-
Gerät zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von
-
Körperflüssigkeit Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung
der elektrischen Leitfähigkeit von Körperflüssigkeit an lebendem Gewebe, mit einem
in den Körper einsetzbaren Sensor und einem zugeordneten elektrischen Auswertegerät.
-
Bei einem bekannten Gerät dieser Art, das zur Messung der elektrischen
Leitfähigkeit des Vaginalschleimes für die Brunftfeststellung beim Rind dient (Zuchthygiene
7, 56 - 61, 1972), ist als Sensoreinheit ein Plexiglasstab vorgesehen, auf dem zwei
voneinander isolierte metallische Ringelektroden angeordnet sind. Die quantitative
Meßwertbestimmung geschieht in der Weise, daß die Sensoreinheit in die Vagina eingeführt
wird und ein daran angeschlossenes Wechselstrom-Ohmmeter dazu dient, den elektrischen
Widerstand des Vaginalschleimes mit einem Zeigerinstrument anzuzeigen.
-
Derartige Geräte sind jedoch für praktische Anwendungen nicht ohne
weiteres geeignet, weil bei jeder Messung eine tiermedizinisch fachgerechte Bedienung
erforderlich ist. Um miteinander vergleichbare Meßergebnisse zu erzielen, muß ferner
sichergestellt sein, daß die Elektroden immer ganz von Vagnialschleim umgeben sind,
da eine nur teilweise Benetzung einen zu hohen elektrischen Widerstand vortäuschen
würde. Die praktische Konsequenz ist, daß die Lage der Sensoreinheit in der Vagina
so lange variiert werden muß, bis die Anzeige des Meßinstruments ein Minimum wird.
Diese umständliche Handhabung mit einer relativ großen Sensoreinheit führt ferner
zu einer gewissen Beeinträchtigung des Probanden, so daß im allgemeinen nur 1 -
2 Messungen pro Tag durchgeführt werden können. Vor jeder neigen Messung muß ferner
die Sondeneinheit gereinigt und desinfi -ziert werden, um Meßwertverfälschungen
zu vermeiden und Infektionen vorzubeugen.
-
Da täglich nur eine verhältnismäßig geringe Anzahl von Messungen durchführbar
ist, kann es zu Fehlinterpretationen der Meßwerte kommen, weil statistische und
tageszeitlich bedingte Schwankungen auftreten können, welche in der gleichen Größenordnung
wie das zu erkennende Ereignis (z.B. Eisprung) liegen.
-
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Gerät der eingangs genannten
Art unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten
derart zu verbessern, daß zuverlässigere Meßergebnisse bei möglichst einfacher Handhabung
des einsetzbaren Sensorserzielbar sind.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Gerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Besondere Vorteile der Erfindung sind bei der Verwendung einer derartigen
eingekapselten Radiosonde darin zu sehen, daß sie beispielsweise während einer mehrwöchlgen
Meßdauer im Tier verbleiben kann, so daß das sonst bei jeder Messung am Tier notwendige
Manipulieren entfällt. Die Sorde arbeitet automatisch und ermittelt z.B. jede Stunde
einen Meßwert, der abgespeichert wird und zu einem geeigneten Zeitpunkt abgerufen
werden kann. Bei einer laufenden Überwachung einer größeren Anzahl von Tieren können
die Meßwerte über einen ganzen Tag aufsummiert werden, und diese Summe kann zu einer
Mittelwertberechnung an das Auswertegerät übertragen werden. Es ist lediglich ein
einziges Auswertegerät erforderlich, zu dem die Übertragung erfolgt, wenn die Tiere
sicn nacheinander am selben Ort befinden, beispielsweise am Melkplatz. Für die Meßwertübertragung
kann dabei für alle Sonden die gleiche HF-Frequenz benutzt werden. Eine individuelle
Identifikation geschieht entweder manuell oder automatisch durch eine unterschiedliche
NF-Modulationsfrequenz.
