Gebrauchsmuster Nr. 20 2017 000 974

IPC: A61B 5/05

vom 23.02.2017

Wechselstromtomograph

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung innerer Strukturen eines menschlichen oder tierischen Körpers oder eines oder mehrerer Körperteile, durch die Vermessung des äußeren magnetischen Feldes, welches durch einen elektrischen Strom erzeugt wird (Patientenhilfsstrom), der den Körper durchfließt. Dieser Strom ist hochfrequent, mit einer Frequenz größer als lOO KHz. Oberhalb etwa dieser Frequenz hat der elektrische Strom keine physiologische Wirkung, d.h. er wird nicht wahr genommen und erzeugt keine unerwünschten Nebenwirkungen. In dem stromdurchflossenen Gewebe wird lediglich Wärme, entsprechend des ohmschen Widerstandes, erzeugt. Dieser thermische Effekt begrenzt die gefahrlos applizierbare Leistung auf ca. 10 Watt, d.h. der Strom sollte 300 mA nicht überschreiten und durch selbstklebende Flächenelektroden in den Körper eingekoppelt 

werden. Diese Elektroden vermeiden einerseits zu hohe Stromdichten in der Nähe der Elektroden, andererseits gewährleisten sie die Überwindung des Hautwiderstandes.

Analog dazu kann diese Methode auch zur Prüfung von Werkstoffen und mechanischen Bauteilen angewendet werden wenn diese über hinreichende Leitfähigkeit verfügen. Abhängig von hinreichendem Leitwert, Permeabilität und der örtlichen Erreichbarkeit muss die applizierte Stromstärke und die Frequenz des Stromes im einzelnen variiert werden. Die weitere Beschreibung bezieht sich also auf die Anwendung des Gerätes auf menschliches und tierisches Gewebe.

Ausgehend von der Tatsache, dass die spezifischen Widerstände der unterschiedlichen biologischen Gewebe stark voneinander abweichen, verteilt sich der Patientenhilfsstrom im Körper wie in einem ohmschen Netzwerk. Beispielsweise ist der Leitwert von Gefäßen (5,1 mS/cm… 6,6 mS/cm) als der von Knochen (0,06 mS/cm … 0,2 mS/cm). Daraus folgen im Körper verschiedene Stromwege unterschiedlicher Stromstärke, die ein magnetisches Feld erzeugen, das dann von der Kreisform (des linearen elektrischen Leiters) abweicht. Die  einzelnen magnetischen Felder der Teilströme unterliegen in erster Näherung dem Superpositionsprinzip, d.h. dass jeder Abweichung des magnetischen Feldes von der Kreisform um den Leiter ein oder mehrere zusätzliche Teilströme zugeordnet werden können.

Um den axial stromdurchflossenen Körper oder das Körperteil wird eine Messanordnung (z.B. eine Spule oder Gradiometer) herum geführt und die magnetische Feldstärke des durch den Stromfluss erzeugten magnetischen Wechselfeldes gemessen. Genauere Messungen sind mit Gradiometer Anordnungen möglich, da damit die Differenzen zwischen den Messwerten relativ groß gegenüber den Absolutwerten der magnetischen Feldstärke werden. Eine typische  Gradiometer Anordnung 1.-Grades zeigt Abb 1. Diese misst in ihrer Ebene was den Vorteil hat, dass von der Messebene entferntere Stromdipole nur noch geringen Einfluss auf das Messergebnis haben.

Die Feldstärkeverteilung um das Messobjekt herum repräsentiert dann die Stromdichteverteilung durch eine Schnittebene durch den Körper. Die Schnittebene ist genau die Fläche, die durch den Umlauf der Messanordnung um den Körper beschrieben wird. Im einfachsten Fall ist dies ein Kreis (Abb 2.) Innerhalb dieser Fläche wird also ein Abbild der Gewebeleitwerte ermittelt, wobei der absolute Wert des Gewebeleitwertes an einer bestimmten Stelle diagnostisch keinen Wert hat, wohl aber die Darstellung der Relationen der Leitwerte an verschiedenen Stellen zueinander. Das so entstandene Schichtbild kann dann archiviert und weiter verarbeitet werden. Diese Messung wird in aufeinanderfolgenden, parallelen Schichten fortgesetzt, so dass der gesamte Körper oder Körperteil in mehreren Schichten aufgezeichnet wird. Durch mehrere Schichtbilder kann nun mit Mitteln der Bildverarbeitung eine virtuelle Schnittebene gelegt  werden, die dann Strukturen offenbart die nicht allein durch ein Schichtbild alleine darstellbar sind (Tomographie).

