HU216496B

HU216496B - Berendezés és mérőfej szerves és biológiai anyagok villamos impedanciájának mélységszelektív mérésére

Info

Publication number: HU216496B
Application number: HU9301109A
Authority: HU
Inventors: Stig Ollmar
Original assignee: Centrum för Dentalteknik och Biomaterial
Priority date: 1990-10-18
Filing date: 1991-10-18
Publication date: 1999-07-28
Also published as: HU9301109D0; ATE167794T1; FI931730A0; NO307863B1; JP3320413B2; JPH06502323A; CA2093922C; CA2093922A1; DE69129698T2; SE9003336D0; AU659111B2; DE69129698D1; WO1992006634A1; KR100201178B1; EP0553187A1; US5353802A; EP0553187B1; HUT66173A; ES2120419T3; FI110304B

Abstract

A találmány tárgya berendezés szerves és biőlógiai anyagők villamősimpedanciájának mélységszelektív mérésére, amely mérésre szőlgálóelektródőkkal és legalább két mérésre szőlgáló elektród özöttelhelyezett virtűális vezérlőelektróddal (B) ellátőtt mérőfejet, amérésre szőlgáló elektródőkra (A, C) feszültséget bőcsátó és a szervesvagy biőlógiai anyag mérésére szőlgáló elektródők (A, C közöttivillamős impedanciát mérő készüléket (IM) tartalmaz. Az egyik mérésreszőlgáló elektród (A, C) és a virtűális vezérlőelektród (B) közé aztaktívan meghajtó, nagy bemenőimpedanciájú és kis ki enőimpedanciájúerősítő (F) kapcsőlódik. A találmány tárgya tővábbá ilyenelektródőkkal (A, B, C) kialakítőtt mérőfej. ŕ

Description

A találmány tárgya egyrészt berendezés, másrészt mérőfej szerves és biológiai anyagok villamos impedanciájának mérésére, amelynek segítségével non-invazív módon és mélység szerint szelektíven megmérhetek a szerves és biológiai rendszerekben, például szöveteken fellépő felületi jelenségeket kísérő impedanciaváltozások.

A szerves és biológiai anyagokban fellépő kismértékű változásokat a villamos impedancia igen érzékenyen jelzi, és különösen a szövetek, például nyálkahártyák, a bőr és szervek burka mutat impedanciaváltozást különböző reakciók által okozott irritációk hatására. Ezt a jelenséget a világ tudósai széleskörű és kitartó munkával igyekeznek kényelmes módon megmérni, és arra törekednek, hogy ki tudják mutatni a különböző szerves és biológiai anyagok különböző változásait, és meg tudják azt mérni, valamint összefüggésbe tudják hozni az ilyen változások fellépését a különböző állapotokkal, amelyek jellemzőek a különböző és például betegségekre visszavezethető irritációkra.

A vonatkozó szakterület alapvető ismereteinek túlnyomó része az elektrokémia szakterületéről származtatható. Különböző jelenségek, például korrózió tanulmányozásához régóta használnak potenciosztátokat és a váltakozó áramú módszerek is fokozatosan fejlődtek, és az irodalom ezeket részletesen ismerteti. [Claude Gabrielli: Identification of electrochemical processes by frequency response analysis (Elektrokémiai folyamatok azonosítása a frekvenciafüggés elemzése alapján). Solartron Instruments technical report number 004/83, 1984 és F. B. Growcock: What’s impedance spectroscopy (Mi az impedanciaspektroszkópia?). Chemtech, 1988. szeptember 564-572.]

A szakterületen kitűnően alkalmazható berendezések vannak kereskedelmi forgalomban. Ilyen például a 1286 Electrochemical Interface készülék, amelynek gyártója Solartron Instruments, GB és a Model 378 Electrochemical Impedance Systems készülék, amelynek gyártója EG&G Princeton Applied Research, NJ, USA.

Ezen berendezésekre jellemző, hogy megfelelő elektrokémiai cellába előkészített mintákkal használhatók.

Jól ismert dolog, hogy az élő szövetek bizonyos paramétereit jól jellemzi a szövetek elektromos impedanciája. Erre vonatkozó ismereteket tartalmaz az US 4,038,975 jelű szabadalmi leírás, amely elektromos készülék felhasználásán alapuló módszert ismertet neoplaszt jelenlétének kimutatásához nyálkahártyamintákban, amelynek során a minta impedanciájának ohmos és kapacitív összetevői vannak, és ezen összetevők viszonylagos értéke jelzi a neoplaszt jelenlétének hiányát azáltal, hogy a mintát kapcsolatba hozzák egy soros áramkör kapcsaival, amely áramkör földelt amplitúdómodulált nagyfrekvenciás generátort, valamint azonos értékű első és második ellenállást tartalmaz. A generátor és a két ellenállás impedanciája a minta impedanciájához képest kis értékű. A csatlakoztatást úgy hozzák létre, hogy a mintának egy vizsgált pontját hozzákapcsolják a második ellenállásnak az első és második ellenállás csatlakozópontjához képest ellentétes végéhez és a minta testét a generátor földelt kapcsához csatlakoztatják. Ezzel egyidejűleg mérik a vizsgálati pont feszültségének az amplitúdóját, valamint az első és második ellenállás kapcsolódási pontján levő feszültség amplitúdóját egy olyan referenciaértékhez képest, amelyet a generátor és az első ellenállás csatlakozópontja szolgáltat. A mért értékekből és a referenciaértékből kiszámítják a vizsgált pont impedanciájának ohmos és kapacitív összetevőit.

