WO2014030054A2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der elektrischen eigenschaften von materialien - Google Patents

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WO2014030054A2 PCT/IB2013/001826 IB2013001826W WO2014030054A2 WO 2014030054 A2 WO2014030054 A2 WO 2014030054A2 IB 2013001826 W IB2013001826 W IB 2013001826W WO 2014030054 A2 WO2014030054 A2 WO 2014030054A2
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Juan Valdes GONZALEZ
Michael Stanimirov
Daniel TABARA
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Gonzalez Juan Valdes
Michael Stanimirov
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/028—Circuits therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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    • G01N27/026—Dielectric impedance spectroscopy

Definitions

  • the invention relates to a spectroscopic method and a device for determining the electrical properties of test objects by measuring the frequency-dependent AC resistance of the materials to be characterized, such as solids, tissues, liquids, dispersions, layers (also ion layers) or gases.
  • the equivalent impedances or equivalent AC resistances of the test objects to be characterized consist of known, any or suitably interconnected, basic elements, such as resistors, inductors and capacitors.
  • the equivalent impedances are referred to as impedances in the following.
  • Such methods and systems for determining the electrical material properties under the names: electrical impedance spectroscopy (EIS), electrical impedance tomography (EIT), and dielectric spectroscopy are known.
  • test objects such as solids, tissues, liquids, dispersions and emulsions in a wide variety of applications [1-4].
  • 2- or 4-electrode methods and systems are used for EIS and multi-electrode systems and methods for EIT.
  • the power is usually generated with power sources for which there are also different known circuits.
  • the method and system for impedance measurement or impedance spectroscopy according to claim 1 is a digital model-based measuring method for characterizing the electrical properties of test objects, which according to the invention allows a much simpler hardware than the currently required as well as much shorter analysis times with the same or even higher accuracy than those previously known methods and systems.
  • digital model-based methods for the fast, less expensive and sensitive determination of the line impedance have been successfully used since the 90's. [EP 1 203 961 B1].
  • inventive use of such methods for narrow and broadband impedance spectroscopy and tomography for the characterization of biological and non-biological materials according to claim 1-10 for improving the quality of the spectroscopic and tomographic measurements or analysis in terms of sensitivity and processing time in medicine, pharmacy , Chemistry, biotechnology and environmental technology as well as the materials science according to claim 16 and 17 is thus the main subject.
  • the method and the device increase the spatial and temporal resolution of the impedance-spectroscopic and impedance tomographic methods and devices.
  • system simplifications according to claims 11 and 12 result, which become particularly effective in miniaturization and low-cost products.
  • the current flowing through the test object and the voltage applied across the test object are generally measured in a time-resolved manner and converted into the sought-after values by calculation.
  • Such methods and systems for characterizing the electrical material properties are basically known, commercially available and have already been patented and published.
  • the methods and systems currently used for impedance spectroscopy have significant limitations in terms of sensitivity, time and cost, which will be discussed in more detail below.
  • more efficient methods for impedance determination with respect to sensitivity, time and cost are developed, such as: in [US2002 / 158641A1].
  • the digital standard calculation method for characterizing the electrical material properties by means of impedance spectroscopy is fundamentally based on the Fourier transformation.
  • the complex pointers of current, I k , and voltage, U k become the desired frequencies calculated according to the well-known formulas.
  • Precision spectroscopes in order to obtain an optimum signal-to-noise ratio, sequentially apply the test objects with single-frequency oscillations at the required frequency. The measurement can only take place when the system has stabilized in the stationary state. For this purpose, delay or settling times must be set in the high-quality impedance spectroscopes. Since the method according to the invention is a multi-frequency method which is not bound to stationary sinusoidal signal forms, the analysis time can be further significantly shortened according to the invention by applying the test object with suitable multi-frequency signals.
  • the method [2] one can determine from the complex impedance the individual components, such as resistors, capacitances, inductances etc., of which the impedance is composed.
  • the non-linear method according to Levenberg / Marquart is used for which the general convergence can not be proven, which makes it unsuitable for real-time applications.
  • the method [1] is based on signal models that are linked via the complex impedance.
  • the determination of the impedance takes place via the detour of the correlation with sine and cosine signals.
  • the algorithm fails as a matter of principle until all in-stationary signal components have decayed except for the sine and cosine components. These waiting times until the decay of the in-stationary signal components are no longer required according to the invention, since the method, as already mentioned, also implies models for in-stationary processes and signals.
  • the method [3] uses few samples of special stationary current and voltage signals for energy-efficient calculation.
  • the method [4] also calculates the spectrum very efficiently.
  • Fig. 1. illustrates the device with which the method advantageous according to the invention can be applied, and the compounds and position of the individual components
  • Test object which may be a solid, a liquid, dispersion, gas biological or non-biological tissue
  • Electrodes which as adhesive or needle electrodes and micro needles occupied surfaces or surfaces, rod, cylinder, ball, hemisphere or plate electrodes and flexible textile electrodes or capacitive (with insulating layer) can be performed
  • Fig. 2 shows the erfindungge insomniass simple stimulation and measuring unit and their interconnections.
  • Test object which may be a solid, a liquid, dispersion, gas biological or non-biological tissue
  • Electrodes which as adhesive or needle electrodes and micro needles occupied surfaces or surfaces, rod, cylinder ball, hemisphere or plate electrodes and flexible textile electrodes or capacitive (with insulating layer) can be performed 6 current sensor, the resistive, for example, as a shunt, active with a transimpedance converter or inductively with a transformer, a Rogoiwski- or other shaped air coil can be executed 8 switching elements which mechanically as a simple switch, microswitch, or electronically with transistors, FET's or as simply FET power sources can be executed
  • Fig. 3 shows the integration of the device into a capsule.
  • stimulation unit which can be designed as H-bridge or with simple FET current sources
  • Fig. 5 shows a simple FET current source.
  • Fig. 6 shows which components are needed to construct a digital broadband spectroscope with a commercial microcontroller. The overview diagram only those for the
  • Serial interfaces eg ZigBee or USB
  • Microcontroller external components Amplifier and anti-alias filter, transformer power supply, Graetz bridge and DC / DC converter
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating the implementation of a single-chip digital broadband impedance spectroscope incorporating the components of FIG. 6 for low cost applications. You need
  • Broadband spectroscope can be constructed.
  • Fig. 8 shows different electrode designs
  • Fig. 9 shows different electrode designs
  • Fig. 10 shows exemplary different electrode embodiments in which the electrodes are attached to the outer or inner wall of the vessel Presentation of the invention
  • the current flowing through the test object and the voltage applied across the test object are measured in a time-resolved manner and converted into the sought-after values by calculation.
  • a larger number of measured values is used, so that a system of equations is overdetermined.
  • the impedance parameters can then be determined with compensation calculation.
  • the least squares or the variances are minimized, which is possible by means of simple matrix inversion or recursively or iteratively.
  • Matrix notation gives the following representation of the model relationship between current, voltage and the parameters of the electrical equivalent circuit.
  • m n is the measurement vector, the parameter vector and y n the model output.
  • the model output is, for example, the current voltage sample.
  • Parameter and the measuring vector defined is referred to in the following simplifying as a model whose input in this case, the current and output is the voltage.
  • the impedance is defined by the parameter vector. Alternatively, but also the following
  • the model output may also be formed from a combination of samples.
  • the model output may also be formed from a combination of samples.
  • the offset is calculated explicitly by the inserted parameter ⁇ , but not used in the calculation of the impedance.
  • the calculation result of the parameters is robust against the occurrence of offsets and their drift. Elaborate compensation hardware or methods can be omitted.
  • the calculation of the parameter vector that determines the impedance is performed by a least squares minimization method. For example, by the method of least squares of Gauss, which is exemplary of a model with a voltage output, further developed.
  • the parameter vector can also be determined using the weighted least squares method.
  • the individual errors between model output, measuring and parameter vector are weighted with the weighting factor w n , which is a preference may be carried out in accordance with the following rule.
  • weighting matrices W which deviate from the diagonal shape.
  • These weighting matrices may preferably be formed via correlation functions, or as in the generalized least squares method (GLS ... Generalized Least Square), where from the correlated error e n (colored noise) the uncorrelated error ⁇ n is obtained by a corresponding autoregressive filter (AR filter) is generated.
  • the generation of the uncorrelated error takes place sequentially in several steps, whereby the system parameters according to Gig. (10) are determined, the models according to Gig. (6) (7), or (8) can be applied. Thereafter, the parameters of the filter are also determined using the method of least squares, whereby as a model according to Eq. (12) is to be used. Thereafter, the input and output quantities are processed with the filter F, yielding new input and output quantities to which, in turn, equation (10) can be applied. These steps are applied until the parameter vector no longer changes significantly. However, the method can also be used with the later applied recursive method according to Gig. (17).
  • an autoregressive signal model with moving average and endogenous variables can be used (ELS ... Extended Least Square). This procedure can be used nonrecursively in steps or recursively. For this the following model has to be chosen.
  • the impedance for the model with voltage as output in the z-range is given as follows. From the impedance relation in the z-range, the impedance of the test object Z meas can be easily calculated by using the relationship between z-range and frequency range as shown below.
  • the individual parameters of the equivalent circuit such as resistance, capacitance and inductance, can be determined, since the impedance curves are functions of the parameters R, L and C.
  • the parameter vector can also be determined with the weighted recursive method of least squares minimization, which is a different form than the application of the direct method of least squares (OLS). It uses the same model as the OLS method.
  • weighting is also referred to as lambda weighting.
  • the direct method of least squares can also be applied using a weighting matrix.
  • the method is also referred to in the specialist literature as Wighted Least Square WLS [15].
  • E is the unit matrix, 1 a forgetting factor, P the so-called precision matrix. The forgetting factor and the precision matrix must be properly initialized.
  • Varvar's method is the application of the Total Least Square (TLS) method for determining the parameter vector for the model developed at the outset.
  • TLS Total Least Square
  • the method can be implemented using the approach below for determining the parameters of the replacement circle. It uses the same model as the OLS method.
  • the system of equations can be converted into intermediate results V using [1] with the so-called singular value decomposition (SVD).
  • SVD singular value decomposition
  • the intermediate results V become the parameters determines from which then one
  • Kalman filter Kalman filter
  • the parameter vector and the impedance can be determined according to the following rule.
  • K is the Kalman Gain.
  • the matrices Q, R and P are suitable for initialization.
  • the n indexed variables e and w represent the corresponding error terms.
  • Another method solves a system of equations set up in the time domain, which establishes the relationship between current and voltage and the impedance parameters.
  • the method is not tied to special waveforms; only the number of frequency components of the spectrum of the stimulation signal should be adapted to the model order. For example, preferably at least 2 frequencies should be chosen for the identification of the parameters of a first order system.
  • the method can be used for both stationary and in-stationary waveforms
  • a signal model-based method for the impedance calculation which also gives correct impedance measured values for transient processes and signals, is shown below. It is based on the approach to explicitly include the transient signal components in the signal model. These components, such as exponentials, are modeled by the polynomials of a Taylor series up to the order Kl.
  • Parameters ß are quantified, not used, but - analogous to
  • Offset compensation method only the steady-state oscillatory components for current and voltage, which are quantified with the parameters ⁇ ⁇ u> in the voltage and ⁇ ⁇ i> in the current.
  • these parameters can also be determined using the method RLS, WLS, GLS and ELS as well as Kalman filters.
  • auxiliary variable method IV ... Instrumental Variables
  • auxiliary variables it is preferable to use the samples of the input signals or the estimates of the undistorted output values. The non-recursive and recursive solution of the resulting equation systems yields the method by which the parameter vector can alternatively be determined.
  • the devices for the application of the method according to claim 10 consist basically of attached to the test object 2-, 4- or more-Elektrodensy stars, are applied to the voltages or fed through the currents to stimulate or stimulate the test object.
  • the currents and voltages are recorded time-resolved.
  • the currents and voltages can be generated with current or voltage sources. Precise results can also be achieved by the method if the stimulation circuits are designed very simply according to claims 11 and 12. This allows Space and price advantages, which is particularly advantageous for miniaturization and disposable products, so-called Disposals. It is also easy to build single-chip solutions.
  • the electrodes are to be attached to the test object so that the currents flow through the parts of interest, which can be done with felt, adhesive, microneedle or textile electrodes.
  • FIG. 4 shows exemplary equivalent circuits for the test objects (TO, 2) to be electrically characterized.
  • FIG. 1 shows how the test objects TO (2) are to be contacted by electrodes (5a... 5d), for example according to the 4-electrode method.
  • the electrodes (5a) and (5d) must be contacted with the test object in such a way that the current which is intended to flow through the test object at the relevant regions is fed through it.
  • the electrodes (5b) and (5c) are to be contacted with the test object so that the voltage across the relevant current-carrying regions can be measured.