-
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert
werden. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Geräts gemäß der Erfindung;
Fig. 2 a und 2 b einen Längsschnitt bzw. einen Querschnitt durch eine Radiosonde
gemäß der Erfindung; Fig. 3 a ein Blockschaltbild einer Radiosonde gemäß der Erfindung;
Fig. 3 b ein Blockschaltbild des Telekommandoempfängers; Fig. 4 eine schematische
Darstellung eines Längsschnitts durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer
Radiosonde gemäß der Erfindung; Fig. 5 a und 5 b eine schematische Darstellung einer
Befestigungseinrichtung einer Radiosonde gemäß der Erfindung; Fig. 6 eine grafische
Darstellung des Tagesverlaufs des elekrischen Widerstands von Vaginalsekret; und
Fig. 7 eine grafische Darstellung des Verlauf der errechneten Tagesmittelwerte über
45 Tage.
-
Bei. dem in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellten Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung sind zwei aufeinander abgestimmte Hauptkomponenten vorgesehen,
nämlich eine einsetzbare Radiosonde und ein kombiniertes Steuer- und Auswertegerät.
Die Radiosonde enhält eine Kontrollelektronik mit einem Zeitgeber zur Steuerung
der Arbeitsweise der Sonde, so daß die Sonde in periodischen Zeitabständen die gewünschten
Meßwerte mit Hilfe eines Sensors ermittelt, dem zur Meßwerterfassung ein Präzisionssignalwandler
nachgeschaltet ist. Die Variation seines digitalen Ausgangssignals ist proportional
der Variation der Meßgröße. Die so gewonnene digitale Information wird nun je nach
Anwendungsfall vorverarbeitet, z.B. zur späteren Mittelwertbildung aufaddiert und
abgespeichert. Die Radiosonde enthält ferner einen Telekommandoempfänger und einen
Telemetriesender.
-
Das Steuer- und Auswertegerät enthält einen Telekommandosender und
einen Telemetrieempfänger. Mit der Telekommandoeinrichtung ist es deshalb zu jedem
beliebigen Zeitpunkt möglich, den in der Radiosonde enthaltenen Telemetriesender
zu aktivieren, um den im Digitalteil gespeicherten Zahlenwert drahtlos an das Auswertegerät
zu übermitteln, wo er numerisch angezeigt werden kann. Zusätzlich kann ein Ausdrucken
mit anderen, zugeordneten Informationen wie Zeitangaben etc. erfolgen, sowie eine
weitere Verarbeitung mit EDV-Mitteln.
-
Fig. 2 zeigt die Struktur eines Ausführungsbeispiels einer einsetzbaren
Radiosonde 1 gemäß der Erfindung. An einem '.lermetisch & gedichteten Gehäuse
2 aus Titan sind Sensorkontakte 3 angeordnet. Titan findet vorzugsweise als Gehäusematerial
Verwendung,weil dieses Material neben einer guten physiologischen Verträglichkeit
eine erhebliche Gewichtseinsparung gegenüber anderen noch in Frage kommenden Materialien
bietet. Das Gehäuse ist in zwei Kammern 4,5 unterteilt. Die eine Kammer 5 ist nach
dem
Entfernen eines mit einem Silikondichtring 6 versehenen Schraubdeckels 7 zugänglich
und nimmt eine austauschbare Lithium-Knopfzelle 8 auf. Die andere Kammer 4 enthält
einen Elektronikblock 9 und ist durch Schweißnähte 10 hermetisch dicht verschweißt.
In der Wand der Kammer 4 sind eingeschmolzene Abdichtungen 10' aus Glas für die
Sensorkontakte 3 bzw.
-
für die elektrische Durchführung 11 einer Antenne 12 vorgesehen, die
von einer Silikonschutzhülse 13 umgeben ist.
-
Der Elektronikblock 9 ist in hybrider Dickfilmtechnologie aufgebaut
unter Verwendung von Goldleiterbahnen, gedruckten Widerständen und ungekapselten
integrierten Schaltungen. An einem Substrathalter 15 sind die Schaltung 16 zur Meßwerterfassung,
die Kontrollelektronik und der Datenspeicher 17, der Zeitgeber 18, der Telemetriesender
19 und der Telekommandoempfänger 20 angeordnet.