Az EP 0315854 számú szabadalmi leírás eljárást és elrendezést ismertet bőr nedvességtartalmának méréséhez, amelynek segítségével „gyenge” alacsonyfrekvenciás áramot bocsátanak át a bőrre támasztott két elektróda közötti szarus rétegen. A rétegen megjelenő elektromos feszültséget felerősítik, egyenirányítják, és az erősített kimenőjelet elvezetik, és megmérik a jel nagyságát. A megoldás jellemzője, hogy a szarus rétegen megjelenő feszültség tulajdonképpen az a feszültség, amely a két elektróda bármelyike között megjelenik, amelyik közelebb van a másik elektródhoz és amely a két elektródon kívüli helyen támaszkodik a bőrre.

Az elrendezés központi elektródot, közbülső elektródot és külső elektródot tartalmazó és koncentrikus köröket képező hármas elektródszerkezet által képzett mérőelektródot tartalmaz. Az elektródok mindegyike hozzáérinthető a bőrhöz. Az elektródok egyike közös elektródként generátorhoz csatlakozik, amely alacsony frekvenciás jelet ad erre a közös elektródra, és a három elektróda közül még egy továbbira. A kialakuló áramot egy erősítő a közös elektród és a három elektród közül a még további elektród között megjelenő feszültséggé alakítja át. Az erősítőhöz annak kimenőfeszültségét jelző kijelző kapcsolódik. A megoldásra jellemző, hogy egy olyan kapcsolóáramkörrel van ellátva, amelyik átkapcsolást valósít meg a közbülső, mint közös elektródot használó első áramkör, valamint a külső elektródot közös elektródként használó második áramkör között.

A technika állását a következő publikációk ismertetik: Yamamoto, T. & Yamamoto, Y.: Analysis fór the change of skin impedance. Med. & Bioi. Eng. & Comp., 1977, 15, 219-227; Salter, D. C.: Quantifying skin disease and healing in vivő using electrical impedance measurements. Non-invasive physiological measurements, 1. kötet, 1979, Peter Rolfe ed., 21-64. old.; Leveque, J. L. & De Rigai, J.: Impedance methods fór studying skin moisturization. J. Soc. Cosmet. Chem., 1983, 34, 419-428; és Morkrdid L. & Qiao Z.-G.: Continuous estimation of parameters in skin electrical admittance from simultaneous measurements at two different frequencies. Med. & Bioi. Eng. & Comp., 1988,26,633-640.

Az ismeretes módszerek ezen a szakterületen a következő két kategóriába sorolhatók:

a) biopsziát kell végrehajtani annak érdekében, hogy a vizsgált szövet valóban a meghatározott szövetminta legyen, vagyis ez a megoldás nem alkalmas; vagy

b) elektródokat helyeznek különböző helyeken a bőrre, elektromos mérőáramot bocsátanak át a bőrön és a bőr belső részei tekintetében, valamint mélyebben fekvő szövetek majdnem ideális rövidzárat

HU 216 496 Β képeznek az érintkezési helyek között, vagyis megkülönböztetés nélkül maradnak az anatómiailag meglehetősen bonyolult felépítésű bőr különböző rétegei.

Ismeretesek készülékek a bőr legkülső rétegeiben levő víztartalom mérésére (például Comeometer CM820PC, Courage A Khazaka Electronic GmbH, NSZK) egymásba kapcsolódó elektródelrendezés felhasználásával. A DPM 9003 jelű készülék (gyártó: Nova Technology Corporation, Mass., USA) egyszerű koaxiális elektróddal van ellátva. Ezek a készülékek nem alkalmasak a mérési mélység szabályozására, eltekintve a fizikai méretek által állított korlátoktól. A valóságban ezek a készülékek a nedvességmérés jól ismert elvét használják fel, és a határoló mezőkön alapulnak (Giles: Electronic sensing devices, Newness, London, 1966/68, 80-81. old.)

A légutak nyálkahártyáiban levő folyadékok vezetőképességének mérésére alkalmas készülék is ismert (Fouke J. M. és társai: Sensor fór measuring surface fluid conductivity in vivő. IEEE Trans. Biomed. Eng., 1988, 35. kötet, 10. sz., 877-881. old.). Ez a cikk megvilágítja a hátterét annak a problémának, mikor nedves felületen kell mérni a mélységi behatolást elősegítő vezérlőelektróda nélkül.

Tomográfíás képek képzéséhez használható a rákapcsolt feszültség tomográfía/villamos impedancia tomográfia, amelynek során a test köré helyezett nagyszámú elektróddal vizsgálható például a mellkas vagy a gyomor környezete, és rekonstrukciós algoritmusok alapján végzett számításokkal kép hozható létre, amely megmutatja a vezetőképesség változásait a testben (Seagar A. D. & Brown Β. H.: Limitations in hardware design in impedance imaging. Clin. Phys. Physiol. Meas., 1987, 8. kötet, A. melléklet, 85-90).