  • the current flowing through the test object, i (t) can be detected time-resolved by the measuring devices (2a) and / or (2b), while the voltage dropping above the test object, u (t), with the measuring device (3) is also detected time-resolved , Basically, only one of the two ammeters is required for current measurement.
  • the stimulation, evaluation and communication unit (1) generates the stimulation current, i (t), which flows through the test object when the test object is stimulated with current, or the stimulation voltage u (t), which is applied to the test object, when the test object is stimulated or excited with voltage.
  • the stimulation is carried out with current or voltage sources according to [7,8].
  • the method allows instead of voltage-controlled current sources which generate sinusoidal oscillations, according to the invention also the use of simple FET constant current sources of FIG. 5 as stimulation circuits, which can be sequentially generated square-shaped currents, each with opposite direction, without loss of accuracy or time the determination of the impedance compared to the standard method.
  • the filter units (7a ... 7d) which can be designed as passive RC circuits, it is easy to generate other signal forms, such as sawtooth-like signals, from the square-wave signals, which gives flexibility in the spectral content of the multifrequency signals.
  • the measurement of the current can be done with sensors (6a, 6b), which with different technologies, which output current proportional quantities such as shunts, transformers, Hall sensors, etc. done.
  • FIGS. 1 and 2 show two possible positions for current measurement.
  • the current sensors supply the measuring devices (6a and 6b) with the time-continuous input variables.
  • the measuring devices 3 and 2a, b transmit to the stimulation and evaluation unit the time-resolved measured values for determining the sought values.
  • the units (7a ... 7d) are possible protection and filter units that can be installed in the marked locations.
  • the protection and filter units may contain components for the purpose of electromagnetic compatibility and to comply with the sampling theorem.
  • the components 2, 3, 6, 7 can also be integrated in FIG. 1, which is required in particular in the miniaturized impedance spectroscope according to claim.
  • FIG. 2 shows, in the case that the stimulation takes place with an H-bridge, like the test object, TO (2), by electrodes (FIG. 5) is to be contacted by the 2-electrode method so that it is flowed through by a current, i (t), which is detected by the measuring device (2) in a time-resolved manner, while the voltage drop across the test object, u (t ), with the measuring device (3) is also detected time-resolved.
  • the switching elements (8) which are arranged in the H-circuit, the current can be fed alternately in both directions in the test object.
  • the measurement of the current can be done with a sensor (6).
  • Electrodes 1... Electrodes, 2. Energy storage, 3. Wireless communication unit, 4 digital arithmetic unit, 5. Stimulation unit with measuring devices for time - resolved acquisition the currents and voltages. In contrast to the embodiment shown above, the electrical properties of the matter surrounding the tablet are determined here.
  • the stimulation unit preferably the H-bridge or the FET current sources are to be used.
  • Electrodes 1... Electrodes, 2. Energy storage, 3. Wireless communication unit, 4 digital arithmetic unit, 5. Stimulation unit with measuring devices for time - resolved acquisition the currents and voltages. In contrast to the embodiment shown above, the electrical properties of the matter surrounding the tablet are determined here.
  • the stimulation unit preferably the H-bridge or the FET current sources are to be used.
  • This equation is the basis for determining the desired values R and C.
  • the parameter vector can now be determined with different methods.
  • N is at least greater than the model order +2, in this case N> 3.
  • the parameter values can be determined in this case with higher accuracy.
  • the parameters can be determined with the least squares minimization according to Gauss.
  • the forgetting factor should preferably be between 0.8 and 0.99 and P, the so-called precision matrix, between 10 E and 10 E.
  • the parameters of the spare circle can also be determined using the Total Least Square method (TLS).
  • TLS Total Least Square method
  • the equation system can be converted into intermediate results V according to [1] with the so-called singular value decomposition (SVD).
  • SVD singular value decomposition
  • the parameters ⁇ are determined from the intermediate results V, which can then be converted into an imedance curve.
  • the parameters can also be determined with a Kalman filter.
  • the signal model for current and voltage consists of a frequency component for a given angular frequency and a term modeling a linear trend for offset compensation. This results in the application-specific ones shown below
  • the current / voltage relationship in this RC element represents the equation below. This equation is set up for different times t k .
  • Arranging the system of equations in matrix notation it can be converted to the vector containing the parameters R & C by applying matrix inversion.
  • Arranging the system of equations in matrix notation it can be converted to the vector containing the parameters R & C by applying matrix inversion.
  • the system preferably consists of a multi-electrode system, which may for example be incorporated in a wide belt, T-shirt or bra cups in the form of textile electrodes can.
  • the stimulation circuits may be designed according to FIG. 2 or 5.
  • the currents and voltages can be detected time-resolved with measuring devices and are transmitted to the evaluation unit.
  • the result is communicated to a display unit where it is output, which can be done optically or acoustically.
  • the evaluation unit uses the previously described methods for multi-well systems according to claims 1 to 9.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein spektroskopisches Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Testobjekten mittels Messung des frequenzabhängigen Wechselstromwiderstandes der zu charakterisierenden Materialien, wie Festkörper, Gewebe, Flüssigkeiten, Dispersionen, Schichten (auch Ionen-Schichten) oder Gase. Die Ersatzimpedanzen bzw. Ersatzwechselstromwiderstände der zu charakterisierenden Testobjekte bestehen aus bekannten, beliebig bzw. geeignet verschalteten, Grundelementen, wie Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten. Das Verfahren und System zur Impedanzmessung bzw. Impedanzspektrosokopie gemäss Anspruch 1 ist ein digitales modellgestütztes Messverfahren zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von Testobjekten, welches erfindungsgemäss eine wesentlich einfachere Hardware als die derzeit erforderliche ermöglicht sowie wesentlich kürzere Analysezeiten bei gleicher bzw. sogar höherer Genauigkeit als die bislang bekannten Verfahren und Systeme.

Description

Gegenstand:
Die Erfindung betrifft ein spektroskopisches Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Testobjekten mittels Messung des frequenzabhängigen Wechselstromwiderstandes der zu charakterisierenden Materialien, wie Festkörper, Gewebe, Flüssigkeiten, Dispersionen, Schichten (auch Ionen-Schichten) oder Gase. Die Ersatzimpedanzen bzw. Ersatzwechselstrom widerstände der zu charakterisierenden Testobjekte bestehen aus bekannten, beliebig bzw. geeignet verschalteten, Grundelementen, wie Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten. Die Ersatzimpedanzen werden im Folgenden vereinfachend als Impedanzen bezeichnet. Bekannt sind derartige Verfahren und Systeme zur Bestimmung der elektrischen Materialeigenschaften unter den Namen: Elektrische Impedanz-Spektroskopie (EIS), Elektrische Impedanz-Tomographie (EIT), sowie Dielektrische Spektroskopie. Diese Verfahren gehören zur Gruppe von Verfahren wie Röntgen oder Kernspintomographie und liefern vergleichbare Informationen zu Materialeigenschaften, ohne den menschlichen Körper mit Röntgenstrahlen zu belasten, wobei die Raum und Zeitauflösung noch wesentlich schlechter ist. Deshalb werden derartige Verfahren und Systeme verwendet, um biologische und nichtbiologische Materialien, die sog. Testobjekte, wie Festkörper, Gewebe, Flüssigkeiten, Dispersionen und Emulsionen in unterschiedlichsten Anwendungen zu charakterisieren [1-4]. Wie z.B. für die Analyse auf Korrosion, Charakterisierung von zellulären Wachstumsprozessen für die Zwecke der Biopsie sowie pharmakologischer, toxikologischer und allergologischer Tests, sowie die Differenzierung von geordneten und ungeordneten Zellwachstum, für nichtinvasive und minimalinvasive Diagnose von Pathologien wie Zysten, Lipomen, Karzinomen, Sarkomen, Metastasen, von Haut- Brust-, Prostata-, oder Colonkrebs sowie von Lungenwasser oder die Analyse von Körperflüssigkeiten wie z.B. Hämatokrit-Anteil im Blut oder die Blugerinnung, Glukosegehalt im Schweiss, Urin und Blut, Steuerungen von Reaktoren in der Prozesstechnik, wie beispielsweise für die Bioäthanol-Gewinnung. Ebenso gibt es zahlreiche kommerzielle Systeme, Geräte und Komponenten sowie patentierte Ideen, wie z.B. den Chip AD5933 von der Firma Analoge Devices, das Bioimpedanzspektrokop IMSPEC der Firma MEODAT, sowie das Konzept eines miniaturisierten Impedanzmessgerät in einer Pille nach [EP 1 159 97 AI]. Eine exemplarische Anwendung auf dem Gebiet der EIT ist beispielsweise die Analyse der Lungenfunktion von Neugeborenen [5, 6]. Dazu lässt man Ströme durch die Testobjekte fliessen, misst Strom und Spannung mit Analog/Digital-Konvertem und berechnet aus den Abtastwerten von Strom und Spannung mit einem Rechner den Wechselstromwiderstand, die sog. Impedanz. Die Einspeisung der Ströme kann resistiv oder kapazitiv über Elektroden sowie induktiv über Spulen erfolgen. Sog. 2- bzw. 4 - Elektroden- Verfahren und -Systeme werden für EIS und Mehrelektroden Systeme und Verfahren für EIT angewendet. Der Strom wird in der Regel mit Stromquellen erzeugt, für die es ebenfalls unterschiedliche bekannte Schaltungen gibt. Das Verfahren und System zur Impedanzmessung bzw. Impedanzspektrosokopie gemäss Anspruch 1 ist ein digitales modellgestütztes Messverfahren zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von Testobjekten, welches erfindungsgemäss eine wesentlich einfachere Hardware als die derzeit erforderliche ermöglicht sowie wesentlich kürzere Analysezeiten bei gleicher bzw. sogar höherer Genauigkeit als die bislang bekannten Verfahren und Systeme. Für den Schutz von Elektroenergiesystemen werden bereits seit den 90 'er Jahren erfolgreich digitale modellgestützte Verfahren zur schnellen, kostengünstigeren und sensitiven zur Bestimmung der Leitungsimpedanz eingesetzt. [EP 1 203 961 B1]. Die erfindungsgemässe Anwendung derartiger Verfahren für Schmal- und Breitband-Impedanzspektroskopie sowie -Tomographie zur Charakterisierung von biologischen und nicht-biologischen Materialien gemäss Anspruch 1-10 zur Verbesserung der Qualität der spektroskopischen und tomographischen Messungen bzw. Analyse hinsichtlich Sensitivität und Verarbeitungszeit in der Medizin, Pharmazie, Chemie, Bio- und Umwelttechnologie sowie der Materialwissenschaften nach Anspruch 16 und 17 ist somit Hauptgegenstand. Erfindungsgemäss wird durch das Verfahren und die Vorrichtung die Raum- und Zeitauflösung der Impedanz-spektroskopischen und Impedanz-tomographischen Verfahren und Vorrichtungen erhöht. Ausserdem ergeben sich erfindungsgemäss System- Vereinfachungen nach den Ansprüchen 11 und 12, welche insbesondere bei der Miniaturisierung und Low-Cost- Produkten wirksam werden. Exemplarisch seien einige Anwendungen gemäss den Ansprüchen 16 und 17 genannt, z.B.: zur kostengünstigen Bestimmung des Wassergehaltes, der Viskosität oder der markerfreien Identifikation von Biomarkern. Die erfindungsgemässen Weiterentwicklungen nach den Ansprüchen 1-15 werden beispielsweise zur Impedanzmessung in einer kostengünstigen, autarken, verschluckbaren Kapsel als Mittel für die Zwecke der medizinischen Diagnose und Therapie benutzt. Stand der Technik:
Um die Impedanz und insbesondere die Parameter der in ihr verschalteten Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten zu bestimmen, werden in der Regel der durch das Testobjekt fliessende Strom und die über dem Testobjekt anliegende Spannung zeitaufgelöst gemessen und rechnerisch in die gesuchten Werte umgewandelt. Derartige Verfahren und Systeme zur Charakterisierung der elektrischen Materialeigenschaften sind grundsätzlich bekannt, kommerziell erhältlich und wurden bereits auch patentiert, sowie publiziert. Jedoch haben die zurzeit für die Impedanzspektroskopie verwendeten Verfahren und Systeme erhebliche Limitationen bezüglich Sensitivität, Zeitaufwand und Kosten, was im Folgenden detaillierter ausgeführt wird. Zur Kurzschlussdetektion auf Stromversorgungsleitungen werden effizientere Verfahren zur Impedanzbestimmung bezüglich Sensitivität, Zeitaufwand und Kosten entwickelt, wie z.B.: in [US2002/158641A1]. Das zuletzt genannte Verfahren ermittelt direkt die Parameter der Impedanz, im speziellen Fall die Induktivität und den Widerstand. Ausserdem wird in [17] eine mathematische Methode zur Offsetkompensation für die Zwecke der Kurzschlussidentifikation in elektrischen Energiesystemen vorgestellt, welche ebenfalls für die elektrische Impedanzspektroskopie und Impedanztomographie zur Anwendung nach Anspruch 5 und 9 vorgeschlagen werden. Im Unterschied zur Impedanzspektroskopie werden im Prozess der Energieverteilung entstehenden Strom- und Spannungsverläufe zur Ermittlung der gesuchten Impedanzwerte verwendet und keine Ströme in das System eingespeist, um die gesuchten Werte zu bestimmen. Um die unterschiedlichen Wechselstromwiderstände bei unterschiedlichen Frequenzen zu ermitteln, werden die Ströme und Spannungen zeitaufgelösst gemessen und rechnerisch in die gesuchten Werte umgewandelt. Die digitale Standardberechnungsmethode zur Charakterisierung der elektrischen Materialeigenschaften mit Hilfe der Impedanz-Spektroskopie basiert grundsätzlich auf der Fouriertansformation. Im ersten Schritt werden die komplexen Zeiger von Strom, Ik, und Spannung, Uk, für die gewünschten Frequenzen
Figure imgf000004_0004
nach den wohl bekannten Formeln berechnet .
