1. Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitfähigkeits-
Meßanordnung, insbesondere eine Anordnung zum Messen der
Leitfähigkeiten der Oberfläche und des inneren Teils eines Körpers,
die getrennt gemessen werden sollen.
2. Beschreibung des bekannten Standes der Technik
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Zum Messen der Leitfähigkeit einer Substanz, z.B. der Haut
eines lebenden Körpers, die einen hohen elektrischen
spezifischen Widerstand hat und deren Oberflächenschicht und tiefer
Teil darüber hinaus verschiedene Leitfähigkeiten haben, ist ein
Verfahren angewandt worden, bei dem mehrere Elektroden mit der
Oberfläche einer Substanz kontaktiert worden sind, um die
Leitfähigkeit zwischen den Elektroden zu messen. Bei einem solchen
herkömmlichen Meßverfahren ist es jedoch schwierig, die
Leitfähigkeiten der Oberfläche und des inneren Teils des Körpers
getrennt zu messen.
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Zum Messen des Erdungswiderstands oder dergleichen werden
das Kohlrausch-Verfahren, das Wiechert-Verfahren und
dergleichen versucht und das potentiometrische Erdungswiderstand-
Meßgerät, das Konstantstrom-Erdungswiderstand-Meßgerät und
dergleichen verwendet.
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Bei der Anwendung dieser Verfahren ergeben sich jedoch
Schwierigkeiten beim Messen unterschiedlicher Leitfähigkeiten
der Oberfläche und des inneren Teils eines zu untersuchenden
Körpers, z.B. eines lebenden Körpers oder dergleichen, in
Abhängigkeit vom Wassergehalt, Blut oder dergleichen.
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Bei einer Substanz mit hoher Leitfähigkeit, z.B. Metall,
ist es möglich, die Leitfähigkeiten der Oberfläche und des
inneren Teils bis zu einem gewissen Grad unter Ausnutzung des
Skineffekts bei einer Hochfrequenz-Quelle zu messen. Bei einer
Substanz mit hoher Leitfähigkeit hat dieses Verfahren jedoch
nur einen geringen Effekt, und darüber hinaus wird die Frequenz
zur Erzielung des Effekts sehr hoch. Daher ist es praktisch
nicht anwendbar.
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Es wird jedoch folgende Theorie vertreten: Zellmembranen
subkutaner Zellen der Haut eines lebenden Körpers haben eine
sehr große elektrostatische Kapazität (etwa 1 uF/cm), so daß
sie als Isolatoren betrachtet werden können. Wenn daher die
Frequenz einer angelegten Stromversorgungsquelle niedrig ist,
träge nur die physiologische Flüssigkeit zwischen den Zellen
zur Leitfähigkeit bei. Mit zunehmender Frequenz fließt der
Strom selbst in einer interzellularen Flüssigkeit durch die
Zellmembranen (siehe beispielsweise den Aufsatz "Basis of
Impedance Measurement and its Application to Clinical Practice" von
Yutaka Kanai in der Zeitschrift "Journal of Clinical
Inspection", Seiten 421 bis 429, Heft 26, Nr. 4, 1982-4).
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Was daher die zwischen den Elektroden angelegte Spannung
betrifft, so hält man es für effektiv, eine niederfrequente
Spannung zum Messen eines Oberflächenstroms, dagegen eine
hochfrequente Spannung zum Messen eines Stroms in einem tiefen
Teil, der bis zu subkutanen Zellmembranen mit großer
elektrostatischer Kapazität reicht, anzuwenden.
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Eine Haut hat jedoch in Wirklichkeit eine äußerst
komplizierte Leitfähigkeitsverteilung von der Oberfläche bis zum
inneren Teil, und die elektrischen Eigenschaften jedes Teils
eines lebenden Körpers ändern sich in jedem Augenblick. Mithin
ist es schwierig, die Haut durch ein einfaches Modell oder eine
Ersatzschaltung zu simulieren.