A találmány értelmében mélységi szelektivitás érhető el a mérőelektródok közelében levő villamos mező kiterjedésének a mérőelektródok közötti vezérlőelektróda vezérlése útján, amely vezérlőelektródot aktívan ugyanazon frekvenciájú jellel tápláljuk, mint a mérésre szolgáló elektródok és akkora szinttel, amely az egyik mérésre szolgáló elektródról vehető le, de egyúttal egy komplex számmal megszorozva. A komplex számban a valós és a képzetes összetevők az egyes alkalmazásoknak megfelelően a kívánt mélységű behatolás szerint optimalizálhatok. A vezérlőmező szerepe hasonló egy térvezérlésű tranzisztor esetében betöltött szerephez, ami jól ismert a félvezetők fizikájából. Biológiai szövetben, vagy „nedves állapotban” a vezetés jelensége összetett, és számos ion vesz benne részt, valamint polarizációs hatások töltött vagy polarizálható szervecskék stb. játszanak szerepet. Nincs azonban szükség rekonstrukciós algoritmusokra a mélységi érzékenység eléréséhez, de a különböző mélységeken végrehajtott egymás utáni méréseket rögzíteni kell a mért profil jellemzéséhez.

A mérési elv alapvetően független a frekvenciától és egyenáramtól néhány MHz tartományig működik. Egy vagy több frekvencián egyszerű impedanciamérés, valamint impedanciaspektroszkópia hajtható végre mélységszelektíven, például bőrön ebben a tartományban.

A nyálkahártyák felületén levő folyadék általában véve a felületbe helyezett mérésre szolgáló elektródokat rövidre zárja, azonban a vezérlőelektróda használatával a mérőáram befelé kényszeríthető a nyálkahártyába, ahelyett, hogy a legrövidebb úton haladjon, és ezáltal elérhető a vizsgált szövet helyileg meghatározott részének vizsgálata. Ezek az előnyök közvetlenül jelentkeznek impedanciamérés esetén, amely bőrre és orális nyálkahártyákra helyezett irritánsok vizsgálatakor jelzi az irritációt. Lehetségessé vált vesék impedanciájának mérése is, amivel egyidejűleg mérhető a vérnyomás a vesében a fő artérián, és úgy találtuk, hogy az impedanciát jellemző paraméterek jól korreláltak a vérnyomásra. Ez lehetőséget ad a nyomás, valamint a mikrokeringés non-invazív mérésére sebészeti beavatkozások közben számos szerv vonatkozásában olymódon, hogy mérőfejet helyezünk a szerv felületére. Egy másik felhasználás a szemben uralkodó nyomás mérése (glaukóma diagnózisa).

A fenti felismerés és gondolatmenet gyakorlatban alkalmazható megvalósítására berendezést dolgoztunk ki szerves és biológiai anyagok villamos impedanciájának mélységszelektív mérésére, amely mérésre szolgáló elektródokkal és legalább két mérésre szolgáló elektród között elhelyezett virtuális vezérlőelektróddal ellátott mérőfejet, a mérésre szolgáló elektródokra feszültséget bocsátó, és a szerves vagy biológiai anyag mérésére szolgáló elektródok közötti villamos impedanciát mérő készüléket tartalmaz. Az egyik mérésre szolgáló elektród és a virtuális vezérlőelektród közé azt aktívan meghajtó, nagy bemenőimpedanciájú, és kis kimenőimpedanciájú erősítő kapcsolódik.

Előnyösen az erősítőfrekvencia átvitele elég széles sávú, hogy ne okozzon számottevő fázis-, vagy amplitúdóhibát a kimenetijeiben. A mérésre szolgáló elektródokra kapcsolt feszültség nagysága előnyösen néhányszor 10 mV, előnyösebben kisebb, mint 50 mV, célszerűen 25 mV. Az erősítő átviteli függvénye előnyösen kívülről állítható, és ez a kívülről állítható átviteli függvény kézi úton választható vagy folyamatosan szabályozható.

Előnyösen az erősítő a mérőrendszerrel lépcsős vagy folyamatos szabályozókapcsolatban van. Az erősítő kimenete előnyösen a virtuális vezérlőelektródra, bemenete az egyik mérésre szolgáló elektródra kapcsolódik, és átviteli függvénye komplex szám, amely komplex szám valós és képzetes része az egyes felhasználásokhoz optimalizálhatóan van kiképezve.

A mérő- és a virtuális vezérlőelektródok, valamint az elektródokat egymástól elválasztó szigetelőanyag előnyösen a mérőfej végén egy szintben helyezkedik el.

A villamos impedanciát mérő készüléknek az irritációsimpedancia-méréshez előnyösen két mérési frekvenciája van. Ezek közül előnyösen az irritációsimpedancia-méréshez használatos első mérési frekvencia néhány száz kHz és néhány MHz tartományban, a vizsgált szövet geometriai tulajdonságainak normalizálására használt második mérési frekvencia 1 és 100 kHz közötti tartományban van.

Az irritációs méréshez az erősítő átviteli függvényének valós része előnyösen a választott behatolási mély3

HU 216 496 Β ségtől függően 0,01-10 határok között állítható értékre, képzetes része az alkalmazott frekvenciatartományban a nulla értéket a lehető legjobban megközelítő értékre van kialakítva.

Az impedanciát mérő készülék nemcsak kettő, hanem más korlátozott számú, és előzetes mérések során meghatározott mérési frekvenciával is kialakítható.

A virtuális vezérlőelektród a mérésre szolgáló elektródok között elhelyezett több elektródot tartalmazhat, amelyek egymással össze vannak kapcsolva.