-
Der Telekommandoempfänger 20 stellt eine Besonderheit des Schaltungskonzeptes
der einsetzbaren Radiosonde dar. Je nach den Einsatzbedingungen ist der günstigste
Kompromiß zwischen der Leistungsaufnahme, der Unempfindlichkeit gegenüber Störsignalen
und der Empfangsempfindlichkeit zu wählen. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
beträgt der Stromverbrauch bei einer Speisespannung von 3V lediglich 3,5 P A. Die
dabei erzielte Eingangsempfindlichkeit ermöglicht unter Verwendung eines Telekommandosenders
mit ca. 5W HF-Leistung eine Reichweite von etwa 4m.
-
Die Elektronik der Sonde ist sowohl vom Konzept als auch von der verwendeten
Technologie her auf extrem geringen Leistungsverbrauch ausgelegt. Die mittlere Stromaufnahme
beträgt 6,5gsA.
-
Da der Telemetriesender im eingeschalteten Zustand wesentlich mehr
verbraucht, hängt die Betriebsdauer ohne Batterizechsel sehr stark von der Anzahl
der Datenübertragungen pro Tag ab.
-
Unter der Voraussetzung, daß diese durchschnittlich einmal pro Tag
erfolgt, kann die Sonde ca. 1,5 Jahre ohne Batteriewechsei betrieben werden.
-
Fig. 3 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild der Radiosonde in Fig.
2.
-
Der herstellungstechnische Aufwand zur Herstellung der in Fig.
-
2 und 3 dargestellten Radiosonde ist verhältnismäßig hoch, weil bei
diesem Ausführungsbeispiel die Elektronik beispielsweise mit 18 integrierten Schaltungen
aufgebaut ist. Es ist jedoch auch möglich, alle Funktionen in einer einzigen speziellen
'ntegrierten Schaltung zu realisieren.
-
Ferner sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Antennen
für Telemetrie und Telekommando als isolierte Drähte von beispielsweise 12 cm Länge
aus der eingekapselten Radiosonde herausgeführt. Deshalb besteht die Gefahr einer
Antennenbeschädigung, weil der Draht leicht abgerissen werden kann.
-
Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß der Draht immer in seiner
Lage ausgerichtet werden muß, um eine optimale Abstrahlung zu erhalten.
-
Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung einer Radiosonde gemäß
der Erfindung, mit der Schwierigkeiten der genannten Art weitgehend vermieden werden
können. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Gehäuse 25 vorgesehen, das aus einer
Silikonumhüllung besteht, welches Material mit dem Gewebe verträglich ist und zusätzlich
eine Feuchtigkeitsisolation gewährleistet.
-
Durch eine Ferritschicht 26 wird das Innere einer Antennenspule 27
weitgehend teldfrei, wodurch ihre elektrischen Eigenschaften vom Material der Elektronikverkapselung
28 unabhängig werden, daß auch ein metallisches Gehäuse Verwendung finden kann.
Wird ein Kunststoffgehäuse verwendet, liegt der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels
darin, daß beim Einschalten der Telemetrie-oder Telekommandoeinrid#tung nicht mit
HF-Störungen der Elektronik gerechnet werden muß.
-
Wegen der angestrebten geringen Baugröße der Radiosonde kommt praktisch
nur die Verwendung von Knopfzellen in Frage, beispielsweise Primärelemente in Lithium-Technologie,
welche bei einer Betriebsspannung von 3,2 V eine verhältnismäßig hohe energiedichte
pro Volumeneinheit besitzt. Nach Verbrauch dieser Energie müßte jedoch das Gehäuse
der Radiosonde geöffnet werden, um eine neue Batterie einzusetzen. Diese Schwierigkeit
könnte bei Verwendung eines wiederaufladbaren Akkummulators vermieden werden. Die
Kapazität dieses Akkummulators ist derart zu bemessen, daß die Radiosonde für die
durchschnittliche Dauer eines Meßeinsatzes von beispielsweise 50 Tagen einwandfrei
funktioniert.
-
Danach kann der Akkummulator wieder aufgeladen werden, entweder unter
Verwendung der sowieso an der Außenseite der Radiosonde angebrachten Elektroden,
oder unter Ausnutzung des Transformatorprinzips induktiv über die Antennenspule.
Auf diesem Wege könnte die Energieversorgung der Radiosonde evtl. auch während des
Meßeinsatzes geschehen.