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Bei dem Verfahren zum Messen der Leitfähigkeit ab der
Oberfläche einer Haut durch deren Kontaktierung mit Elektroden
war man bislang mithin der Meinung, daß es äußerst schwierig
ist, die Leitfähigkeiten der Oberfläche und des inneren Teils
getrennt zu messen.
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Eine Leitfähigkeits-Meßanordnung zum Messen der
Leitfähigkeit eines Körpers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist
aus der JP-A-59 028 646 bekannt.
ZUSAMNENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache
Meßanordnung anzugeben, die in der Lage ist, Leitfähigkeiten an
der Oberfläche und im inneren Teil eines Körpers, der
untersucht werden soll, z.B. eines lebenden Körpers, die sich
jeweils in Abhängigkeit vom Wassergehalt oder dergleichen
unterscheiden, mittels vorbestimmter, den zu untersuchenden Körper
kontaktierender und danach in Betrieb gesetzter Elektroden zu
messen.
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Eine erfindungsgemäße Leitfähigkeits-Meßanordnung zeichnet
sich dadurch aus, daß eine Zwischenelektrode zwischen einer
Sendeelektrode und einer Empfangselektrode angeordnet und über
einen Schalter mit einem Anschluß einer Sendeeinheit und einer
Empfangseinheit gemäß Anspruch 1 verbindbar ist. Hierbei können
die Meßelektroden zum Senden und Empfangen und die
Zwischenelektrode konzentrisch angeordnet und diese Elektroden in einer
Sonde vereinigt sein. Der innere Strom eines zu untersuchenden
Körpers wird durch Anordnung der Zwischenelektrode zwischen den
Meßelektroden zum Senden und Empfangen gemessen, und danach
wird, durch Umschalten der Zwischenelektrode in den offenen
Zustand mittels des Schalters, der Oberflächenstrom gemessen, und
beide Meßwerte werden so verarbeitet, daß die Leitfähigkeit der
Oberfläche des zu untersuchenden Körpers genau bestimmt werden
kann.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch so ausgebildet
sein, daß ein FM-Sender und eine Stromversorgungs-Batterie in
der Sonde angeordnet sind, so daß die Meßergebnisse durch einen
FM-Empfänger ermittelt werden konnen.
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Die Erfindung zeichnet sich ferner dadurch aus, daß die
Frequenz einer Stromversorgungseinrichtung, wenn die
Leitfähigkeit des inneren Teils eines zu untersuchenden Körpers gemessen
wird, höher als die zum Messen der Leitfähigkeit der Oberfläche
eingestellt wird oder jede der Elektroden aus einem leitfähigen
weichen Material besteht, so daß die Oberfläche eines zu
untersuchenden Körpers entsprechend der Form der Oberfläche oder
eines zu untersuchenden Körpers kontaktiert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform der
Erfindung in schematischer Darstellung, die
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Fig. 2 und 3 Beispiele von Anordnungen jeder Elektrode und
die
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Fig. 4 und 5 Ersatzschaltbilder von Modellen im Falle der
Anordnung der Elektroden gemäß den Fig. 2 und 3 in Kontakt mit
einem zu untersuchenden Körper.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Fig. 1 zeigt ein Beispiel des prinzipiellen Aufbaus einer
erfindungsgemäßen Leitfähigkeits-Meßanordnung. Die Anordnung
enthält eine Sendeeinheit 2 zum Aussenden einer Frequenz, die
den Eigenschaften eines zu untersuchenden Körpers 1 angepaßt
ist, eine Sendeelektrode 3 zur Zuführung des gesendeten
Ausgangssignals, eine Empfangselektrode 4 zur Aufnahme des
gesendeten Ausgangssignals, das den zu untersuchenden Körper 1
durchlaufen hat, eine daran angeschlossene Empfangseinheit 5,
eine Zwischenelektrode 6, die auf ein niedriges Potential oder
Erdpotential eingestellt und zwischen der Sendeelektrode 3 und
der Empfangselektrode 4 angeordnet ist, und einen Schalter 7.
Hierbei sind eine Rechenschaltung zum Verarbeiten der
Leitfähigkeitsmeßergebnisse und eine Anzeigeschaltung in der
Empfangseinheit 5 enthalten.