Figure imgf000004_0001
Wobei ist. Im zweiten Schritt werden die Zeiger nach dem Ohmschen Gesetz
Figure imgf000004_0003
komplex dividiert.
Figure imgf000004_0002
Diese Methode setzt stationäre sinusförmige Signale für Strom und Spannung voraus. Während in-stationärer Übergangs Vorgänge ergeben sich falsche Ergebnisse. In der heutigen Praxis kann man in Geräten, wie z.B. von MEODAT, eine sog. Einschwingzeit einstellen, die so gross sein sollte, bis Strom und Spannung stationär sind. Diese Wartezeiten sind erfindungsgemäss nicht mehr erforderlich, was die Analysezeiten verkürzt, da das Verfahren auch Modelle für instationäre Prozesse und Signale impliziert. Die Genauigkeit des Verfahrens wird durch das Signal/Rausch- Verhältnis bestimmt. Insbesondere bei Multifrequenz-Signalen ist das nachteilig, da sich bei konstant angenommen Rauschen das Signal/Rausch- Verhältnis für jede einzelne Frequenz verschlechtert, je mehr Frequenzen das Multifrequenz-Signal enthält. Um ein optimales Signal/Rausch- Verhältnis zu erhalten, beaufschlagen deshalb Präzisions-Spektroskope die Testobjekte sequentiell mit einfrequenten Oszillationen mit der erforderlichen Frequenz. Die Messung kann erst erfolgen, wenn das System im stationären Zustand eingeschwungen ist. Hierfür sind in den qualitativ hochwertigen Impedanzspektroskopen Verzögerungs- bzw. Einschwingzeiten einzustellen. Da das Verfahren erfindungsgemäss ein Multifrequenzverfahren ist, welches nicht an stationäre sinusförmige Signalformen gebunden ist, kann die Analysezeit erfindungsgemäss durch die Beaufschlagung des Testobjektes mit geeigneten Multifrequenz- Signalen weiter signifikant verkürzt werden.
Mit der Methode [2] kann man aus der komplexen Impedanz die einzelnen Komponenten, wie Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten etc., aus denen die Impedanz zusammengesetzt ist, ermitteln. Dafür wird das nichtlineare Verfahren nach Levenberg/Marquart verwendet, für welches die generelle Konvergenz nicht nachgewiesen werden kann, wodurch es sich für Echtzeitanwendungen nicht eignet.
Die Methode [1] basiert auf Signalmodellen, die über die komplexe Impedanz verknüpft sind. Die Bestimmung der Impedanz erfolgt über den Umweg der Korrelation mit Sinus- und Kosinus- Signalen. Bei in-stationären Stimulationsgrössen, versagt der Algorithmus prinzipbedingt, solange bis alle in-stationären Signalkomponenten ausser den Sinus- und Kosinusanteilen abgeklungen sind. Diese Wartezeiten bis zum Abklingen der in-stationären Signalkomponenten sind erfindungsgemäss nicht mehr erforderlich, da das Verfahren, wie bereits erwähnt, auch Modelle für in-stationäre Prozesse und Signale impliziert. Die Methode [3] verwendet zur energieeffizienten Berechnung wenige Abtastwerte von speziellen stationären Strom- und Spannungsignalen. Die Methode [4] berechnet ebenfalls das Spektrum sehr effizient. Alle diese Methoden setzen stationäre Signalmodelle voraus mit den oben beschriebenen Nachteilen, die erfindungsgemäss durch das Verfahren behoben werden. Die kommerziell verfügbaren Impedanzspektroskope sowie das in [EP 1 159 97 AI] beschriebene miniaturisierte System verwenden die Standardmethode und Standardhardware, bei welcher der sog. Stimulationskreis aus Stromquellen besteht, welche mit unterschiedlichen Schaltungen aufgebaut sein können, wie z.B. Bipolar nach [8] oder nach Howland [7], oder auch [9-14]. Diesen Schaltungen ist gemeinsam, dass sie die multifrequenten Ströme möglichst breitbandig und genau erzeugen. Erfindungsgemäss können durch die Anwendung der Verfahren nach Anspruch 1-10 für die elektrische Impedanzspektroskopie einfachere Schaltungen nach Anspruch 11 und 12 zur breitbandigen Stimulation und Auswertung nach Anspruch 5 ohne Genauigkeitsverluste bei gleichzeitig kürzeren Analysezeiten benutzt werden.
In [21] werden Methoden vorgestellt, die auf Signalmodellen von u und i basieren, die über die Impuls- und Sprungantwort verknüpft sind. Die Bestimmung der Impedanz erfolgt über Regression, wobei unterschiedliche Zeitkonstanten ermittelt werden. Aufgrund numerischer Eigenschaften der eingesetzten Verfahren ist die Komplexität zu untersuchenden Objekte limitiert. Ein Prototyp eines vorgestellten Gerätes zur Ermittlung der Fleischqualität konnte sich bis heute nicht kommerziell durchsetzen. Die erfindungsgemässe Kombination von stationären und in-stationären Signalkomponenten sowie mit einem Term zur Offsetkompensation nach Anspruch 4 und 9 für die Zwecke der Ansprüche 16 und 17 ist bislang in den erfindungsgemäss angeführten Anwendungen nicht bekannt.
Kurze Beschreibung der Darstellungen
Fig. 1. stellt die Vorrichtung mit der die erfindungsgemäss vorteilhaften Verfahren angewendet werden können, sowie die Verbindungen und Lage der einzelnen Komponenten
1 Stimulationseinheit, Auswerte- und Kommunikations- und Ausgabeeinheit, sowie die Energieversogung
2a, 2b Strommessgeräte, welche Strom und Spannung zeitaufgelösst erfassen
3 Spannungsmessgerät, welches die Spannung zeitaufgelösst erfassen,
4 Testobjekt, welches ein Festkörper, eine Flüssigkeit, Dispersion, Gas biologisches oder nichtbiologisches Gewebe sein kann
5 Elektroden welche als Klebe- oder Nadelelektroden sowie mit Mikronadeln besetzte Flächen oder Flächen, Stab-, Zylinder-, Kugel, Halbkugel-oder Plattenelektroden sowie flexiblen Textilelektroden oder auch kapazitiv (mit isolierender Schicht) ausgeführt sein können
6 Stromsensor, der resistiv, z.B. als Shunt, aktiv mit einem Transimpedanzwandler oder induktiv mit einem Transformator, einer Rogowski- oder anders geformte Luftspule ausgeführt sein kann 7a,7b, 7c, 7d Schutz- und Filtereinheit, für die Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie des Abtasttheoremes garantieren, sowie die Modifikation der Signalformen von Strom und Spannung
Fig. 2 zeigt die erfindunggemäss einfache Stimulations- und Messeinheit und ihre Verbindungen untereinander.
2 Strommessgerät, welches den Strom zeitaufgelösst erfasst,
3 Spannungsmessgerät, welches die Spannung zeitaufgelösst erfassen,
4 Testobjekt, welches ein Festkörper, eine Flüssigkeit, Dispersion, Gas biologisches oder nichtbiologisches Gewebe sein kann
-Strom- und Spannungsmessgeräte (Fig. 1 (2,3)), welche Strom und Spannung zeitaufgelösst erfassen
5 Elektroden welche als Klebe- oder Nadelelektroden sowie mit Mikronadeln besetzte Flächen oder Flächen, Stab-, Zylinder- Kugel, Halbkugel-oder Plattenelektroden sowie flexiblen Textilelektroden oder auch kapazitiv (mit isolierender Schicht) ausgeführt sein können 6 Stromsensor, der resistiv, z.B. als Shunt, aktiv mit einem Transimpedanzwandler oder induktiv mit einem Transformator, einer Rogoiwski- oder anders geformte Luftspule ausgeführt sein kann 8 Schaltelemente, welche mechanisch als einfacher Schalter, Mikroschalter, oder elektronisch mit Transistoren, FET's oder auch als einfach FET- Stromquellen ausgeführt sein können
Fig. 3 zeigt die Integration der Vorrichtung in eine Tablettenkapsel.
1 Elektroden, die auch als Antennen genutzt werden können
2 Energiequelle z.B. Batterie oder Spule, über die Energie eingekoppelt werden kann
3 Kommunikationseinheit inkl. Antenne, die Informationen nach aussen kommuniziert
4 mC... Mikrocontroller
5 S... Stimulationseinheit, die als H-Brücke oder mit einfachen FET-Stromquellen ausgeführt sein können
Fig. 4 zeigt exemplarisch ausgewählte elektrische Ersatzschaltbilder, mit denen Testobjekte modelliert werden können. a) RC -Parallelschaltung mit R... Parallelwiderstand, C-Parallelwiderstand
b) RC- Serienschaltung mit R... Serienwiderstand, C-Serienwiderstand
c) RCR-Schaltung mit Rs... Serienwiderstand, Rp... Polarisationswiderstand, CH- Helmholzkapazität
d) RCR-Schaltung mit Ri... Widerstand der intrazellulären Flüssigkeit, Ri...Widerstand der extrazellulären Flüssigkeit, CM... Membrankapazität
Fig. 5 zeigt eine einfache FET-Stromquelle.
Fig. 6 zeigt welche Komponenten benötigt werden, um mit einem kommerziellen Mikrokontroller ein digitales Breitbandspektroskop aufzubauen. Das Übersichtschaltbild nur die für die
Implementation eines Impedanzspektroskopes notwendigen Komponenten und deren
Verbindungen.
BO binäre Ausgänge
MUX...Multiplexer
Gain... Verstärker mit variabler Verstärkung DAC Digital/ Analog-Konverter
μC ...Mikrokontroller-Core
RAM, FLASH Speicher
VREf...interne Referenzspannung
fCPU ... interner Oszillator
serial out... Serielle Interfaces z.B ZigBee oder USB
Mikrokontroller-externe Komponenten: Verstärker und Antialisfilter, Spannungsversorgung mit Transformator, Graetzbrücke und DC/DC-Wandler
Fig. 7 enthält das Übersichtschaltbild mit dem die Implementation eines digitalen Breitband- Impedanzspektroskopes auf einem einzigen Chip, der die Komponenten nach Fig. 6 enthält, für Lowcost- Anwendungen. Man benötigt
Rshunt... Shunt- Widerstand
Batterie
Kommunikationsleitungen oder Radio-Chip für die drahtlose Kommunikation
Ebenso ist das komplette, funktionelle elektrische Schema offengelegt, mit dem das digitale
Breitbandspektroskop aufgebaut werden kann.
Fig. 8 zeigt unterschiedliche Elektrodenausführungen
a) 2-Elektroden-Konfiguration mit 2 Nadelelektroden
b) .2-Elektroden-Konfiguration mit einer bipolaren konzentrischen Nadelelektrode
c) 2-Elektroden-Konfiguration mit 2 Elektroden in sog. Interdigitalstruktur am Boden eines Gefässes zur Zellanalyse (Im Gefäss wachsen die zu analysierenden Zellen.)