-
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Befestigungseinrichtung
für eine Radiosonde 1 gemäß der Erfindung. Wenn die Radicsonde beispielsweise für
die elektrische Schleimwiderstandsmessung verwendet werden soll, muß sie in der
Vagina für die Dauer der Messung befestigt werden. Dies geschieht bei dem Ausführungsbeispiel
in Fig. 2a mit Hilfe einer Befestigungsöse 14, mit der die Radiosonde in verhältnismäßig
aufwendiger Weise eingenäht werden kann. Fig. 5 zeigt eine im Vergleich dazu vereinfachte
Befestigungseinrichtung, die aus einer federbelasteten Befestigungsklammer 30 besteht,
die im Prinzip wie eine Wäscheklamrter ausgebildet ist. Da das Vaginalgewebe in
der Nähe der Portio nicht schmerzempfindlich ist, können die Klammerenden zur besseren
Fixierung auch spitz ausgeführt werden.
-
Fig. 6 zeigt als typisches Beispiel den normierten Verlauf des elektrischen
Widerstands des Vaginalsekrets über einen Zeitraum von 24 Stunden. Ermittelt man
daraus den statistischen Mittelwert, so ergibt sich ein Tagesmittelwert. Der Verlauf
dieser Tagesmittelwerte über einen Zeitraum von 45 Tagen ist in Fig. 7
dargestellt,
wobei der aus der Literatur bekannte signifikante Abfall des elek#rischen Widerstands
des Vaginalsekrets zur Zeit des Einsprungs deutlich zu erkennen ist.
-
In Verbindung mit diesen grafischen Darstellungen und den beschriebenen
Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung soll im folgenden die Arbeitsweise näher
erläutert werden. Zunächst werden die täglich ermittelten Tagesmittelwerte für jedes
zu beobachtende Tier in der Abfragestation zur Ermittlung eines gleitenden Mittelwerts
automatisch abgespeichert. Damit werden die aktuellen Tagesmittelwerte verglichen.
Auf diese Weise wird ein signifikanter Abfall des Widerstandswerts wie in Fig. 7
ohne weiteres erkannt und angezeigt. Diese Art der Ereigniserkennung berücksichtigt,
daß bei jedem Tier mit anderen Absolutwerten des Widerstands zu rechnen ist.
-
Um über eine bestimmte, zwischen Telekommandosender und Telekommandoempfänger
bestehende räumliche Entfernung eine Signalverbindung zu erreichen, ist es ferner
bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich, die Empfängerempfindlichkeit
und abgestrahlte HF-Sendeleistung aufeinander abzustimmen. Die HF-Sendeleistung
unterliegt keinen systembedingten Einschränkungen, wenn man von der Beachtung postalischer
Bestimmungen absieht, so daß die Anpassung an die gewählte bzw. erreichbare Empfängerempfindlichkeit
kein Problem darstellt. In dem Auswertegerät kann beispielsweise ein 100% amplitudenmodulierter
Kurzwellensender mit einer abgestrahlten HF-Leistung von ca. 5W verwendet werden.
-
Unter diesen Umständen genügt es, den HF-Eingangsteil des Telekommandoempfängers
als passiven Resonanzkreis auszuführen. Der überwiegende Teil der Selektion sowie
der Verstärkung des demodulierten Telekommandosignals erfolgt im NF-Bereich, da
hier elektronische Verstärker zu realisieren sind, die auch bei kleinen Versorgungströmen
ein ausreichend hohes Verstärkungs-Bandbreite-
Produkt haben, Kernstück
des Telekommandoempfängers ist deshalb ein selektiver Verstärker, aufgebaut mit
einem programmierbaren Operationsverstärker vom Typ LM 4250. Seine Eigenschaften
<Leistungsverbrauch, Verstärkung, Bandbreite etc.) sind innerhalb eines weiten
Bereichs durch einen Steuerstrom anstell-bar.
-
Dieser kann mit 1 Q A so gewählt werden, daß der Phasenspielraum des
Verstärkers minimal wird. Zusammen mit einer auf das verbleibende Verstärkungs-Bandbreite-Produkt
abgestimmten frequenzabhängigen Gegenkopplung wirkt die Schaltung dann als aktives
Sandfilter hoher Güte. Die Mittenfrequenz liegt speisespannungsabhängig zwischen
200 und 250 Hz, bedingt durch die Speisespannungsabhängigkeit der Phasendrehung.