A találmány értelmében továbbá mérőfejet is kidolgoztunk szerves és biológiai anyagok villamos impedanciájának méréséhez, amelynek érintkező felülete és érintkező felületen elhelyezett mérésre szolgáló elektródjai, és azok között elhelyezett virtuális vezérlőelektródja van, aholis az egyik mérésre szolgáló elektród központi helyzetben van, és ezt a vezérlőelektród körülfogja. A vezérlőelektródot második mérésre szolgáló elektród fogja körül, és az érintkező felülettől eltekintve a mérőfej túlnyomó részét vezetőképes anyag borítja, amely jelszempontból földre, vagy a középponti elektród feszültségét egyértékű tényezővel követő pontra kapcsolódik. A mérőfej érintkezőfelületén levő valamennyi elektromosan vezető alkatrészt szilárd szigetelő választ el egymástól, és valamennyi elektród és szigetelőanyag az érintkezőfelületen sík, konkáv vagy konvex felület mentén van elrendezve. A találmány értelmében a vezérlőelektródot több, a mérést végző elektródok közötti távolság beállításához kiválasztható mérésre szolgáló elektród fogja körül, amelyek száma és egymástól való távolsága a behatolási mélység kívánt legnagyobb tartományától függően van kialakítva. Az elektródokhoz előnyösen azokat különböző mérési és vezérlési üzemmódba átkapcsoló kapcsolóegység csatlakozik.

A találmányt a továbbiakban a mellékelt rajz alapján ismertetjük részletesebben. A rajzon:

Az 1. ábra a találmány szerinti megoldás kiviteli alakjánál alkalmazott mérési elvet szemléltető tömbvázlat

A 2a ábra vezérlőelektród által elválasztott két mérésre szolgáló elektródot tartalmazó mérőfej csúcsának felülnézete

A 2b ábra a 2a ábra S-S vonala mentén vett metszet A 3a ábra ismétlődő vonalas elrendezésű mérőfej keresztmetszete

A 3b ábra a 3a ábrának elektromosan megfelelő ismétlődő vonalas szerkezetű mérőfej csúcsának nézeti képe

A 3c ábra egyszerűsített, de hasonló szerkezetű és egyes esetekben megfelelő elektród csúcsának nézeti képe

A 4a ábra normális szövet szorosan illeszkedő sejtekkel

A 4b ábra irritált szövet képe megnövekedett sejtközi térrel

Az 5. ábra NHCL, H₃PO₄, SLS által irritált száji nyálkahártya ismert módszerrel való mérési eredményét szemléltető diagram százalékértékben

A 6. ábra a találmány szerinti módszerrel nyert mérési eredmény diagramja száji nyálkahártya irritációjának mérésekor százalékban megadva

A 7. ábra a bőr irritációját jelző irritációs indexet bemutató diagram a találmány szerinti módszerrel mérve az anyaggal való 20 órás, majd járulékos 24 órás behatás után

A 8. ábra elektromos impedancia abszolút értékét szemléltető diagram 20 kHz frekvencián mérve patkány veséjének sértetlen felületén különböző vérnyomásértékeknél az artéria fokozatos in vivő lefojtása és elengedése közben

A 9a ábra különböző elrendezésekbe átkapcsolható mérőfej csúcsának felülnézete

A 9b ábra a 9a ábra S-S vonala mentén vett metszet kiegészítve a különböző elektromos kapcsolási utakkal.

A találmány lényeges jellemzője egy olyan mérőfej, amelynek vezérlőelektród által elválasztott két elektródja van, amelyhez villamos impedanciát kívánt frekvenciatartományban mérő készülék és állítható erősítésű erősítő csatlakozik, amely alkalmas megválasztott vezérlőjel fenntartására, amely vezérlőjel a vezérlőelektródnál levő valamelyik mérésre szolgáló elektród feszültségéből nyerhető a mérésre szolgáló elektród terhelése nélkül, vagyis az erősítőnek nagy bemeneti impedanciájának, és kis kimeneti impedanciájának kell lennie az alkalmazott frekvenciatartományban. A vezérlőelektród követi az egyik mérésre szolgáló elektród feszültségét azáltal, hogy az erősítő egy komplex számmal megszorozza a jelet, és ebben a komplex számban valós és képzetes összetevők az egyes alkalmazásokhoz optimalizálva vannak. 0 erősítési tényező beállításakor az elrendezés egy különleges esetet jelent, mivel a vezérlőelektród földeli a jelet. Ebben a különleges esetben az elrendezés viselkedése hasonló ahhoz az elrendezéshez, amelyet az 1. ábra szemléltet, és amelyet az EP 0315 854 számú szabadalmi leírás ismertet, aholis a jel szempontjából az egyik elektród állandóan földre csatlakozik. Ebben a rendszerben azonban a közbülső elektródot nem hajtja meg aktív módon egy erősítő, mint a találmány esetében, hanem galvanikusan, jelszempontból földbe csatlakozik. A találmány értelmében bármilyen O-tól eltérő vezérlőjel (amplitúdója a mérésre szolgáló elektródokra bocsátott jelnél kisebb, nagyobb vagy azzal egyenlő lehet) módosítja a mélységbe való behatolást egy olyan tartományon belül, amelyet az elektródok alakja, mérete és a közöttük levő távköz, valamint a vizsgált szövet tulajdonságai határoznak meg. Az alkalmazott erősítő természetesen ugyancsak rákapcsolható jel szempontjából a földre, ami által működése jelszempontból megegyezik az ismert berendezéssel. Ez a jellegzetesség azonban nem képezi a találmány tárgyát.