Fig. 9 zeigt unterschiedliche Elektrodenausführungen
a) Mehr-Elektroden-Konfiguration mit 4 Eelektroden am Rand des Gefässes zur räumlichen Auflösung
b) 2-Elektroden-Konfiguration mit einer Elektrode im Gefässzentrum und dem Gefäss als Gegenelektrode
Fig. 10 zeigt exemplarische unterschiedliche Elektrodenausführungen, bei denen die Elektroden an der Aussen- oder Innenwand des Gefässes angebracht sind Darstellung der Erfindung;
Es stellt sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren und ein System der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine einfache, schnelle und genaue Möglichkeit zur Bestimmung des Impedanz-Spektrums sowie der einzelnen, die Impedanz bildenden, Parameter, wie Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten, erlaubt. Diese Aufgabe wird in verschiedenen Verfahrens- und Vorrichtungsausprägungen gemäss den Ansprüchen 1 bis 9 gelöst. Dazu wird der durch das Testobjekt fliessende Strom und die über dem Testobjekt anliegende Spannung zeitaufgelöst gemessen und rechnerisch in die gesuchten Werte umgewandelt. Vorzugsweise wird eine grössere Anzahl von Messwerten verwendet, so dass ein Gleichungssystem überbestimmt wird. Die Impedanz-Parameter können sodann mit Ausgleichsrechnung ermittelt werden. Vorzugsweise werden die Fehlerquadrate bzw. die Varianzen minimiert, was mittels einfacher Matrixinversion oder rekursiv bzw. iterativ möglich ist.
Anstelle der bislang verwendeten stationären Signalmodelle werden Systemmodelle und Signalmodelle für in-stationäre Signalkomponenten verwendet. Die Berechnung der Impedanz- Parameter, wie die Ortskurve bzw. Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten basiert auf einem angenommenen Modell-Zusammenhang zwischen Strom und Spannung im Zeitbereich, der durch eine lineare Differenzialgleichung beschrieben werden kann.
Figure imgf000010_0002
Aus dieser Gleichung lässt sich der Zusammenhang im z-Bereich zwischen Strom und Spannung nach unterschiedlichen Methoden ableiten [16]. Die unterschiedlichen Methoden haben unterschiedliche Eigenschaften bezüglich Genauigkeit, Stabilität versus einer bestimmten
Abtastfrequenz. Favorisiert ist das Verfahren der bilinearen Substitution, wobei andere
Entwurfsmethoden ebenfalls erfolgreich angewendet werden können.
Figure imgf000010_0001
Aus dieser Gleichung lässt sich der Zusammenhang zwischen den Abtastwerten von Strom und Spannung im Zeitbereich [16].
Figure imgf000010_0003
In Matrixnotation ergibt sich folgende Darstellung für den Modell-Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und den Parametern der elektrischen Ersatzschaltung.
Figure imgf000011_0001
Mu & Mj legen die Modellordnung, und die die Anzahl der gesuchten Parameter (M=Mu+Mi) fest, welche durch die Anzahl der elektrischen Energiespeicher in der elektrischen
Ersatzschaltung und deren Verschaltung bestimmt wird. . Ausserdem ist mn der Messvektor,
Figure imgf000011_0005
der Parametervektor und yn der Modellausgang. In diesem Fall ist der Modellausgang z.B. der aktuelle Spannungsabtastwert. Das Gleichungssystem, welches den Modellausgang, den
Parameter- und den Messvektor definiert, wird im folgenden vereinfachend als Modell bezeichnet, dessen Eingang in diesem Fall der Strom und Ausgang die Spannung ist.
Die Impedanz ist durch den Parametervektor definiert. Alternativ kann aber auch die folgende
Darstellung mit dem Strom als Ausgang bzw. dem aktuellen Stromabtastwert als Modellausgang und demzufolge die Spannung als Eingang.
Figure imgf000011_0003
Alternativ kann aber der Modellausgang auch aus einer Kombination von Abtastwerten gebildet werden. Um die Stimulations- und Messkreise zu vereinfachen, kann man eine Offsetkompensation rechnerisch in das Modell integrieren. Das Verfahren kombiniert das Systemmodell für den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung mit dem Signalmodell für das Offset.
Figure imgf000011_0004
Figure imgf000011_0002
Das Offset wird explizit durch den eingefügten Parameter ξ berechnet, aber nicht in die Berechnung der Impedanz verwendet. Man verwendet nur die Parameter α und ß nicht den Parameter ξ. Dadurch ist das Berechnungsergebnis der Parameter robust gegen das Auftreten von Offsets und dessen Drift. Aufwendige Kompensationshardware oder Methoden können entfallen. Die Berechnung des Parametervektors, der die Impedanz bestimmt, erfolgt durch ein Fehlerquadratminimierungsverfahren. Zum Beispiel durch die Methode der kleinsten Quadrate von Gauss, was exemplarisch für ein Modell mit einem Spannungsausgang, weiter ausgeführt ist.
Figure imgf000012_0003
Die Berechnun des Parametervektors erfolgt nach der Formel unten.
Figure imgf000012_0001
Es existieren mehrere Alternativen zur Berechnung des Parametervektors, die unterschiedliche Rand- bzw. Prozessbedingungen berücksichtigen. Alternativ lässt sich der Parametervektor sich auch mit der gewichteten Methode der kleinsten Quadrate ermitteln. Dabei werden die einzelnen Fehler zwischen Modellausgang, Mess- und Parametervektor mit dem Wichtungsfaktor wn gewichte t, was Vorzugs
Figure imgf000012_0004
weise nach folgender Vorschrift erfolgen kann.
Figure imgf000012_0005
Anstelle der Wichtungsfaktoren wn können aber auch Wichtungsmatrizen W, die von die Diagonalform abweichen, Anwendung finden. Diese Wichtungsmatrizen können vorzugsweise über Korrelationsfunktionen gebildet werden, oder wie bei der verallgemeinerten Methode der kleinsten Quadrate (GLS...Generalized Least Square), bei der aus dem korrelierten Fehler en (farbiges Rauschen) der nichtkorrelierte Fehler εn durch ein entsprechendes autoregressives Filter (AR-Filter) erzeugt wird.
Figure imgf000012_0002
Die Erzeugung des nichtkorrelierten Fehlers erfolgt sequentiell in mehreren Schritten, wobei zunächst die Systemparameter nach Gig. (10) bestimmt werden, wobei die Modelle nach Gig. (6), (7), oder (8) angewendet werden können. Danach werden die Parameter des Filter ebenfalls mit der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt, wobei als Modell nach Glg. (12) zu verwenden ist. Danach werden die Ein- und Ausgangsgrössen mit dem Filter F verarbeitet, was neue Ein- und Ausgangsgrössen ergibt, auf die wiederum Glg.(10) angewendet werden kann. Diese Schritte werden solange angewendet, bis sich der Parameterverktor nicht mehr signifikant ändert. Das Verfahren kann aber auch mit dem später angewendeten rekursiven Verfahren nach Gig. (17) implementiert werden.
Alternativ kann aber auch ein autoregressives Signalmodell mit gleitendem Mittel und endogenen Variablen (ARMAX) verwendet werden (ELS...Extended Least Square). Dieses Verfahren kann nichtrekursiv in Schritten oder rekursiv Anwendung finden. Dazu ist folgendes Modell zu wählen.
Figure imgf000013_0001
Aus dem Parametervektor ergibt sich die Impedanz für das Modell mit Spannung als Ausgang im z-Bereich wie folgt. Aus der Impedanzbeziehung im z-Bereich kann leicht die Impedanz des Testobjektes Zmeas berechnet werden, wenn man die Beziehung zwischen z-Bereich und Frequenzbereich, wie unten gezeigt, anwendet.
Figure imgf000013_0002
Aus dem Impedanz-Verlauf im Frequenzbereich und im z-Bereich können die einzelnen Parameter der Ersatzschaltung, wie Widerstand, Kapazität und Induktivität, bestimmt werden, da die Impedanzverläufe Funktionen von den Parametern R, L und C sind.
Figure imgf000013_0003
Durch Lösen der inversen Problemstellung erhält man eine Methode, mit aus dem Parametervektor, oder den Impedanzverläufen (Z(z),
Figure imgf000013_0004
die Parameter der Ersatzschaltung (R,L,C) ermittelt werden können, was für Schaltungen mit niederer Modellordnung besonders leicht ist.
Figure imgf000014_0001
Hierzu ist das eingangs aufgestellte Gleichungssystem entsprechend umzustellen.
Alternativ kann der Parametervektor aber auch mit der gewichteten rekursiven Methode der Fehlerquadratminimierung bestimmt werden, was eine andere Ausprägung als die Anwendung der direkten Methode der kleinsten Quadrate (OLS) darstellt. Es wird das gleiche Modell, wie bei der OLS-Methode verwendet.
Figure imgf000014_0002
Diese Form der Wichtung wird auch als Lambda-Wichtung bezeichnet. Auch die direkte Methode der kleinsten Quadrate kann unter Verwendung einer Wichtungsmatrix angewendet werden. Das Verfahren wird in der Fachliteratur auch als Wighted Least Square WLS bezeichnet [15]. In der Rekursionsformel sind E die Einheitsmatrix, 1 ein Vergessensfaktor, P die sog. Präzisionsmatrix. Der Vergessensfaktor und die Präzisionsmatrix müssen geeignet initialisiert werden.
Eine weitere Ausprägunsvariante des Varfahrens stellt die Anwendung der Total-Least-Square- Methode (TLS) zur Bestimmung des Parametervektors, für das eingangs entwickelte Modell dar. Das Verfahren kann man mit dem untenstehenden Ansatz zur Ermittlung der Parameter des Ersatzkreises implementieren. Es wird das gleiche Modell wie bei der OLS-Methode verwendet. Dazu muss zuerst muss das Gleichungssystem kann nach [1] mit der sog. Singulärwertzerlegung (SVD) rechnerisch in Zwischenergebnisse V umgewandelt werden.
Figure imgf000014_0003
In einem zweiten Schritt werden aus den Zwischenergebnissen V die Parameter
Figure imgf000015_0003
ermittelt, aus welchen sich dann einen
Impedanzverlauf
Figure imgf000015_0002
generieren lässt.
Figure imgf000015_0005
Eine weitere alternative Ausprägungsvariante des Verfahrens stellt die Anwendung eines Kaiman-Filters (Kaiman-Filter) zur Bestimmung des Parametervektors für die eingangs beschriebenen Modelle nach Gig. (6, 7, 8, 12, 13) dar.
Der Parametervektor und die Impedanz kann nach folgender Vorschrift ermittelt werden.
Figure imgf000015_0001
In dieser Vorschrift ist K das Kalman-Gain. Die Matrizen Q, R und P sind geeignet zu initialisieren. Die mit n indizierten Variablen e und w stellen die entsprechenden Fehlerterme dar.
Ein weiteres Verfahren löst ein im Zeitbereich aufgestelltes Gleichungssystem, welches den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung und den Impedanzparametern herstellt.
Figure imgf000015_0004
Die Gleichungssysteme für u(t) und i(t) können für jede beliebige Schaltung mit den existierenden Methoden der Netzwerkberechnung aufgestellt werden.
Mit den Gleichungen für u & i für unterschiedliche Zeiten tk wird ein neues Gleichungssystem mit Hilfe der gleitenden Mittelwerte aufgestellt. Deswegen besitzt es glättende Eigenschaften. Wobei die Mittelwerte in unterschiedlichen Fenstern gebildet werden. In der Vorschrift sind die unterschiedlichen Fenster durch unterschiedliche Indizes (z.B. k, 1 oder kl...km) dargestellt. Im Folgenden werden die Grössen i(t) und u(t) durch die Variablen x(t) und y(t) substituiert.
Figure imgf000016_0003
Sind die Parameter (R,L,C oder deren Verknüpfungen), die nun als Θ bezeichnet werden, in Linearkombinationen im Gleichungssystem enthalten, lässt es sich leicht in Matrizenschreibweise aufstellen.
Figure imgf000016_0001
Die Parameter können nun bestimmt werden mit den folgenden Methode:
Figure imgf000016_0002
Aus den Parametern kann man die Impedanz mit dem Zusammenhang
Figure imgf000016_0004
bestimmen. Da die Verfahren erfindungsgemäss nicht mehr an sinusförmige Signale gebunden sind, können anstelle der sinusförmige Oszillationen erzeugenden Hardware, erfindungsgemäss beliebige Signalformen so auch einfache Recht- oder Dreieck-förmige Signale erzeugende Schaltungen, wie die H-Schaltung, in Kombination mit Kapazitäten verwendet werden. Die Stimulation der Testobjekte kann mit Spannung oder Strom erfolgen. Einfache FET-Stromquellen sind ebenfalls einsetzbar. Das Verfahren stellt keine besonderen Genauigkeitsanforderungen an die Signalformen, was die Stimulationskreise vereinfacht. Wesentliche Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung sind:
1. Das Verfahren ist nicht an spezielle Signalformen gebunden; lediglich die Anzahl der Frequenzkomponenten des Spektrums des Stimulationssignales sollte der Modellordnung angepasst sein. Beispielsweise sollten vorzugsweise mindestens 2 Frequenzen für die Identifikation der Parameter eines Systems 1. Ordnung gewählt werden.
