei­ nes Meßpulses, gewonnen durch die oben beschriebene Lichtstrahlabtastung nach Fig. 3, an einem solchen Elektrodenpunkt sind sicher noch höher.

Ein Hochpaß mit einer Grenzfrequenz von z. B. 50 kHz, läßt nun diese zur Auswertung benötigten Signale ober­ halb 250 kHz noch sehr gut passieren, trennt aber die körpereigenen Störspannungen mit Frequenzen unter 20 kHz sicher ab, auch das EMG und sogar das konventio­ nelle EKG.

Zu beachten ist hier, daß das eigentliche Ziel ja auch eine Potentialmessung ist. Der absolute Wert der vom Ort abhängenden Spannung unter der Folienelektrode ist dabei nicht von Interesse, sondern nur die relativen Spannungswerte zueinander, und diese relativen Span­ nungslagen aller örtlich verschieden Spannungen werden durch die beschriebene Methode erfaßt.

Die Bestimmung der absoluten Spannungen erfolgt durch Kenntnis eines einzigen absoluten Spannungswertes, zu dem die gemessene Potentialverteilung hinzuaddiert wird. Dazu kann ein beliebiges EKG verwendet werden.

Bezugszeichenliste

 1 Elektrode bzw. Elektrodenarray, Elektrodenmatrix
 2 Vorverstärker
 3 Elektrode, Multiplexerschalter
 4 Vorverstärker
 5 Multiplexer = Punkt
 6 Oberfläche-Metallschicht
 7 elektrische Leitung, Kontaktpunkt
 8 Lichtstrahl, Energiestrahl
 9 aktive Kunststoff-Folienbahn, Folienmaterial
10 Körper, Körperoberfläche
11 Metallfolie, Metallplatte, Elektroden-Gel
15 Stromquelle
19 Kapazität, RC-Kombination
20 Eingang, parasitäre Kapazität
21 Frequenzkorrektur, Filter
22 Rechner, Verstärkung
23 Digitalisierung-Verstärkereinheit, Verstärker
24 Hauptverstärkung, Signale
25 Digitalisierung-Auswerteeinheit, Rechner
27 Meßpunkt
28 Vorverstärkung
29 Verstärker
30 Spannungsstelle
31 Widerstand
32 Elektrodenpunkt, Punkt
32a Operationsverstärker
33 Strom-Spannungswandlung, Rückkopplungswiderstand
33a Verstärker
34 Kapazität C
35 Widerstandskombination
35a Widerstandskombination
35b Widerstandskombination
35c Widerstandskombination
36 Korrekturspannung
37 Verstärker
38 Netzwerk, Verstärker
39 Analog/Digitalwandlung, Filter
40 Auswerteeinheit, Bezugspotential
41 Bezugspotential, Differenzeingangsverstärker
43 Position = Referenzelektrode, Rückenelektrode
44 Folie = Folienelektrode
45 Zuleitung
47 Vorverstärkung, Vorverstärkungsstufe
47a Vorverstärkungsstufe
48 Grenzfrequenz
48a Meßzweig
49 Meßzweig
50 Bezugszweig = Meßzweig, Potentialfunktion
50a Differenzverstärker
50b Referenzspannung
51 EMG
53 Kasten
55 Referenzzweig
57 Meßzweig
58 Potentialverlauf x-Achse
59 Übertragung der Kurve
61 Bereich
62 Position, Zeitpunkt
65 Lineares System
66 Ausgang
67 Inverses lineares System
68 Ausgang

Claims (32)