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Fig. 2 stellt eine üblicherweise angewandte Anordnung von
Elektroden zur Oberflächenmessung dar, bei der alle Elektroden,
die mit einem zu untersuchenden Körper in Berührung gebracht
werden sollen, konzentrisch angeordnet sind. Eine kreisförmige
Elektrode in der Mitte bildet eine Empfangselektrode 9, eine
ringförmige Elektrode an deren Außenumfang ist eine
Sendeelektrode 8, und ganz außen liegt ein Schutzring 11 zur
Verhinderung einer Induktion, der normalerweise verwendet und geerdet
wird, vgl. JP-A-59 028 646.
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Dagegen stellt Fig. 3 ein Beispiel für eine
erfindungsgemäße Anordnung konzentrischer Elektroden dar, bei der eine
Zwischenelektrode
10 zwischen der Empfangselektrode 9 und der
Sendeelektrode 8 angeordnet ist.
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Zunächst sei ein Modell der Oberfläche und des inneren
Teils, wenn mehrere Elektroden 8 und 9 an einen zu
untersuchenden Körper gedrückt und eine Gleichspannung zwischen den in
Fig. 2 dargestellten Elektroden angelegt wird, d.h. ein
herkömmliches Verfahren, anhand eines in Fig. 4 dargestellten
einfachen Ersatzschaltbildes beschrieben. Darin ist der Stromkreis
des Schutzrings 11 weggelassen und der Innenwiderstand r der
Sendequelle S vernachlässigt, weil er im allgemeinen äußerst
klein ist.
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Nach Fig. 4 können im allgemeinen der Gesamtstrom 1 aus
dem Oberflächenstrom Is, der durch den ohmschen
Ersatzwiderstand rs des Oberflächenteils des zu untersuchenden Körpers 1
fließt, und der innere Strom I&sub1;, der durch die ohmschen
Widerstände rd1 und rd2 der vertikalen Teile, die bis zum inneren
Teil reichen, und in horizontaler Richtung durch den ohmschen
Widerstand ru des tiefen Teils fließt, gemessen werden.
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Im Gesamtstrom I=Is+I1 ist, obwohl der größte Teil des
gemessenen Stroms bei kleinem Oberflächenwiderstand rs< rd1+rd&sub2;+ru
der Oberflächenstrom Is ist, auch der innere Strom I&sub1;
enthalten, so daß der gemessene Strom nicht der exakte
Oberflächenstrom Is ist.
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Wenn der Widerstand des Oberflächenteils im Vergleich zum
Widerstand des inneren Teils verhältnismäßig groß ist, nimmt
die Leitfähigkeit merklich ab, weil der Isolationswiderstand
insgesamt sehr groß ist. Unter diesen Umständen hängt das
Meßergebnis mitunter weitgehend vom inneren Strom I&sub1; ab. Die
Ströme Is und I&sub1; können daher nicht getrennt ermittelt werden.
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Es sei angenommen, daß es sich bei dem zu untersuchenden
Körper 1 um die Haut eines lebenden Körpers handelt. Wenn sich
die Oberflächenschicht im verhältnismäßig trockenen Zustand
befindet, ist ihre Leitfähigkeit im Vergleich zu der des
subkutanen Zellenteils klein. Man hat es daher als schwierig
angesehen, die unterschiedlichen Werte des Oberflächenstroms Is und
des inneren Stroms I&sub1; getrennt zu messen.
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Es ist jedoch möglich, beispielsweise die
unterschiedlichen Werte I, und I&sub1;, die oben beschrieben wurden, durch
Anwendung
einer Elektrodenanordnung, wie sie in Fig. 3 dargestellt
ist, zu messen.
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Das der Anordnung nach Fig. 3 entsprechende
Ersatzschaltbild ist in Fig. 5 in der gleichen Weise wie bei dem oben
beschriebenen Beispiel dargestellt.