2. Das Verfahren kann sowohl für stationäre als auch für in-stationäre Signalformen
angewendet werden, was die Analysezeit erheblich verkürzt.
3. Die Stimulationskreise können ohne Genauigkeitsverluste vereinfacht werden, was
insbesondere für die Miniaturisierung und für niedrigere Kosten vorteilhaft ist.
4. Mit relativ einfachen Hardwaremodifikationen lassen sich unterschiedliche
Multifrequenz-Signalformen erzeugen, die sich für die schnelle und genaue
Breitbandimpedanzspektroskopie eignen.
5. Im Gegensatz zu den bislang existierenden Standardmethoden zur Bestimmung der (Bio)- Impedanz, die als Fehlermodell normalverteiltes Rauschen voraussetzen, können nun spezielle Prozess- bzw. Randbedingungen besser, z.B. im Modellfehler, modelliert bzw. berücksichtigt werden.
6. Die Vorrichtung zeichnet sich durch besondere Einfachheit gegenüber den bekannten
Standardvorrichten aus.
Eine Signalmodell-basierte Methode für die Impedanzberechnung, welche auch bei instationären Prozessen und Signalen korrekte Impedanzmesswerte gibt, wird im folgenden dargestellt. Sie beruht auf dem Ansatz, die instationären Signalkomponenten explizit in das Signalmodell mit aufzunehmen. Diese Komponenten, wie z.B. Exponentialglieder, werden durch die Polynome einer Taylorreihe bis zur Ordnung K-l modelliert.
Figure imgf000017_0001
Für die Berechnung der Impedanz Zmeas werden die Anteile der Polynome, die mit den
Parametern ß quantifiziert werden, nicht verwendet, sondern - analog zur
Offsetkompensationsmethode - nur die stationären Oszillationsanteile für Strom und Spannung, die mit den Parametern α<u> in der Spannung und α<i> im Strom quantifiziert werden.
Figure imgf000018_0001
Alternativ können diese Parameter auch mit dem Verfahren RLS, WLS, GLS und ELS sowie Kaiman-Filtern ermittelt werden. Die unterschiedlichen Ausprägungen unterscheiden sich im Modell durch a) die Anzahl der Polynome, welche vorzugsweise mit K=2...3 zu wählen ist, und b) die Anzahl der Oszillationen M, welche applikationsabhängig ist.
Bei Vorhandensein eines sog. BIAS dieser explizit berechnet werden und zur Korrektur verwendet werden, was nur für vorzugsweise nur weisse Rauschsignale sinnvolle Ergebnisse leifert. Das angewendete Verfahren ist als CLS bekannt. [18] Alternativ kann die Berechnung des Parametervektors eines Modells für die Impedanz zur Umgehung des BIAS-Problems aber auch mit das sog. Verfahren der Hilfsvariablen (IV...Instrumental Variables) angewendet werden. Hierzu wird eine transponierte Hilfsvariablenmatrix WIV benutzt, mit welcher der Modellfehler durch-multipliziert wird. Als Hilfsvariablen lass sich vorzugsweise die Abtastwerte der Eingangssignale oder die Schätzwerte der ungestörten Ausgangswerte verwenden. Die nicht- rekursive und rekursive Lösung der so entstandenen Gleichungssysteme ergibt das Verfahren, nach welchem der Parametervektor alternativ bestimmt werden kann.
Die oben beschriebenen Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 10 sind für die Anwendung für die Bestimmung der Parameter von Mehrgrössensystemen prädestiniert, sog. MIMO-Systemen, was insbesondere für Impedanz-Tomographie geeignet ist. Im Prinzip wird für jeden Modellausgang ein separates Teilmodell verwendet. Dazu sind die Mess- und Parametervektoren entsprechen [19, 20] zu gruppieren. Die Lösung des Gleichungssystems wendet die oben genannten Verfahren an.
Die Vorrichtungen zur Anwendung der Verfahren gemäss Anspruch 10 bestehen bestehen grundsätzlich aus am Testobjekt angebrachten 2-, 4- oder Mehr-Elektrodensy Sternen, an die Spannungen angelegt oder durch die Ströme eingespeist werden, um das Testobjekt zu stimulieren bzw. anzuregen. Die Ströme und Spannungen werden zeitaufgelösst erfasst. Die Ströme und Spannungen können können mit Strom- oder Spannungsquellen erzeugt werden. Durch das Verfahren werden können auch präzise Ergebnisse erzielt werden, wenn die Stimulationskreise sehr einfach gemäss Anspruch 11 und 12 ausgeführt sind. Das ermöglicht Platz- und Preisvorteile, was insbesondere für die Miniaturisierung und Einwegprodukte, sog. Disposals, von Vorteil ist. Auch können leicht Single-Chip-Lösungen aufgebaut werden.
Bei Vorrichtungen Mehrelektrodensystemen, welche insbesondere für EIT-Systeme verwendet werden, sind dann die Elektroden so am Testobjekt anzubringen, dass die Ströme die interessierenden Teile durchströmen, was mit Filz-, Klebe-, Mikronadel- oder auch Textilelektroden erfolgen kann.
Wege zur Ausführung der Erfindung:
Da das Verfahren und die Vorrichtung zahlreiche Ausfuhrungsalterantiven, die in Kombination an- und verwendet werden können,
Vorrichtungsausführungsbeispiel Gesamtsystem:
Die Vorteile dieser Ausfuhrungsform der Vorrichtung, welche das Verfahren ermöglicht, ergeben sich aus den Ansprüchen 1, 2 und 3.
Fig. 4 zeigt exemplarische Ersatzschaltungen für die elektrisch zu charakterisierenden Testobjekte (TO, 2). Fig. 1 zeigt wie die Testobjekte, TO (2), durch Elektroden (5a...5d) z.B. nach der 4-Elektroden-Methode zu kontaktieren sind. Nach dieser-Methode müssen die Elektroden (5a) und (5d) so mit dem Testobjekt kontaktiert werden, dass über sie der Strom, der das Testobjekt an den relevanten Regionen durchströmen soll, eingespeist wird. Die Elektroden (5b) und (5c) sind so mit dem Testobjekt zu kontaktieren, dass die Spannung über den relevanten, vom Strom durchflossenen, Regionen, gemessen werden kann. Der das Testobjekt durchströmende Strom, i(t) kann durch die Messgeräte (2a) oder/und (2b) zeitaufgelösst erfasst werden, während die über dem Testobjekt abfallende Spannung, u(t), mit dem Messgerät (3) ebenfalls zeitaufgelösst erfasst wird. Grundsätzlich ist nur eines der beiden Strommessgeräte für die Strommessung erforderlich. Die Stimulations-, Auswerte- und Kommunikationseinheit (1) erzeugt den Stimulationsstrom, i(t), welcher das Testobjekt durchströmt, wenn das Testobjekt mit Strom stimuliert bzw. angeregt wird, oder die Stimulationsspannung u(t), welche am Testobjekt angelegt wird, wenn das Testobjekt mit Spannung stimuliert bzw. angeregt wird. Die Stimulation erfolgt mit Strom- oder Spannungsquellen nach [7,8]. Das Verfahren gestattet anstelle von spannungsgesteuerten Stromquellen, welche sinusförmige Oszillationen generieren, erfindungsgemäss auch die Verwendung von einfachen FET-Konstantstromquellen aus Fig. 5 als Stimulationskreise, mit denen sich sequenziell Rechteck-förmige Ströme mit jeweils entgegengesetzter Richtung erzeugen lassen, ohne Genauigkeits- oder Zeitverluste bei der Bestimmung der Impedanz im Vergleich zur Standardmethode zu erhalten. Mit Hilfe der Filtereinheiten (7a...7d), die als passive RC-Schaltungen ausgeführt sein können, lassen sich aus den Rechtecksignalen leicht andere Signalformen, wie beispielsweise Sägezahn-ähnliche Signale, generieren, was Flexibilität im spektralen Inhalt der Multifrequenzsignale gibt. Die Messung des Stromes kann dabei mit Sensoren (6a, 6b) erfolgen, welche mit unterschiedlichen Technologien, welche stromproportionale Grössen ausgeben wie z.B. Shunts, Transformatoren, Hall-Sensoren etc. erfolgen. Fig. 1 und 2 stellen exemplarisch 2 mögliche Positionen für die Strommessung dar. Die Stromsensoren versorgen die Messgeräte (6a und 6b) mit den zeitkontinuierlichen Eingangsgrössen.
Die Messgeräte 3 und 2a,b übermitteln an die Stimulations- und Auswerteeinheit die zeitaufgelössten Messwerte zur Ermittlung der gesuchten Werte. Die Einheiten (7a...7d) sind mögliche Schutz- und Filtereinheiten, die an den eingezeichneten Orten installiert sein können. Die Schutz- und Filtereinheiten können Komponenten zum Zwecke der elektromagnetischen Verträglichkeit und zur Einhaltung des Abtasttheorems enthalten. Die Komponenten 2,3,6,7 können auch in 1 integriert sein, was insbesondere bei der miniaturisierten Impedanzspektroskop nach Anspruch erforderlich ist.
Vorrichtungsausfuhrungsbeispiel Stimulation mit H-Brückenschaltung:
Die Vorteile dieser Ausfuhrungsform des Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 1, 2 und 3. Fig. 2 zeigt für den Fall, dass die Stimulation mit einer H-Brücke erfolgt, wie das Testobjekt, TO (2), durch Elektroden (5) nach der 2 -Elektroden-Methode zu kontaktieren ist, so dass es von einem Strom, i(t), der durch das Messgerät (2) zeitaufgelösst erfasst wird, durchflössen wird, während die über dem Testobjekt abfallende Spannung, u(t), mit dem Messgerät (3) ebenfalls zeitaufgelösst erfasst wird. Mit den Schaltelementen (8), die in der H- Schaltung angeordnet sind, lässt sich der Strom abwechselnd in beide Richtungen in das Testobjekt einspeisen. Die Messung des Stromes kann dabei mit einem Sensor (6) erfolgen.
Vomchtungsausfuhrungsbeispiel Impedanzspektroskop in einer Tablettenkapsel:
Die Vorteile dieser Ausführungsform der miniaturisierten Vorrichtung, welche eine In-Vivo-
Analyse für Diagnostische Zwecke ergeben sich aus Anspruch 5.
Fig. 3 zeigt schematisch, ein auf Tablettengrösse miniaturisiertes Impedanzspektroskop mit den Komponenten 1... Elektroden, 2...Energiespeicher, 3...drahtlose Kommunikationseinheit, 4...digitale Recheneinheit, 5... Stimulationseinheit mit Messgeräten zur zeitaufgelösten Erfassung der Ströme und Spannungen. Im Unterschied zu der oben dargestellte Ausführung, werden hier die elektrischen Eigenschaften der die Tablette umgebenden Materie bestimmt. Für die die Stimulationseinheit sind vorzugsweise die H-Brücke bzw. die FET-Stromquellen zu verwenden. Vorrichtungsausführungsbeispiel Impedanzspektroskop für Lowcost-Anwendungen:
Die Vorteile dieser Ausführungsform der miniaturisierten Vorrichtung, welche eine In-Vivo-
Analyse für Diagnostische Zwecke ergeben sich aus Anspruch 5.
Fig. 3 zeigt schematisch, ein auf Tablettengrösse miniaturisiertes Impedanzspektroskop mit den Komponenten 1... Elektroden, 2... Energiespeicher, 3...drahtlose Kommunikationseinheit, 4...digitale Recheneinheit, 5... Stimulationseinheit mit Messgeräten zur zeitaufgelösten Erfassung der Ströme und Spannungen. Im Unterschied zu der oben dargestellte Ausführung, werden hier die elektrischen Eigenschaften der die Tablette umgebenden Materie bestimmt. Für die die Stimulationseinheit sind vorzugsweise die H-Brücke bzw. die FET-Stromquellen zu verwenden.
Verfahrensausführungsbeispiel OLS:
Die Messgeräte (2) und (3) werden mit einer Abtastrate fA=1/TA betrieben und liefern eine Reihe von Spannungswerten u0, u1...uN-1 und eine Reihe von Stromwerten i0, i1...iΝ-1 AUS diesen Werten bestimmt man die Ersatzparameter R und C für den Fall, dass das Testobjekt (4) mit einer einfachen Parallelschaltung von R & C Fig. 4 approximiert werden kann.
Die folgende Differenzialgleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei einer Parallelschaltung von R und C.
Figure imgf000022_0001
Aus dieser Beziehung kann mit eingangs erwähnten Entwurf zeitdiskreter Darstellungen kontinuierlicher Prozesse via Laplace z-Transformation und bilineare Substitution S=AD(z- 1)/(z+1), AD - TA/2 die zeitdiskrete Gleichung abgeleitet werden [16].