Az elektródok kialakíthatók koncentrikusan, vonalasán, váltakozva vonalasán vagy bármilyen olyan elrendezésben, amely összeegyeztethető a lényeges jellemzőkkel. A felhasználástól függően járulékos elektródok is használhatók, amelyek például védelmet, jel4

HU 216 496 Β földelést, hajtott védelmet stb. szolgáltatnak. A kábelezés és árnyékolás a szokásos tervezési megoldásoknak megfelelően alakítandó ki annak érdekében, hogy csökkenthető legyen az elektromágneses zavar. Emberi alkalmazás esetében a kialakításnak ki kell elégítenie a helyi biztonságtechnikai előírásokat is.

Az élő szövetekre jellemző nemlinearitás csökkentése érdekében igen fontos a gerjesztési amplitúdó korlátozása. Az elektródokra bocsátott feszültség amplitúdója nem lehet nagyobb, mint néhányszor 10 mV, előnyösen kisebb mint 50 mV, célszerűen mintegy 25 mV. A nagyobb amplitúdók megbízhatatlan eredményeket adnak. Nedves nyálkahártyákkal való vizsgálathoz nem szükséges semmilyen különleges előkészület. Ha a bőr mélyebb rétegeit (stratum comeum és ennél mélyebb) kell vizsgálni, akkor a bőr száraz felszínét előnyösen fiziológiai koncentrációban sóoldat alá kell helyezni.

A vezérlőelektródnak a mélységi behatolás változtatására való alkalmasságát a fentiekkel összhangban az elektródok alakja, mérete, és a köztük levő távközök, valamint a vizsgált szövet tulajdonságai korlátozzák. Nagy mélységi tartomány átfogásához ezért szükségessé válhat egy különböző méretű mérőfejeket tartalmazó készlet alkalmazása. Általánosan használható mérőfej is kialakítható a 9a ábra szerint, amely több elektródot tartalmaz, és ezek a 9b ábrának megfelelően különböző módon kapcsolhatók. A mélységi behatolást meghatározó elsődleges tényező az elektródok közötti távolság. Az alapvető elméletet Roy és társai számos elektródelrendezésre kiegészítették (Roy A. & Apparao A.: Depth of investigation in direct current methods. Geophysics, 36. kötet, 5. sz., 1971, 943-959. old.; Roy K. K. & Rao K. P.: Limiting depth of detection in line electrode systems. Geophysical Prospecting, 25, 1977, 758-767. old.).

Természetesen ekkor is lényeges azonban, hogy a mért mérőáram útvonalát távol tartsuk a mérőfej közvetlen felszínétől azáltal, hogy a virtuális vezérlőelektródot a találmánynak megfelelően tápláljuk. Egy meghatározott mérésre szolgáló elektródpár kiválasztásakor, vagyis a középső elektród és az aktivált gyűrűk közül a legtávolabbi kiválasztásakor mindegyik (de legalább egy) elektród közülük össze van kapcsolva virtuális elektróda képzéséhez. Az elektródok közötti távközök lehetnek egyformák, vagy nemlineáris módon változhatnak, például a behatolási mélység állandó tényezővel való lépcsős növelésének eléréséhez. Az általános mérőfejjel tehát a mérési mélység, illetve behatolási mélység durván beállítható a mérőfej elektródjainak megfelelő kapcsolásával, majd a behatolás finom beállítása, valamint a nedves felületeken való mérés elősegítése elérhető a virtuális vezérlőelektród megfelelő feszültséggel való meghajtása útján. A kapcsolók lehetnek mind elektronikusak, mind mechanikusak, és működtethetők mind kézzel, mind számítógéppel vezérelten.

Maximális behatolási mélység eléréséhez tehát a legjobb módszer a középső és a legszélső elektród mérésre szolgáló elektródként, és a közöttük levő gyűrűk egymással összekapcsolva vezérlőelektródként való alkalmazása, mikoris ezt a virtuális vezérlőelektródot a fent ismertetett móddal azonosan az egyik mérésre szolgáló elektródról levett feszültségből nyert feszültséggel hajtjuk meg.

Ha azonban az adott felhasználás esetében a legjobb eredményt kisebb behatolási mélységgel lehet elérni, akkor az a legjobb, ha egy másik gyűrűt használunk az egyik mérésre szolgáló elektród megvalósítására, és a legkülső gyűrűt nem kapcsoljuk be, és a külső elektród, valamint a kiválasztott második elektród közötti gyűrűt vagy gyűrűket egymással összekapcsolva vezérlőelektródként használjuk.