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In der Anordnung nach Fig. 5 kann der Strom in jedem Teil
dargestellt werden durch: den Oberflächenstrom Is1, der durch
den Ersatzwiderstand rs1 des Oberflächenteils des zu
untersuchenden Körpers 1 fließt, den Strom I&sub1; im tieferen Teil, der
durch die Widerstände rd1 und rd2 der vertikalen Teile und in
horizontaler Richtung durch den Widerstand ru1 des tiefen Teils
in die Zwischenelektrode 10 fließt, und den Strom I&sub2; im
tieferen Teil, der durch die Widerstände rd1, rdu1, ru2 und rd3 in die
Empfangselektrode 9 oder dergleichen fließt.
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Nachstehend sei die Leitfähigkeitsmessung der Oberfläche
des zu untersuchenden Körpers 1 für den Fall betrachtet, daß
der Schalter 7 geöffnet ist. Dann entspricht dies dem gleichen
Fall, wie er anhand von Fig. 4 für die Messung des
Oberflächenstroms nach dem herkömmlichen Verfahren beschrieben wurde.
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Wenn die Messung jedoch bei geschlossenem Schalter 7
ausgeführt wird, dann ist es möglich, die Leitfähigkeit des
inneren Teils in Abhängigkeit von dem durch den tiefen Teil
fließenden Strom I&sub2; zu ermitteln. Für diesen Fall ist es
vorteilhaft, wenn der Abstand der Empfangselektrode 9 von der
Zwischenelektrode größer als der Abstand der Sendeelektrode 8 von
der Zwischenelektrode 10 gewählt wird.
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Das heißt, es gibt den Oberflächenstrom Is1, der durch den
Oberflächenwiderstand rs1 fließt, und den Strom I&sub1;, der durch
die Widerstäande rd1, ru1 und rd2 der tiefen Teile zwischen der
Sendeelektrode 8 und der Zwischenelektrode 10 fließt, und diese
Ströme können als ungültige Komponenten behandelt werden, die
in die Zwischenelektrode 10 fließen.
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Dagegen ist der Gesamtstrom, der in die Empfangselektrode
9 fließt, gleich der Summe aus dem Oberflächenstrom Is1, und dem
im tieferen Teil fließenden Strom I&sub2;.
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Der Oberflächenstrom Is2 ist jedoch ein Strom, der durch
den verhältnismäßig großen Oberflächenwiderstand rs2 zwischen
der auf niedrigem Potential, z.B. Erdpotential, gehaltenen
Zwischenelelektrode
10 und der Empfangselektrode 9 fließt und
daher äußerst klein ist. Der in die Empfangselektrode 9 fließende
Strom hat mithin einen Wert, der hauptsächlich von dem durch
den tiefen Teil fließenden Strom I&sub2; abhängt.
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Es ist daher möglich, den Oberflächenstrom und den durch
den tiefen Teil fließenden Strom durch Ein- und Ausschalten des
Schalters 7 zu messen. Durch Speicherung des bei
ausgeschaltetem Schalter 7 gemessenen Oberflächenstroms und anschließende
Subtraktion des gespeicherten Oberflächenstroms von dem bei
eingeschaltetem Schalter 7 in die Empfangselektrode 9
fließenden Gesamtstroms ist es daher möglich, den genauen Wert des im
liefen Teil fließenden Stroms zu ermitteln. Hierbei ist rR der
Eingangswiderstand zwischen der Empfangselektrode 9 und der
Zwischenelektrode 10.
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Ordnet man daher die Zwischenelektrode 10, die auf
niedriges Potential gelegt wird, zwischen mehreren Meßelektroden 8
und 9 zum Senden und Empfangen an und bringt man diese
Elektroden alle mit dem zu untersuchenden Körper 1 in Kontakt, dann
ergibt sich eine Meßanordnung, mittels der es möglich ist, die
sich in Abhängigkeit vom Wassergehalt oder dergleichen
unterscheidenden Leitfähigkeiten der Oberfläche und des inneren
Teils des zu untersuchenden Körpers zu messen.