Diese Gleichung ist Grundlage für die Ermittlung der gesuchten Werte R und C. Hierzu werden N Messungen des Stromes (i0, i1...iΝ-1) und der Spannung (u0, u1...UN-1) benötigt, um daraus ein Gleichungssystem mit (N-1) Gleichungen für α0 und α1 aufzustellen, so dass die Parameter berechnet werden können.
Figure imgf000022_0002
In Matrizenschreibweise erhält man folgendes Gleichun ssystem.
Figure imgf000022_0003
Dieses Gleichungssystem wird in folgenden alternative Verfahren zur Berechnung des Parametervektors verwendet: OLS, RLS, TLS, GLS, ELS, WLS und Kaimanfilter.
Aus den Parametern können dann über die Lösung des inversen Problems (R, C)=f 1(Z(z)) die Kapazität C und der Widerstand R ermittelt werden. Aus dem Parametervektor kann aber auch direkt die Impedanz Zmeas ermittelt werden.
Figure imgf000023_0001
Der Parametervektor kann nun mit verschiedenen Methoden ermittelt werden. Vorzugsweise ist N mindestens grösser als die Modellordnung +2, in diesem Fall N> 3. Die Parameterwerte können in diesem Fall mit höherer Genauigkeit ermittelt werden. Beispielsweise können die Parameter mit der Fehlerquadratminimierung nach Gauss bestimmt werden.
Figure imgf000023_0002
Verfahrensausführungsbeispiel RLS:
Ebenso können die Parameter des Ersatzkreises aber auch mit er rekursiven Methode der
Fehlerquadratminimierung (RLS) bestimmt werden.
Figure imgf000023_0003
Der Vergessensfaktor sollte vorzugsweise zwischen 0,8 und 0.99 liegen und P, die sog. Präzisionsmatrix, zwischen 10 E und 10 E.
Verfahrensausführungsbeispiel TLS:
Mit dem untenstehenden Ansatz lassen sich die Parameter des Ersatzkreises ebenso mit der Total Least Square - Methode (TLS)
Figure imgf000023_0004
Zuerst muss das Gleichungssystem kann nach [1] mit der sog. Singulärwertzerlegung (SVD) rechnerisch in Zwischenergebnisse V umgewandelt werden. In einem zweiten Schritt werden aus den Zwischenergebnissen V die Parameter Θ ermittelt, welche sich dann in einen Imedanzverlauf umwandeln lassen.
Figure imgf000024_0001
Verfahrensausfuhrungsbeispiel Kaiman-Filter:
Oder die Parameter können die Parameter aber auch mit einem Kaiman-Filter bestimmt werden.
Figure imgf000024_0002
Verfahrensausfuhrungsbeispiel Offset:
Das folgend ausgeführte Ausführungsbeispiel ermöglicht die Hardware von
Impedanzspektroskopen zuvereinfachen, da die Kompensation von Offsets oder Driften per Rechnung erfolgt. Dazu wird das Offset explizit durch den eingefügten Parameter ξ modelliert bzw. ermittelt. In der Ermittlung der Impedanz verwendet man verwendet nur die Parameter α und ß nicht den Parameter ξ.
Figure imgf000024_0004
In der Ermittlung der Impedanz verwendet man verwendet nur die Parameter α und ß nicht den Parameter ξ.
Figure imgf000024_0003
Figure imgf000025_0006
Verfahrensausführungsbeispiel Signalmodell Kaimanfilter:
Die folgende Ausführungsform des Kaimanfilters, welche sog.„cordische" Darstellungsformen für die Ausfuhrtung trigonometrischer Funktionen verwendet, soll beschrieben werden. Das Signalmodell für Strom und Spannung besteht aus 1 Frequenzkomponente für eine bestimmte Kreisfrequenz und einem Term, der einen linearen Trend zur Offsetkompensation modelliert. Daraus ergeben sich die unten dargestellten applikationsspezifischen
Matrizen.
Figure imgf000025_0004
Figure imgf000025_0005
Möglich wären aber auch folgende
Figure imgf000025_0001
Die Ausfuhrungsvorschrift, die für u und i ausgeführt werden muss, erhält dann folgendes
Aussehen.
Figure imgf000025_0002
Mit den Parametervektoren für u und i kann dann die Impedanz für die bereits festgelegte
Figure imgf000025_0003
Verfahrensausführungsbeispiel Direct Estimation:
Die RC-Parallelschaltung nach Fig. 4b): Die Strom/Spannungs-Beziehung in diesem RC-Glied stellt die Gleichung unten dar. Diese Gleichung wird für unterschiedliche Zeitpunkte tk aufgestellt.
Figure imgf000026_0001
Summiert man die Spannungen u(tk) in 2 aufeinanderfolgenden Fenstern, ergeben sich 2 unterschiedliche Gleichungen, in denen die Parameter R & C jeweils in einer Linearkombination enthalten sind. Die Fenster müssen nicht zwingend aufeinanderfolgend sein. Sie dürfen sich auch überlappen. Die Länge der Fenster für die Summation und die relative Lage der Summationsfenster zueinander, bestimmen die Filtereigenschaften des direkten Parameterestimationsalgorithmus.
Figure imgf000026_0004
Arrangiert man das Gleichungssystem in Matrizenschreibweise, lässt es sich nach dem Vektor, der die Parameter R & C enthält, durch Anwendung der Matrizeninversion umstellen.
Figure imgf000026_0002
Die Parameter können aber auch nach (43b) aus den integrierten Gleichungen (41, 42) ermittelt werden
Figure imgf000026_0003
Aus den Parametern kann man nun die Impedanz errechnen.
Figure imgf000027_0003
RC-Serienschaltung nach Fig.4c): Das Verfahren ermittelt über eine direkten Estimation die Parametern R & C eines einfachen RC-Gliedes im Zeitbereich. Die Strom/Spannungs-Beziehung in diesem RC -Glied stellt die Gleichung unten dar. Diese Gleichung wird für unterschiedliche
Zeitpunkte tk aufgestellt.
Figure imgf000027_0001
Summiert man die Spannungen u(tk) in 2 aufeinanderfolgenden Fenstern, ergeben sich 2 unterschiedliche Gleichungen, in denen die Parameter R & C jeweils in einer Linearkombination enthalten sind. Die Fenster müssen nicht zwingend aufeinanderfolgend sein. Sie dürfen sich auch überlappen. Die Länge der Integrationsfenster, der Fenster für die Summation und die relative Lage der Summationsfenster zueinander, bestimmen die Filtereigenschaften des direkten
Figure imgf000027_0002
Parameterestimationsalgorithmus.
Figure imgf000027_0004
Arrangiert man das Gleichungssystem in Matrizenschreibweise, lässt es sich nach dem Vektor, der die Parameter R & C enthält, durch Anwendung der Matrizeninversion umstellen.
Figure imgf000028_0001
Die Parameter können aber auch nach (47b) aus den differenzierten Gleichungen (45, 46) ermittelt werden
Figure imgf000028_0002
Aus den Parametern kann man nun die Impedanz errechnen.
Figure imgf000028_0003
Diese beiden Verfahren sind nicht mehr an die Periodendauer der tiefsten Harmonischen gebunden. Ebenso nicht an eine spezielle Signalform. Das Beobachtungsfenster lässt sich an die Applikation anpassen. Mit diesem Algorithmus kann ein robustes Impedanzspektroskop aufgebaut werden, mit kürzerer Analysezeit als die Periodendauer der niedrigsten Oszillation.
Ausführungsbeispiel Impedanzspektroskop für Lowcost-Anwendungen:
Mit den heute kommerziell verfügbaren Technologien für das sog.„Embedded Signalprocessing and Control" auf einem einzigen Chip nach Fig. 5, ist es möglich, ein Breitband-Imedanz- Spektroskop mit kommerziellen Mixed-Signal-Microcontrollern aufzubauen. Aus Fig. 7 sind die Vorteile ersichtlich, da funktionell nur ein Chip, eine Batterie, 2 Shunt- Widerstände sowie serielle digitale Kommunikationsverbindungen benötigt werden.
Ausführungsbeispiel Elektrischer Impedanz-Tomograph für die nichtinvasive Diagnose von Brustkrebs oder Lungenödemen:
Das System besteht vorzugsweise aus einem Mehrelektrodensystem, welches beispielsweise in einem breiten Gürtel, T-Shirt oder BH-Körbchen in Form von Textilelektroden eingearbeitet sein können. Die Stimulationskreise können nach Fig. 2 oder 5 ausgeführt sein. Die Ströme und Spannungen können mit Messgeräten zeitaufgelösst erfasst werden und werden zur Auswerteeinheit übermittelt. Das Ergebnis wird an eine Anzeigeeinheit kommuniziert, wo sie ausgegeben wird, was optisch oder auch akustisch erfolgen kann. Die Auswerteeinheit wendet die vorgängig beschriebenen Verfahren für Mehrgrössensysteme gemäss den Ansprüchen 1 bis 9 an.
Formelzeichen
Figure imgf000029_0001
,
Figure imgf000030_0001
Indizes n Index für Abtastwert
kl, km, 1, k Index für Summen in unterschiedlichen Beobachtungsfenstern Referenzen
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Claims

Patentansprüche:
1) Verfahren für eine Impedanzmessfunktion zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mit Hilfe des elektrischen Wechselstromwiderstandes, der Impedanz, bei welchem der Strom, der das Material durchströmt und die Spannung, die über dem Material abfallt, mit einer Rate 1/Ta gemessen werden, um eine Reihe von N Abtastwerten von Strom, i0...iΝ-1 und Spannung u0...uN- 1 ZU erhalten, deren durch den mathematisch-physikalischer Zusammenhang einer elektrischen Ersatzschaltung von beliebig vielen Elementen, wie Induktivitäten, Widerständen oder Kapazitäten etc., durch eine zeitdiskrete Differenzengleichung, der Form
Figure imgf000033_0001
sowie einer anderen abgeleiteten Form dieser Gleichungen beschrieben werden kann
dadurch gekennzeichnet, dass N grösser als die Summe der Modellordnungen für Strom & Spannung, (Mi + Mu), und die Abtastwerte in ein Gleichungssystem, der Form
Figure imgf000033_0002
sowie einer anderen abgeleiteten Form dieser Gleichungen, bei der der Modellausgang auch eine
Kombination von Abtastwerten sein kann, in diese Gleichung eingesetzt werden kann, und so ein
Gleichungssystem überbestimmen, bei dem die Parameter α & ß jeweils Funktionen der
Abtastfrequenz, einer Referenzfrequenz ω0 und der Parameter der Elemente der Ersatzschaltung, wie Induktivitäten, Widerständen oder Kapazitäten etc., der allgemeinen Form im z-Bereich
Figure imgf000033_0003
sind, und dass aus dem überbestimmten Gleichungssystem die Impedanz Zmeas der Form
Figure imgf000033_0004
sowie die Ersatzparameter beliebig vieler Induktivitäten, Widerstände oder Kapazitäten etc.,
Figure imgf000034_0003
(R,L,C etc.) aus den inversen funktionalen Zusammenhängen
unter Verwendung der Fehlerausgleichsrechnung, nach welcher der optimale Parametervektor Θ ermittelt wird, insbesondere der verallgemeinerten, gewichteten der Form
Figure imgf000034_0001
quantitativ bestimmt werden kann, wobei sich im Fall wn=1 das sog. ungewichtete Verfahren ergibt.
2) Verfahren für eine Impedanzmessfunktion für die Charakterisierung von Materialeigenschaften mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der für die Impedanzmessfunktion zu bestimmende optimale Parametervektor Θ, alternativ iterativ unter Anwendung der rekursiven gewichteten
Figure imgf000034_0002
Fehlerausgleichsrechnung, der Form gelösst wird, indem für eine Vielzahl von n ein Näherungswert für Θη bzw. Θ berechnet wird, wobei die Stärke der Wichtung, bzw. die Länge des Gedächtnisses, bzw. Vergessens von der Wahl von λ bestimmt wird, welche vorzugsweise zwischen 0,8...0,99 liegen sollte, während bei der Wahl von λ=1 die Ergebnisse der ungewichteten Methode entsprechen, quantitativ bestimmt werden kann.
3) Verfahren für eine Impedanzmessfunktion für die Charakterisierung von Materialeigenschaften mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der für die Impedanzmessfunktion zu bestimmende optimale Parametervektor alternativ unter Anwendung der totalen Fehlerausgleichsrechnung, der Form quantitativ bestimmt wird,
Figure imgf000035_0002
wobei zuerst muss das Gleichungssystem nach [1] mit der sog. Singulärwertzerlegung (SVD) rechnerisch in Zwischenergebnisse V umgewandelt werden und anschliessend aus den Zwischenergebnissen V die Parameter Θ ermittelt werden, aus welchen sich dann der gewünschte Impedanzverlauf der Impedanzmessfunktion generieren lässt.