Az 1. ábra a találmány szerinti berendezés előnyös kiviteli alakját mutatja tömbvázlatban, amely szemlélteti az alkalmazott mérési elvet. Az elrendezés két mérésre szolgáló A és C elektródot tartalmaz, amelyeket egy harmadik, vagyis vezérlő B elektród választ el egymástól. A vezérlő ΰ elektródot szabályozható F erősítő aktívan előírt feszültségen tartja. Az F erősítő bemeneti viszonyítási jelet az A elektródról kap. Bemeneti kapcsai nagy impedanciájúak, és a vezérlő B elektródot kis impedanciás kimeneten át hajtja meg, és így a vezérlő B elektród követi az A elektród potenciálját, de olyan szinten, amely az F erősítő átviteli függvényétől függ. Az F erősítő a mérőrendszerrel fokozatokban vagy folyamatosan szabályozható. A mérésre szolgáló A és C elektródok impedancia mérésére szolgáló hagyományos IM mérőkészülékre csatlakoznak. A kapcsolás a 9a ábra szerinti elektródok közül a 9b ábrán feltüntetett D kapcsolóegység segítségéve! történő kiválasztással valósítható meg, vagyis az elektródok mérésre szolgáló A vagy C elektródként, vagy virtuális vezérlő B elektródként kapcsolhatók az IM mérőkészülékre.

A 2a és 2b ábrák előnyösen például száj nyálkahártya és bőr irritációjának vizsgálatára alkalmas mérőfej csúcsának végét szemléltetik. Ez a mérőfej A, B, és C elektródokat tartalmaz, amelyek villamos szempontból el vannak szigetelve egymástól, és egymáshoz képest a 2a ábrának megfelelően koaxiálisán vannak elrendezve egy sík felület mentén. Ez a sík felület tartalmazza az A, BésC elektródokat, továbbá 1 szigetelőanyagot.

A 3a ábra fésűsen egymásba fűzött vonalas elektródjelrendezést mutat be, amely a találmányhoz felhasználható. Az itt feltüntetett A, B és C elektródok egymástól el vannak szigetelve, és szerepük ugyanaz, mint az 1. és 2. ábra esetében. A 3b és 3c ábra nyitott vonalas váltakozó elrendezést mutat, amely ugyancsak felhasználható a találmányhoz. A 3b ábra mérőfej hegyének vagy érintkezőfelületének részmetszetét mutatja látszati képen. Ez a vonalas, egymásba fűzött elrendezés elektromosan egyenértékű a 3a ábra szerinti elrendezéssel. A 3c ábra a 3b ábrához hasonló látszati képet mutat, amely kialakítását tekintve egyszerűbb, azonban egyes alkalmazásokhoz egy ilyen egyszerűsített elrendezés is megfelel.

A találmány szerinti berendezés alkalmas szövetek, például előnyösen bőrön, nyálkahártyán és szervek burkán az elektromos impedancia non-invazív helyi mérésére, mind embereken, mind állatokon, akár in vivő, akár in vitro eljárással, és amely koncentrikus elektró5

HU 216 496 Β dókat tartalmazó mérőfejjel van ellátva. Az elektródok mérete a megkívánt behatolási mélységtől függ. Az elektródok egyike központi elhelyezkedésű, és két mérésre szolgáló elektród egyikét képezi. A központi elektródot vezérlőelektród veszi körül, amely követi a középponti elektród feszültségét az egyik mérésre szolgáló elektród jelének többszörözött feszültségével, amely többszörözés egy komplex számmal való szorzást jelent. A komplex számban a valós és a képzetes összetevők az egyes felhasználásokhoz optimalizálva vannak. A vezérlőelektródot második mérésre szolgáló elektród veszi körül. A mérőfej lényeges részeit az érintkező felületek kivételével jelszempontból földre kapcsolt vagy a központi elektród feszültségét egyszeres tényezővel követő feszültségre kapcsolt vezetőanyag veszi körül. Az összes vezetőképes alkatrészt szilárd szigetelőanyag választja el egymástól. Az érintkező felületen az össze elektród és szigetelőanyag egy sík, konkáv vagy konvex felületen van elrendezve, amely minimális folyékony ékkel illeszkedik a mérési helyhez. A berendezésnek továbbá korlátozott számú frekvencián impedanciát mérő készüléke van, és ezeket a frekvenciákat egyes felhasználásokra széles frekvenciasávban végrehajtott előzetes mérésekkel határozzuk meg a Nyquist vagy Bode diagramok felvétele útján.

Az irritáció méréséhez két frekvencián végrehajtott impedanciamérés alkalmas. Az egyiket néhány száz kHz és néhány MHz közötti tartományban, a másikat 1 kHz-100 kHz tartományban hajtjuk végre. A legtöbb információt az alacsonyabb frekvenciás mérés adja, a nagyobb frekvenciás mérés a vizsgált szövet geometriai határainak normalizálására használható. Célszerűen az irritációs index olyan hányadosként határozható meg, amely a 20 kHz és az 1 MHz frekvenciájú mérés abszolút értékei között állapítható meg. Az irritációs index fázisinformációt nem tartalmaz. A 4. ábra egy ilyen egyszerű irritációs modellezést szemléltet. Az irritációs index csökkenése nagyobb mértékű irritációt jelent.

Mélység szerinti szelektivitás megvalósításához a vezérlőelektród jelét optimalizálni kell, mikoris a valós részt jellemző szám 0,01 és 10, míg a képzetes rész a lehető legjobban megközelíti a 0 értéket az F erősítő átviteli függvényében az alkalmazott frekvenciatartományban.

A továbbiakban bemutatjuk a találmány szerinti megoldás néhány alkalmazását.

Egyszerű irritációs modell a 4. ábra szerint

A 4a ábra normális szövetet mutat szorosan illeszkedő sejtekkel. A 4b ábra irritált szövet képét mutatja megnövekedett sejtközi térrel.