Dieser Nachteil, der normalerweise nur durch Maßnahmen zu beheben ist, die einen
erhöhten Stromverbrauch der Schaltung zur Fdge haben, wird dadurch aufgehoben, daß
die NF-Modulationsfrequenz des Telekommandosenders bei jeder Kommandogabe zwischen
200 und 250 Hz durchgewobbelt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die
volle Empfindlichkeit des Telekommandoempfängers ausgenutzt wird, unabhängig vom
Entlade zustand der Batterie sowie von Veränderungen einzelner Bauteilewerte. Ein
weiterer Vorteil ist der Wegfall von Abgleicharbeiten bei der Fertigung. Das vom
selektiven NF-Verstärker kommende Signal wird einem Demodulator zugeführt. Dieser
ist mit einem weiteren Operationsverstärker als unsymmetrischer aktiver Gleichrichter
aufgebaut. Die letzte Stufe bildet ein Schwellwertspannungsdetektor zur Anpassung
des Empfängerausgangsignals an die nachfolgende Digitalelektronik.
-
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist ferner die mögliche indirekte
Ermittlung der Anzahl der von der Radiosonde automatisch durchgeführten Messungen
zur Mittelwertbildung. Für eine Mittelwertbildung der Meßwerte muß die Anzahl der
von der Sonde in periodischen Abständen automatisch durchgeführten Messungen bekannt
sein. Die Ermittlung dieser Zahl könnte z.B.
-
in der Sonde geschehen durch das Zählen der Meßoszillator-Einschaltpulse.
Die notwendige Konsequenz wäre aber, entweder diese Zahl bei jeder Meßwertübertragung
an das Auswertegerät mit zu übertragen, oder die Division der Summe aller Meßwerte
durch die Anzahl der Messungen in der Radiosonde mit Hilfe elektronischer Schaltungen
zu realisieren. Beide Möglichkeiten führen aber zu hohem schaltungstechnischen Aufwand,
was eine Srhöhung von Stromverbrauch, Volumen und Gewicht der Radiosonde zur Folge
hätte. Deshalb erfolgt bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung
vorzugsweise eine indirekte te Ermittlung der gewünschten Zahl in dem Auswertegerät,
das zu diesem Zweck einen Quarzoszillator enthält, der in Aufbau und Frequenz identisch
mit dem in der Radiosonde verwendeten ist. Die nachgeschaltete Teilerkette erzeugt
Impulse der gleichen Periodizität, wie sie zur Auslösung des Meßvorgangs in der
Radbsonde benutzt werden. Die Summe dieser Pulse ergibt damit auf indirektem Wege
die Anzahl der von der Radiosonde durchgeführten Messungen. Da beide Quarzoszillatoren
einsatzbedingt unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind, weil die
eingesetzte Radiosonde eine sehr konstante Temperatur hat, während die Versorgungsspannung
schwankt und weil die Versorgungsspannung des Auswertegeräts sehr konstant ist,
aber die Betriebstemperatur schwankt, wird zur Einhaltung des notwendigen Gleichlaufs
der Oszillator in dem Auswertegerät automatisch bei jeder durch ein Telekommando
eingeleiteten Datenübertragung mit dem Oszillator der Sonde durch phasensynchrones
Zurücksetzen der Zillerkette synchronisiert.
-
Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele in ihrer Anwen dung
in der Veterinärmedizin beschrieben wurden, bestehen auch zahlreiche andere vorteilhafte
Anwendungsfälle, insbesondere in der Humanmedizin und in der Verhaltens forschung,
wenn es auf die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit oder entsprechender elektrischer
Größen von Körperflüssigkeiten an lebenden Gewebe ankommt, Da eine derartige Radiosonde
sehr klein ist und
beispeilsweise einen Durchmesser von größenordnungsmäßig
lcm besitzen kann, werden dadurch die Lebensgewohnheiten des Probanden nicht beeinflußt,
so daß im Gegensatz zu bekannten Geräten insbesondere auch Langzeitversuche möglich
sind.
-
Leerseite