Die magnetische Feldstärke um einen linearen stromdurchflossenen Leiter ist in erster Näherung: [1]

 H: magnetische Feldstärke

 i: Strom durch den Leiter

 a: Abstand vom Mittelpunkt des Leiters

Für den Fall einer inhomogenen Stromdichteverteilung innerhalb der Querschnittfläche F des Leiters nähern wir diese durch die Superposition von m Teilströmen (Abb 3. ) durch die Querschnittfläche an. Das resultierende Magnetfeld im Messpunkt P in der Ebene von F ergibt sich als die Superposition der magnetischen Felder der Teilströme:

 siehe Abb 3. [2]

 Hges: superpositionierte Feldstärkeverteilung

 Hm: magnetische Feldstärke der einzelnen Leiter

 Ist die Kurve, die die Messanordnung beschreibt ein Kreis um den Körper mit einem Durchmesser von einem Meter, und gelingt es auf dem Kreisumfang alle zwei Millimeter eine Messung durchzuführen, so könnten lediglich ca. 1500 Teilströme errechnet werden.

Der Ausweg aus dem Dilemma der geringen Auflösung besteht in der Eigenschaft der elektrischen Leiter, dass abhängig von der Leitfähigkeit, der Permeabilität und der Frequenz nur eine bestimmte Eindringtiefe des Stromes in den Leiter erfolgt. In einem isotropen Leiter kennzeichnet dieser Parameter den Abstand von der Oberfläche des Leiters zu seiner Längsachse, in Richtung des Stromflusses, bei dem die Stromdichte der Stromdichte auf der Oberfläche ab gesunken ist. Bei einer relativen Permeabilität gleich 1 gilt: [3]

p: spezifischer Widerstand des Leitermaterials,

f: Frequenz des den Leiter durchfließenden Stroms,

: Permeabilitätskonstande 1.256 10^-6 Vs/Am.

Und die Funktion der Stromdichteverteilung vom Rand des Leiters in Richtung dessen Zentralaxe folgt der Exponentialfunktion:  [4]

J: Stromdichte an einer Stelle im Abstand z von der Leiteroberfläche

 j: Stromdichte an der Leiteroberfläche.

Lässt man den isotropen Leiter von einem Referenzstrom mit der Stromdichte j_ref und einer Frequenz f_ref durchfließen und wiederholt diese Messung mit einem Messstrom k j_m mit der Messfrequenz f_m , so gibt es beim isotropen Leiter in Abhängigkeit k immer eine Stelle z an der die Stromdichte im Leiter gleich ist (Abb 4.).

Jede Anisotropie in der Leitertiefe z in Messrichtung des Gradiometers wird also durch die magnetische Messung bei f_m und der Stromdichte k j_m ab bilden. Die tatsächliche Messung des Referenzstroms ist dazu nicht nötig, da dieser nur als theoretischer Stromdichtewert genügt und als Maß für die Referenzstromdichte im Messpunkt P=f(z) an einem bestimmten Messwinkel des Gradiometers errechenbar ist. Abb 5. zeigt den Messaufbau und ein Blockschaltbild des Generators. Hinsichtlich der Stromeinkopplung in das Messobjekt ist eine symmetrische Zuleitung, mit verdrillten und geschirmten Leitungen vor zu sehen, um Messfehler durch externe Feldwirkung zu vermeiden (Abb 6).

Stellen gleicher Stromdichte bei 100 KHz (blau) und 200 KHz bei verschidenen Amplituden

 Leitwert isotropes stromdurchflossenes Messobjekt

Stromdichteverteilung bei einem elektrisch anisotropen Messobjelt

Blockschaltbild des Gerätes