A sejt membránján át kapacitív úton nagy frekvenciás HF jelet kapcsolunk a sejt belsejére.

Az alacsony frekvenciás LF jel a sejten kívüli, illetve sejtközötti térre korlátozódik.

A vezetőképesség lényegében azonos mind a sejten belüli, mind a sejten kívüli folyadékban.

Szájnyálkahártya irritációja az 5. ábra szerint

Összehasonlító vizsgálatot végeztünk korábban ismert módszerrel. A vizsgálathoz használt anyagokat oly módon alkalmaztuk, hogy vízbe áztatott tablettát enyhe nyomással érintkezésbe hoztuk a szájnyálkahártyának vizsgált részével, és itt tartottuk. A vizsgálat során tíz önkéntesen vállalkozó személyt kezeltünk három különböző folyékony anyaggal (nátrium-klorid, nátriumlauril-szulfát és foszforsav). A behatási idő NaCl esetében és foszforsav esetében öt perc volt (az ábrán -5 és 0 közötti tartomány) és SLS esetében tíz perc (a névleges értékek egységessége érdekében az ábrán -5 és 0 közötti tartományban tüntettük fel). Az arcon át elektromos impedanciát mértünk, kisméretű elektróddal az arc belső oldalán az irritáció helyén, míg nagyméretű elektróddal az arc külsején. Ezáltal kúpos mezőt hoztunk létre, ami a legnagyobb elektromos áramsűrűséget hozta létre a belső oldalon. Az impedanciára vonatkozó adatokat elsősorban a belső oldalon lezajló folyamatok befolyásolták, azonban kismértékű behatást gyakoroltak rá a közbeeső izomszövetekben és bőrben keltett jelenségek. Diagnosztikai célokra nem alkalmas, mivel számos vizsgált személy átlagát kell figyelembe venni szignifikáns eredmény eléréséhez.

Ezzel a módszerrel az arc bőrének, valamint izomrétegeknek az impedanciája is befolyásolja az eredményt, és legalább tíz vizsgált személy mérési adatainak az átlagára van szükség jelentékeny változás kimutatásához, vagyis ez az ismert módszer nem alkalmas diagnosztikai célokra, de egyébként is csak kevés nyálkahártya férhető hozzá non-invazív módon mindkét oldalról.

Szájnyálkahártya irritációja az 6. ábra szerint

A méréseket a találmány szerinti megoldás felhasználásával végeztük el. Ebben az esetben a méréseket nem befolyásolják az izomszövet és a bőr tulajdonságai, mivel a berendezés meghatározott mélységig méri a szájnyálkahártyát. Az eredmények állandóak és az események lefolyása egyetlen személyen is nyomon követhető, vagyis a módszer jól alkalmazható diagnosztikai célokra is. Az ábra 30 perces behatási idő (az ábrán -30 és 0 közötti tartomány) után a nátrium-lauril-szulfát által létrehozott eredményeket mutatja. A behatás közben mintegy 15 másodperces szünetet tartottunk félidőben (a diagram -15 pontjánál) mérések végrehajtása céljából. 12 óra elteltével az irritációs index visszatért normális értékére. A vizsgált személyre vonatkozólag maximális irritációt a behatás befejezése után 15 perccel mutattuk ki.

A találmány szerinti berendezéssel lehetségessé válik non-invazív módon a felszín irányából minden olyan nyálkahártya megmérése, amelyik egyik oldaláról hozzáférhető. Száji nyálkahártya esetében elkerülhető a bőr és áz izomszövet befolyása, és lehetővé válik nagy pontossággal az irritációs folyamat nyomon követése egyetlen személy esetében is.

Bőr irritációja a 7. ábra szerint

A találmány szerinti berendezéssel mértünk önkéntesen vállalkozó személyeket, akiknek hátát foltokban különböző koncentrációjú nátrium-lauril-szulfáttal kezeltük 24 órán át Finn-kamrák felhasználásával. A találmány szerinti módszerrel mértük az irritációt, és egyúttal gyakorlott bőrgyógyász hagyományos módszerekkel kiértékelte az eredményt (0-3 közötti skálán,

HU 216 496 Β amit a diagramon belül is feltüntettünk). Minden koncentráció esetében jó korreláció mutatkozott az irritációs index és a koncentráció között annak ellenére, hogy a gyakorlott bőrgyógyász nem tudott különbséget tenni a kis koncentrációk által okozott irritációk között (0 jelzés a diagramban). A találmány szerinti módszerrel a gyakorlott bőrgyógyász számára fel nem ismerhető irritációs hatások is kimutathatók voltak (a 7. ábrán 0 jelzésű pontok).

Nyomás in vivő vizsgálata vesében a 8. ábra szerint

A találmány szerinti módszerrel 20 kHz frekvencián elektromos impedanciát mértünk patkány működő veséjének sértetlen felületén. Ezzel egyidejűleg az ellátó véredénybe beültetett érzékelővel mértük az artériás nyomást. A tápláló artéria váltakozó elszorításával és elengedésével egymást követő vémyomásváltozásokat indukáltunk. Az impedancia jó korrelációban volt a nyomással, ahhoz képest mintegy 15 másodperc késéssel. A diagram jól mutatja az események lefolyását. A vese önregulációs mechanizmusát ez a fajta diagram nem mutatja be kifejezetten.