4) Verfahren für eine Impedanzmessfunktion für die Charakterisierung von Materialeigenschaften mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der für die Impedanzmessfunktion zu bestimmende optimale Parametervektor
Figure imgf000035_0003
alternativ unter Anwendung von Kaiman-Filtern, der Form
Figure imgf000035_0001
quantitativ bestimmt werden kann, indem das Gleichungssystem für die Modellabweichungen für eine Vielzahl von n mit einem Näherungswert für Θη gelösst wird
5) Verfahren für eine Impedanzmessfunktion für die Charakterisierung von Materialeigenschaften mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Ersatzparameter des Ersatzkreises, wie Induktivität, Kapazitäten und Widerstände etc. offsetkompensiert aus dem optimale Parametervektor © nach den Verfahren nach Anspruch 1-4 , alternativ unter Anwendung eines mit einem Signalmodell für das Offset
Figure imgf000035_0004
kombiniertes Systemmodells , der Form
Figure imgf000036_0001
oder bestimmt werden kann, wobei sowohl die Spannung als auch Strom als Modellausgang und sowohl Strom als auch Spannung als Modelleingang fungieren können, was die aufwendige Offsetkompensation per Hardware in einigen Anwendungen einspart.
5) Verfahren für eine Impedanzmessfunktion, für die Charakterisierung von Materialeigenschaften, mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung, dadurch gekennzeichnet, dass sich aus einem im Zeitbereich aufgestellten Gleichungssystem für einen beliebigen elektrischen Ersatzkreis, der aus Widerständen, Kapazitäten, Induktivitäten etc. nach Fig. 4 bestehen kann, welches auf dem Zusammenhang von Strom und Spannung bzw. deren Abtastwerte sowie über verschiedenen Fenstern gebildete Mittelwerte der Form
Figure imgf000036_0002
die Parameter der Ersatzschaltung sowie die Impedanzverläufe durch Lösen des
Figure imgf000036_0004
Gleichungssystems in der Form
Figure imgf000036_0003
bestimmen lassen, wobei für x und y jeweils Abtastwerte von Strom und Spannung bzw. deren (Mehrfach)-Ableitungen oder (Mehrfach)-Integrale entsprechend deren Kopplung durch den elektrischen Ersatzkreis verwendet werden müssen und die einzelnen Elemente des Parametervektors auch math. -physikalisch verknüpfte Basisparameter, wie Widerstand, Induktivität oder Kapazität, enthalten dürfen.
6) Verfahren für eine Impedanzmessfunktion für die Charakterisierung von Materialeigenschaften mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich mit der Vorschrift der Form
oder
Figure imgf000037_0003
Figure imgf000037_0001
die Parameter der Parallelschaltung einer Kapazität und eines Widerstandes nach Fig. 4b) sowie deren Impedanzverläufe
Figure imgf000037_0004
nach (44) bestimmen lassen, wobei die Summations- und Integrationfenster so zu wählen sind, dass mindestens 2 Abtastwerte darin liegen sollten .
7) Verfahren für eine Impedanzmessfunktion für die Charakterisierung von Materialeigenschaften mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich mit der Vorschrift der Form
Figure imgf000037_0002
oder
Figure imgf000038_0001
die Parameter der Parallelschaltung einer Kapazität und eines Widerstandes nach Fig. 4c) sowie deren Impedanzverläufe
Figure imgf000038_0005
nach (48) bestimmen lassen, wobei die Summations- und Integrationfenster so zu wählen sind, dass mindestens 2 Abtastwerte darin liegen sollten .
8) Verfahren für eine Impedanzmessfunktion für die Charakterisierung von Materialeigenschaften mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz unter Anwendung der Fehlerausgleichsrechnung für Signalmodelle für Strom und Spannung, der Form
Figure imgf000038_0002
unter Anwendung von
Figure imgf000038_0003
oder einem der vorangegangenen Verfahren gemäss den vorangegangenen Ansprüchen zur Ermittlung des optimalen Parametervektor
Figure imgf000038_0004
bestimmt werden kann.
9) Verfahren für eine Impedanzmessfunktion für die Charakterisierung von Materialeigenschaften mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz unter Verwendung des Kaiman-Filters für Signalmodelle der Ordnung (M + 1) für Strom und Spannung, vorzugsweise der Formen
Figure imgf000039_0001
unter Verwendung der Vorschrift, die jeweils für u und i
anzuwenden ist,
Figure imgf000039_0002
bestimmt werden kann, wobei k im Intervall [1...2*M] mit M die Anzahl der Frequenzkomponenten grösser als 1 zu wählen ist und die Zeitauflösung der gewünschten Werte durch Anwendung des adaptiven Verfahrens erheblich erhöht werden kann, insbesondere wenn Impedanzwerte bei tiefen Frequenzen ermittelt werden.
10) Verfahren für eine Impedanzmessfunktion für die Charakterisierung von Materialeigenschaften mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der optimale Parametervektor
Figure imgf000039_0003
für die Impedanzbestimmung , alternativ unter Anwendung der Verallgemeinerten Methode der kleinsten Quadrate (GLS) nach (12), unter Verwendung des Modells Erweiterten Methode der kleinsten Quadrate (ELS) nach (13) sowie dem Verfahren mit Biaskorrektur (CLS), welche spezielle Umgebungsbedingungen bzw. Randbedingungen zusätzlich zu den Modellen, zur Ermittlung der Impedanz, modellieren, oder der Totalen Methode der kleinsten Quadrate (TLS) nach (18, 19) quantitativ bestimmt werden kann. 11) Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mittels Messung des Wechselstromwiderstandes der zu charakterisierenden Materialien zur Ausführung der Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche umfassend
-Stimulationseinheit, welche aus Strom oder Stannungsquellen bestehen kann, sowie Auswerte- und Kommunikations- und Ausgabeeinheit (Fig. 1 (1)),
-Schutz- und Filtereinheit (Fig. 1 (7)), welche unter anderem die Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie des Abtasttheoremes garantieren
-Strom- und Spannungsmessgeräte (Fig. 1 (2,3)), welche Strom und Spannung zeitaufgelösst erfassen
-Elektroden (Fig. 1 (5), 7-10), welche als Klebe- oder Nadelelektroden sowie mit Mikronadeln besetzte Flächen oder Flächen, Stab-, Zylinder-, Kugel, Halbkugel-oder Plattenelektroden sowie flexiblen Textilelektroden beliebiger Form ausgeführt sein können und als Antennen für die Kommunikation fungieren können, wobei
-die Elektroden (Fig. 1 (5), 7-10) mit der Stimulations-, Auswerte- und Kommunikationseinheit (Fig. 1 (1), 7-10) derart miteinander verbunden sind, dass von der Stimulationseinheit generierte der Strom zum einen das Testobjekt durchströmen kann und zum anderen vom Messgerät (Fig. 1 (2)), während die über dem Testobjekt abfallende Spannung durch das Messgerät (Fig. 1 (3) erfasst werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stimulationseinheit, welche im einfachsten Fall nur mit einer FET-Stromquelle zur Strominjektion gemäss Fig.5 oder einem einfachen Schaltelement, über welches eine Spannung angelegt wird, ausgeführt sein kann, das Testobjekt mit geeigneten, frei wählbaren, der Applikation angepassten, Strömen via Elektroden durchfliessen lässt bzw. Spannungen, die ebenfalls frei wählbar der Applikation anpassbar sind, via Elektroden an das Testobjekt anlegt, welche dann mit den Messgeräten zeitaufgelösst erfasst und der Auswerteeinheit übermittelt, die ein Auswertemittel für die Bestimmung der Impedanz Z=f(un, in), der Impedanzparameter (α, ß=f(un, in)) oder der Parameter eines elektrischen Ersatzkreises (R,L,C=f(un, in)) enthält, genutzt werden können und deren Ergebnisse ausgegeben werden können.
12) Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mittels Messung des Wechselstromwiderstandes der zu charakterisierenden Materialien nach Anspruch 11
umfassend -Stimulationsschaltung, bestehend aus einer H-Schaltung, bei der die Schaltelemente (Fig. 2 (8)) elektronisch oder elektromechanisch ausgeführt sein können
-Schutz- und Filtereinheit, die als einfache pasive RC-Filter (Fig. 1 (7)) ausgeführt sein können, wobei die Messgeräte (Fig. 2 (2,3) ) so angeordnet sind, dass sie den Strom durch das Testojekt und die Spannung über dem Testobjekt erfassen,
dadurch gekennzeichnet, dass über die H-Schaltung einfach sequenziell entgegengesetzt fliessende Ströme in das Testobjekt eingespeist werden, welche vorzugsweise bereits auch mit binären Ausgängen konventioneller Mikrokontroller (BO) gemäss Fig. 7 ausgeführt werden kann, wobei die Signalform, beispielsweise eine Rechteckform, einfach durch die vorzugsweise passive Filtereinheit, beispielsweise durch eine RC-Schaltung in eine andere Signalform, beispielsweise eine Sägezahnform, umgewandelt werden kann, wobei sich die Stimulationssignale Strom und Spannung einfach mit den Spannungsfällen über Shunts gemäss Fig. 7 erfassen lassen, wobei grundsätzlich nur ein Shunt erforderlich wäre.
13) Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mittels Messung des Wechselstromwiderstandes der zu charakterisierenden Materialien nach den Ansprüchen 11 und 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auch zusammen mit mehr als 4 Elektroden für elektrische Impedanz-Tomographie (EIT) verwendet werden kann, wobei die Anzahl der Messstellen für Strom und Spannung die Raumauflösung erhöht.
14) Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mittels Messung des Wechselstromwiderstandes der zu charakterisierenden Materialien nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass das die Stimulationssignale auch kapazitiv über Kapazitäten bzw. Kondensatoren unterschiedlicher Geometrie oder induktiv, über Spulen unterschiedlicher Geometrie oder Transformatoren, zur Stimulation des Testobjektes eingekoppelt werden können.
15) Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mittels Messung des Wechselstromwiderstandes der zu charakterisierenden Materialien nach einem oder mehrerer der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das die gemessenen Signale von Strom und Spannung auch kapazitiv, über Kapazitäten bzw. Kondensatoren unterschiedlicher Geometrie, oder induktiv, über Spulen unterschiedlicher Geometrie, Transformatoren, zur Impedanz- bzw. Parameterbestimmung ausgekoppelt werden können, wodurch die gewünschte Sensorfunktion auch ohne direkten galvanischen Kontakt zum Testobjekt, also von „aussen", wenn sich das Testobjekt innerhalb eines elektrisch und magnetisch nicht schirmenden Gefässes oder Rohres befindet, ausführbar ist.
16) Anwendung des Verfahrens für eine Impedanzmessfunktion zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche
- zur Detektion von Substanzen, wie Eiweisse (Proteine), Schadstoffen, Öl (Lipide), Glukose, Wasser, Kohlenwasserstoffe, sowie deren Gemische, in Materialien, Geweben, Flüssigkeiten, Dispersionen und Emulsionen zur Charakterisierung von biologischen und nicht-biologischen Materialien, Flüssigkeiten, Dispersionen, Emulsionen und Geweben,
- zur Aufnahme des Impedanzspektrums unterschiedlicher biologischer sowie nicht-biologischer Materialien, Geweben, Flüssigkeiten, Schichten (auch Ionenschichten),
- als Mittel zur schnellen Ermittlung des Impedanzspektrums von Zysten, Lipomen, Karzinomen, Sarkomen, Ödemen anhand dem Körper entnommener Proben
- als Mittel zur Durchführung von zytologischen, toxikologischen, ökotoxikologischen und allergologischen Tests,
- als Mittel zur Impedanzmyographie, wobei Stimulation und Messung auch über Textilelektroden, welche an einem oder mehreren Gürteln angebracht sein können,
- zur Beobachtung bzw. Monitoring, Steuerung und Regelung Verfahrens- und biotechnologischer Prozesse, wie der Biotreib- und Rohstoffproduktion, unter Nutzung von Algen, Cyanobakterien sowie anderen Mikroorganismen oder Enzymen sowie zur Bestimmung von Reaktionskonstanten, wie z.B. der Michaelis-Mentenkonstanten in enzymatischen Reaktionen,
- zur Qualitätskontrolle von Lebensmitteln, wie Getränke z.B. Säfte, Wein, Bier, Milch und deren Produkte, Fleisch, Fisch, Honig, Eier, Mehl, Gemüse, wie Bananen, Tomaten, Kirschen, Pilzen Futtermittel, wie Heu oder Silage, Pharmaka sowie Zwischenprodukten, in Produktion, Auslieferung oder Lagerung
- zur Qualitätskontrolle von Lebensmitteln hinsichtlich der Verfikation, Identifikation der Herkunft von Fleisch, Fisch (Delfin, Wal, Hai, Schwein, etc.)