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In dem zuvor erläuterten Ersatzschaltild des zu
untersuchenden Körpers 1 sind nur ohmsche Widerstandselemente
dargestellt. In der Praxis wird jedoch eine Sendequelle S verwendet,
die einen Strom mit der kommerziellen Frequenz oder einer hohen
Frequenz erzeugt.
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Es kann daher unterstellt werden, daß beispielsweise im
Falle der Haut eines lebenden Körpers der zu untersuchende
Körper 1 aus der Oberfläche, bei der es sich um einen ohmschen
Widerstand mit verschiedenen Werten in Abhängigkeit vom
Transpirationszustand handelt, und Zellmembranen des subkutanen
Gewebes besteht, die als Isolator mit hoher elektrostatischer
Kapazität betrachtet werden können. Nimmt man ferner an, daß die
von einer Zellmembran eingeschlossene interzellulare
Flüssigkeit und die extrazellulare Flüssigkeit zwischen den Zellen
eine Art Elektrolyt mit niedrigem ohmschen Widerstand bilden,
dann läßt sich für diesen Fall ein Ersatzschaltbild aufstellen,
das aus einer Serien-Parallel-Schaltung des ohmschen
Widerstands r und der elektrostatischen Kapazität C besteht.
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Für alle Elektroden, einschließlich einer
Zwischenelektrode nach der Erfindung, ist es daher zweckmäßig, ein Mittel
vorzusehen, durch das die Frequenz der Stromversorgungseinrichtung
beim Messen der Leitfähigkeit des inneren Teils des zu
untersuchenden Körpers auf einen höheren Wert als beim Messen der
Oberflächenleitfähigkeit eingestellt werden kann.
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Wenn der zu untersuchende Körper eine gekrümmte Oberfläche
oder Unregelmäßigkeit aufweist, kann ferner jede Elektrode
durch ein leitfähiges weiches Material gebildet sein, so daß
die Elektrodenoberfläche den zu untersuchenden Körper
entsprechend der Form der Oberfläche des Körpers kontaktieren kann.
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Obwohl es sich bei dem beschriebenen Verfahren um ein
zerstörungsfreies Verfahren handelte bei dem jede Elektrode den zu
untersuchenden Körper kontaktiert, ist nach der Erfindung auch
ein Verfahren anwendbar, bei dem nadelspitze Elektroden in
einen zu untersuchenden Körper, z.B. bei einer Pflanze, Schmutz
oder dergleichen, eingesetzt werden.
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Ferner ist bei Anwendung des sogenannten drahtlosen
Systems, bei dem ein FM-Sender, eine Stromversorgungsbatterie und
alle Elektroden innerhalb einer Sonde angeordnet und vereinigt
sind, und der Meßwert der Sonde durch ein drahtloses System,
das einen FM-Empfänger enthält, verarbeitet wird, kein Kabel
erforderlich, das die Sonde mit einem Körper der Meßanordnung
verbindet, so daß sich viele Vorteile im Hinblick auf die
praktische Anwendung ergeben.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, Leitfähigkeiten, die in
einer Oberflächenschicht und einem tiefer gelegenen Teil eines
zu untersuchenden Körpers unterschiedlich sind, z.B. der Haut
eines lebenden Körpers, Tierfutter und Pflanzen, Beton vor dem
Aushärten, Schmutz und dergleichen, getrennt zu messen.
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Besonders bei Substanzen, z.B. subkutanen Zellen eines
lebenden Körpers, bei denen zerstörungsfrei gemessen werden muß,
ist es nunmehr möglich, die Leitfähigkeit oder Impedanz der
Oberflächenschicht und des inneren Gewebes getrennt zu messen.
Die Erfindung bildet mithin ein sehr wirksames Mittel für
medizinische
Untersuchungen oder zur Früherkennung des Zustands
einer Erkrankung eines lebenden Körpers.
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Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, eine neue Messung
durch ein sehr einfaches Verfahren auszuführen. Darüber hinaus
können die Abmessungen der erfindungsgemäßen Anordnung und ihr
Energieverbrauch sehr klein gehalten werden, so daß es möglich
ist, ein preiswertes tragbares Gerät zu schaffen.