A találmány szerinti berendezést kipróbáltuk patkány érintetlen veséjének in vivő mérésére, nevezetesen a villamos impedancia mérésére, miközben változásokat hoztunk létre a vérkeringésben és a vérnyomásban. Szignifikáns korreláció jelentkezett a nyomás értéke és a mért impedancia értéke között, amely korreláció 20 kHz frekvencián (8. ábra) nagyobb, mint 100 kHz frekvencián. így tehát a találmány szerinti berendezés használható isémiás állapotok kimutatására, például transzplantációs műtétek során.

Mivel a szem viselkedése hasonló a veséhez abban a tekintetben, hogy a belső nyomás változásokat okoz a felületi szövetekben, ezért a találmány felhasználható glaukóma diagnosztizálásához is.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Berendezés szerves és biológiai anyagok villamos impedanciájának mélységszelektív mérésére, amely mérésre szolgáló elektródokkal és legalább két mérésre szolgáló elektród között elhelyezett virtuális vezérlőelektróddal ellátott mérőfejet, a mérésre szolgáló elektródokra feszültséget bocsátó és a szerves vagy biológiai anyag mérésére szolgáló elektródok közötti villamos impedanciát mérő készüléket tartalmaz, azzal jellemezve, hogy az egyik mérésre szolgáló elektród (A, C) és a virtuális vezérlőelektród (B) közé azt aktívan meghajtó, nagy bemenőimpedanciájú és kis kimenőimpedanciájú erősítő (F) kapcsolódik.

2. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az erősítő (F) frekvenciaátvitele elég széles sávú, hogy ne okozzon számottevő fázis-, vagy amplitúdóhibát a kimenetijeiben.

3. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a mérésre szolgáló elektródokra (A, C) kapcsolt feszültség nagysága néhányszor 10 mV, előnyösen kisebb, mint 50 mV, célszerűen 25 mV.

4. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az erősítő (F) átviteli függvénye kívülről állítható.

5. Az L, 3. vagy 4. igénypont bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az erősítő (F) kívülről állítható átviteli függvénye kézi úton választható vagy folyamatosan szabályozható.

6. Az L, 3-5. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az erősítő (F) mérőrendszerrel lépcsős vagy folyamatos szabályozókapcsolatban van.

7. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az erősítő (F) kimenete a virtuális vezérlőelektródra (B), bemenete az egyik mérésre szolgáló elektródra (A, B) kapcsolódik, és átviteli függvénye komplex szám, amely komplex szám valós és képzetes része az egyes felhasználásokhoz optimalizálhatóan van kiképezve.

8. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a mérő-, és a virtuális vezérlőelektródok (A, B, C), valamint az elektródokat (A, B, C) egymástól elválasztó szigetelőanyag a mérőfej végén egy szintben helyezkedik el.

9. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a villamos impedanciát mérő készüléknek (IM) az irritációs impedancia méréséhez két mérési frekvenciája van.

10. Az 1. vagy 9. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a villamos impedanciát mérő készüléknek (IM) az irritációs impedancia méréséhez néhány száz kHz és néhány MHz tartományban lévő első, valamint a vizsgált szövet geometriai tulajdonságainak normalizálására használt, 1 és 100 kHz közötti tartományba eső második mérési frekvenciája van.

11. Az 1. vagy 7. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy irritációs impedancia méréséhez az erősítő (F) átviteli függvényének valós része a választott behatolási mélységtől függően 0,01-10 határok között állítható értékre, képzetes része az alkalmazott frekvenciatartományban a nulla értékhez a lehető legjobban megközelítő értékre van kialakítva.

12. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az impedanciát mérő készülék (IM) korlátozott számú és előzetes mérések során meghatározott mérési frekvenciákkal van kialakítva.

13. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a virtuális vezérlőelektród (B) a mérésre szolgáló elektródok (A, C) között elhelyezett több elektródot tartalmaz, amelyek egymással össze vannak kapcsolva.

14. Mérőfej szerves és biológiai anyagok villamos impedanciájának méréséhez, amelynek érintkező felülete és érintkező felületen elhelyezett mérésre szolgáló elektródjai és azok között elhelyezett virtuális vezérlőelektródja van, továbbá az egyik mérésre szolgáló elektród központi helyzetben van, és ezt a vezérlőelektród körülfogja, valamint a vezérlőelektródot második mérésre szolgáló elektród fogja körül, továbbá az érintkező felülettől eltekintve a mérőfej túlnyomó részét vezetőképes anyag borítja, amely jelszempontból földre,

HU 216 496 Β vagy a középponti elektród feszültségét egyértékű tényezővel követő pontra kapcsolódik, továbbá az érintkező felületen levő valamennyi elektromosan vezető alkatrészt szilárd szigetelő választja el egymástól, valamint valamennyi elektród és szigetelőanyag az érintkező felületen sík, konkáv, vagy konvex felület mentén van elrendezve, azzal jellemezve, hogy a vezérlőelektródot (B) több, a mérést végző elektródok (A, C) közötti távolság beállításához kiválasztható mérésre szolgáló elektród (C) fogja körül, amelyek száma és egymástól való távolsága a behatolási mélység kívánt legnagyobb tartományától függően van kialakítva.

5 15. A 14. igénypont szerinti mérőfej, azzal jellemezve, hogy az elektródokhoz (A, B, C) azokat különböző mérési és vezérlési üzemmódba átkapcsoló kapcsolóegység (D) csatlakozik.