- zur Qualitätskontrolle von Spermien, Stammzellen in Produktion, Auslieferung oder Lagerung
- zur Qualitätskontrolle von kühl bzw. cryotechnisch gelagerten Produkten, wie Stammzellen, Spermien, zu transplantierenden Organen oder Blut - zum Monitoring von Pflanzenwachstum, sowie dem Monitoring Pflanzen-physiologischer Parameter
- als Mittel zur Impedanzmessung für sog. Herz- und Hirnschrittmacher, für die Steuerung, das Monitoring
- als Mittel zur Fruchtwasseruntersuchung,
- als Mittel zur optimalen Platzierung und der Überwachung/Feststellung der aseptischen Lockerung von Implantaten
- zur Korrosionsanalyse, Korrosionsdetektion und Korrosionsmonitoring,
- zur Bestimmung der Zusammensetzung, des Feuchtegehaltes und der Viskosität von Materialien, Dispersionen und Emusionen
- zum In-Situ-Monitoring der Qualität bzw. Zusammensetzung von Trink- und Abwasser sowie verfahrenstechnischer Produkte in Prozessen,
- zur Beobachtung bzw. Monitoring von zellulären Wachstums- und Differenzierungs- und Transformationsprozessen, Zelle-Zelle-Interaktionen, Zellhaftung, Zellform, Zellgrösse, Zellmenge, Aktivität der Ionenkanäle, Zellmetabolismus, insbesondere in Invivo und Invitro- Systemen,
-als Mittel zur Bestimmung des Zustandes von Filtern oder Membranen in Filtern, (Mikro)- (Bio)-Reaktoren oder künstlichen Organen, wie einer künstlichen Pankreas oder einem Dialysesystem, wobei die Spacer/Abstandshalter/Stabilisatoren welche etwaige die Membranen oder Filter evtl. umgeben multifunktional als Elektroden benutzt werden könnten
- zur Bestimmung der Dicke und Ausdehnung und Einwachsen von biologischen und nichtbiologischen Schichten,
- zur Beobachtung, bzw. dem Monitoring, Steuerung und Regelung von Prozessen in (Mikro)- (Bio-)-Reaktoren, oder disposable (Membran)-Reaktoren
-zur Charakterisierung und Identifikation von Bakterien, Viren und anderen Mikroorganismen wie z.B. Identifikation der unterschiedlicher Stadien des Malaria-Zyklus in Blut
-zur Beobachtung der Aktivität von Ionenkanälen in Zellen oder des Zell-Metabolisums
-zur Charaktersierung und Identifikation von Nanopartikeln
-zur Beobachtung der vulkanischen und seismischen Aktivität in Regionen
-als Mittel zum Monitoring und Feststellung der Wiederherstellung der Barrierefünktion der
Haut und zur objektiven Erkennung der Propriorezetion bzw. der Funktion der Propriorezeptoren,
- als Mittel zum Monitoring des Wasserhaushaltes von Menschen, oder Glukose in Schweiss, Blut, Urin, zur Monitoring, Feststellung der Blutgerinnung - zur Entwicklung intelligenter medizinischer Geräte, wie beispielsweise das intelligente Skalpell, welches vor dem Schnitt das Vorhandensein von Krebszellen verifiziert
dadurch gekennzeichnet dass, die jeweils gewünschte Sensorfunktion in Echtzeit durch Anwendung der Impedanz-Messung„Marker-frei", d.h. dass die Substanzen detektiert werden können, ohne Zugabe spezieller Marker-Substanzen, welche sich nach unterschiedlichen Mechanismen an die zu detektierenden Substanzen heften, sowie sehr schnell ein Breitbandiges Spektrum erzeugt werden kann, wobei die Funktion in einem Bruchteil der Periodendauer der tiefsten Oszillation des Spektrums betragen kann, ein ausführbar ist.
17) Verwendung der Vorrichtung zur Ausfuhrung des Verfahrens für eine Impedanzmessfunktion zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche als Mittel
- zur Detektion von Substanzen, wie Eiweisse (Proteine), Schadstoffen, Öl (Lipide), Glukose, Wasser, Kohlenwasserstoffe, sowie deren Gemische, in Materialien, Geweben, Flüssigkeiten, Dispersionen und Emulsionen zur Charakterisierung von biologischen und nicht-biologischen Materialien, Flüssigkeiten, Dispersionen, Emulsionen und Geweben,
- zur Aufnahme des Impedanzspektrums unterschiedlicher biologischer sowie nicht-biologischer Materialien, Geweben, Flüssigkeiten, Schichten (auch Ionenschichten),
- als Mittel zur schnellen Ermittlung des Impedanzspektrums von Zysten, Lipomen, Karzinomen, Sarkomen, Ödemen anhand dem Körper entnommener Proben
- als Mittel zur Durchführung von toxikologischen, ecotoxikologischen und allergologischen Tests,
- als Mittel zur Impedanzmyographie, wobei Stimulation und Messung auch über Textilelektroden, welche an einem oder mehreren Gürteln angebracht sein können,
- zur Beobachtung bzw. Monitoring, Steuerung und Regelung Verfahrens- und biotechnologischer Prozesse, wie der Biotreib- und Rohstoffproduktion, unter Nutzung von Algen, Cyanobakterien sowie anderen Mikroorganismen oder Enzymen sowie zur Bestimmung von Reaktionskonstanten, wie z.B. der Michaelis-Mentenkonstanten in enzymatischen Reaktionen,
- zur Qualitätskontrolle von Lebensmitteln, wie Getränke z.B. Säfte, Wein, Bier, Milch und deren Produkte, Fleisch, Fisch, Honig, Eier, Mehl, Gemüse, wie Bananen, Tomaten, Kirschen, Pilzen Futtermittel, wie Heu oder Silage, Pharmaka sowie Zwischenprodukten, in Produktion, Auslieferung oder Lagerung
- zur Qualitätskontrolle von Lebensmitteln hinsichtlich der Verfikation, Identifikation der Herkunft von Fleisch, Fisch (Delfin, Wal, Schwein)
- zur Qualitätskontrolle von Spermien, Stammzellen in Produktion, Auslieferung oder Lagerung
- zur Qualitätskontrolle von kühl bzw. cryotechnisch gelagerten Produkten, wie Stammzellen, Spermien, zu transplantierenden Organen oder Blut
- zum Monitoring von Pflanzenwachstum, sowie dem Monitoring Pflanzen-physiologischer Parameter
- als Mittel zur Impedanzmessung für sog. Herz- und Hirnschrittmacher, für die Steuerung, das Monitoring
- als Mittel zur Fruchtwasseruntersuchung,
- als Mittel zur optimalen Platzierung und der Überwachung/Feststellung der aseptischen Lockerung von Implantaten
- zur Korrosionsanalyse, Korrosionsdetektion und Korrosionsmonitoring,
- zur Bestimmung der Zusammensetzung, des Feuchtegehaltes und der Viskosität von Materialien, Dispersionen und Emulsionen
- zum In-Situ-Monitoring der Qualität bzw. Zusammensetzung von Trink- und Abwasser sowie verfahrenstechnischer Produkte in Prozessen,
- zur Beobachtung bzw. Monitoring von zellulären Wachstums- und Differenzierungs- und Transformationsprozessen in Invitro-Systemen,
-als Mittel zur Bestimmung des Zustandes von Filtern oder Membranen in Filtern, (Mikro)- (Bio)-Reaktoren oder künstlichen Organen, wie einer künstlichen Pankreas oder einem Dialysesystem, wobei die Spacer/ Abstandshalter/Stabilisatoren welche etwaige die Membranen oder Filter evtl. umgeben multifunktional als Elektroden benutzt werden könnten
- zur Bestimmung der Dicke und Ausdehnung und Einwachsen von biologischen und nichtbiologischen Schichten,
- zur Beobachtung, bzw. dem Monitoring, Steuerung und Regelung von Prozessen in (Mikro)- (Bio) -oder disposable (Membran)-Reaktoren
-zur Charakterisierung von Bakterien
-zur Charaktersierung und Identifikation von Nanopartikeln
-zur Beobachtung der vulkanischen und seismischen Aktivität in Regionen -als Mittel zum Monitoring und Feststellung der Wiederherstellung der Barrierefunktion der Haut und zur objektiven Erkennung der Propriorezetion bzw. der Funktion der Propriorezeptoren, - als Mittel zum Monitoring des Wasserhaushaltes von Menschen, oder Glukose in Schweiss, Blut, Urin, zur Monitoring, Feststellung der Blutgerinnung,
dadurch gekennzeichnet dass, die jeweils gewünschte Sensorfunktion durch Anwendung der Impedanz-Messung„Marker-frei", d.h. dass die Substanzen detektiert werden können, ohne Zugabe spezieller Marker-Substanzen, welche sich nach unterschiedlichen Mechanismen an die zu detektierenden Substanzen heften, sowie sehr schnell ein breitbandiges Spektrum erzeugt werden kann, wobei die Funktion in einem Bruchteil der Periodendauer der tiefsten Oszillation des zu analysierten Spektrums betragen kann, ein ausführbar ist.
18) Anwendung des Verfahrens für eine Impedanzmessfunktion zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche in zeitlich synchroner Kombination mit optischen und akustischen Analysemethoden, wie Mikroskopie, IR-Spektroskopie, VIS- Spektroskopie, Fluoreszenz-Spektroskopie und/oder (Ultra)- Schall- Analyse bzw. -Spektroskopie zur Bestimmung von Materialeigenschaften,
dadurch gekennzeichnet dass, die gewünschte Sensorfunktion durch die verknüpfte Anwendung und Auswertung mehrerer unterschiedlicher Sensorprinzipien aufgrund der Korrelationsfreiheit der jeweiligen Störungen, aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Entstehungsmechanismen, sensitiver und auch schneller ausführbar ist.
19) Verwendung der Vorrichtung zur Ausfuhrung des Verfahrens für eine Impedanzmessfunktion zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche in zeitlich synchroner Kombination mit optischen und akustischen Analysemethoden, wie Mikroskopie, IR-Spektroskopie, VIS-Spektroskopie, Fluoreszenz-Spektroskopie und/oder (Ultra)-Schall-Analyse bzw. -Spektroskopie
zur Bestimmung von Materialeigenschaften,
dadurch gekennzeichnet dass, die gewünschte Sensorfunktion durch die verknüpfte Anwendung und digitale Auswertung mehrerer unterschiedlicher Sensorprinzipien aufgrund der Korrelationsfreiheit der jeweiligen Störungen, aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Entstehungsmechanismen, sensitiver und auch schneller ausführbar ist.
20) Anwendung des Verfahrens für eine Impedanzmessfunktion zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche innerhalb einer verschluckbaren endoskopischen Kapsel, welche zus. Bild- und Temperaturinformation auch Impedanzmesswerte nach aussen drahtlos übermitteln kann, oder innerhalb einer Pipette, bei der die erforderlichen Elektroden in die Pipettenspitze integriert sind,
-zur Erhöhung der Qualität der Kapselendoskopie durch Impedanzmesswerte
-zur Effizienzerhöhung der Pipettierung
dadurch gekennzeichnet dass, die Impedanzmessfunktion kostengünstig miniaturisiert implementiert werden kann, sowie sehr schnell ein breitbandiges Impedanzspektrum, aus dem die Leitfähigkeit abgeleitet werden kann, erzeugt werden kann, wobei die Funktion in einem Bruchteil der Periodendauer der tiefsten Oszillation des zu analysierten Spektrums betragen kann, ein ausführbar ist.
21) Verwendung der Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens für eine Impedanzmessfunktion zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften von Materialien mit Ermittlung der Impedanz aus den Abtastwerten von Strom und Spannung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche innerhalb einer verschluckbaren endoskopischen Kapsel, welche zus. Bild- und Temperaturinfoimation auch Impedanzmesswerte nach aussen drahtlos übermitteln kann, oder innerhalb einer Pipette, bei der die erforderlichen Elektroden in die Pipettenspitze integriert sind, oder innerhalb einer Pipette, bei der die erforderlichen Elektroden in die Pipettenspitze integriert sind,
-zur Erhöhung der Qualität der Kapselendoskopie durch Impedanzmesswerte
-zur Effizienzerhöhung der Pipettierung
dadurch gekennzeichnet dass, die Impedanzmessfunktion kostengünstig miniaturisiert implementiert werden kann, sowie sehr schnell ein breitbandiges Impedanzspektrum, aus dem die Leitfähigkeit abgeleitet werden kann erzeugt werden kann, wobei die Funktion in einem Bruchteil der Periodendauer der tiefsten Oszillation des zu analysierten Spektrums betragen kann, ein ausführbar ist.
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