1. Vorrichtung zur Erfassung einer flächenhaften Po­ tentialverteilung mittels einer Folienelektrode, die auf die zu messende Oberfläche elektrisch leitend aufgesetzt wird und die erfaßten Meßpara­ meter über eine elektrische Leitung an eine elek­ tronische Auswerteeinheit weitergibt, die minde­ stens einen Vorverstärker und einen Hauptverstär­ ker enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zur räumlich hochauflösenden Erfassung einer flächen­ haften Potentialverteilung sämtliche Elektroden­ äquivalente, die durch punktuell aufgebrachte En­ ergie aktiviert werden, in einer metallbeschich­ teten Folie (44) untergebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meritfigur der Folie und/oder der pyroelektrische Koeffizient des Folienmaterials durch den Energiestrahl (8) veränderbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die piezoelektrische Konstante des Foli­ enmaterials (9) durch den Energiestrahl (8) ver­ änderbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Folie (44) aus einem Kunststoffmate­ rial (9) gebildet und zumindest an einer Seite metallisch beschichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Folie (44) aus Kunststoff­ material besteht, insbesondere aus jeweils einer der folgenden Substanzen, und zwar aus PVC, Hard- PVC (Genotherm), Gießfolie auf Polyamidbasis (Supronyl), Acetatfolie (Cellulose-triacetat, Acetylcellulose), Polyethylenterephthalat (Hostaphan), Polypropylen (Trespaphan), oder aus Polymeren unter Einschluß von Rhodopsin, aus pie­ zoelektrisch aktiven Polymeren insbesondere aus polyvinylidene Fluoride bzw. Kf Piezo Film.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Folie (44) eine Kunststoff-Folien­ bahn (9) aufweist oder aus einer mehrschichtigen Kunststoff-Folienbahn besteht, die aus unter­ schiedlichen Eigenschaften bzw. Stoffzusammenset­ zungen besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Folie (44) aus Kunststoffmaterial besteht und insbesondere als Mehrschichtenfolie ausgebildet ist, wobei die mehrschichtige Folie mit einem zusätzlichen Material beschichtet wer­ den kann, das aus einem Halbleitermaterial be­ steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Folie (44) aus mindestens zwei Schichten besteht, wobei die erste, auf der Kör­ peroberfläche liegende eine Kunststoffschicht und die oberste eine Metallschicht ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff-Folie (9) aus einem organischen oder anorganischen Halbleitermaterial besteht, an deren Grenzschichten p-n- oder n-p-Übergänge auf­ treten.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht zwischen den einzelnen Schichten der Folie einen p-n- oder n-p-Übergang aufweist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung einer Potentialfunktion selbst oder insbesondere durch eine Strom- oder durch eine Spannungsmessung erfolgt.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante des Folienmaterials durch den Energiestrahl veränderbar ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des Folienmaterials durch den Energiestrahl veränderbar ist.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meritfigur der Folie durch den Energiestrahl veränderbar ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der pyroelektrische Koeffizient des Folienmateri­ als durch den Energiestrahl veränderbar ist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Konstante des Folienmateri­ als durch den Energiestrahl veränderbar ist.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Energiestrahl die effektive Dicke der Folie erzeugt wird.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungskoeffizient des Folienmaterials durch den Energiestrahl veränderbar ist.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Folienmaterials durch den Energiestrahl veränderbar ist.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Folienmaterials durch ein elektri­ sches Feld verändert und dieses durch Messung der entstehenden Doppelbrechung erfaßt wird.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche der Folie (44) der punktuelle Energiestrahl aufgegeben wird, der in der Folie die elektrischen Eigenschaften verändert und da­ durch als punktueller Schalter wirkt.

22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiestrahl ein Licht-, Wärme- und/oder Schalldruckstrahl ist.

23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die punktuelle Energiezufuhr auf die Ober­ fläche der Folie (44) die elektrische Leitfähig­ keit der Folie (9) verändert wird und eine Span­ nungs- oder Strommessung durchgeführt wird, deren Ergebnis der Auswerteeinheit zur Verfügung ge­ stellt wird.

24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante der Fo­ lie (9) veränderbar ist.

25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnene Meßfunktion durch ein lineares, elektrisches Netzwerk geschickt wird, das die Ei­ genschaften der Folie (44) korrigiert und die ge­ wonnene reale Meßgröße in die Potentialfunktion transformiert und zur Darstellung und Auswertung geeignet macht.

26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (4) als Impedanzwandler zur Spannungsmessung eingesetzt wird und ein Kapazi­ täts-Kompensationszweig positiv auf den Eingang rückgekoppelt wird.

27. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker zur Strommessung aus einem Stromverstärker (20, 31, 28 . . . .plus), einem Strom­ spannungswandler (33a, 33) und einem Rückkopp­ lungszweig zur Kapazitätskompensation besteht.

28. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zumindest eine Schicht mittels der Ener­ giequelle derart aktiviert wird, daß eine lei­ tende Verbindung oder Änderungen der Übertra­ gungseigenschaft zwischen Hautoberfläche und Me­ tallschicht hergestellt werden.

29. Verfahren zur Messung einer Potentialverteilung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte,

• a) die Folienelektrode (44) wird auf der Hautoberfläche aufgebracht,
• b) die Folienelektrode (44) wird mittels des En­ ergiestrahles (8) gescannt und dabei die Folien­ eigenschaften temporär verändert,
• c) die Oberflächenspannung der Folienelek­ trode (44) wird bei der elektrischen Leitung (7) abgegriffen und über eine Verstärkereinheit (23) mit einem Analog-Digitalwandler (24) einem Rech­ ner zugeführt und über diesen ausgewertet.

30. Verfahren zur Messung einer Potentialverteilung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folienelektrode (44) zur Erfassung des EKG′s, EMG′s und EEG′s eingesetzt wird.

31. Verfahren nach Anspruch 28 und 29, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit einem Meßzweig (57, 47, 48, 49) und einem Referenz­ zweig (55, 47, 48a, 50) mit unterschiedlichen Fre­ quenzgängen gearbeitet wird, wobei beide Zweige einen Frequenzbereich oberhalb des für biologi­ sche Signale geltenden Frequenzbereichs durchlas­ sen.

32. Verfahren nach Anspruch 28 und 29, dadurch ge­ kennzeichnet, daß neben der ersten Folienelek­ trode (44) eine Referenzelektrode (43) verwendet und auf dem Rücken angebracht wird.