Testgerät zur nichtinvasiven Detektion postmortaler biologischer Gewebeveränderungen durch den dielektrischen Verlustfaktor

Abstract

Die Motivation zu dieser Arbeit entstand durch ein am Institut (EMCE) entwickeltes Messgerät zum Messen des dielektrischen Verlustfaktors von postmortalem biologischem Gewebe (TESTRON MS-Tester). Für die Messung werden dabei zwei Skalpell-Elektroden in das Gewebe eingestochen, womit es sich um eine invasive Methode handelt. Mit dem Messergebnis kann auf den Zustand des Gewebes, bzw. auf Gewebeveränderungen geschlossen werden. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein veterinärmedizinisch anwendbares, tragbares und einfach zu bedienendes Messgerät zu entwickeln, das den Verlustfaktor (bzw. die Impedanz) von biologischem Gewebe auf eine nicht invasive Methode misst. Weiters sollte darauf geachtet werden, dass Elektrodenimpedanzen das Messergebnis nicht beeinflussen. Die Aufgabe wurde mittels so genannter Vier-Elektroden-Messung gelöst. Das Messgerät gibt einen Strom vor, misst den Spannungsabfall am Gewebe und berechnet die, von der Elektrodenimpedanz befreiten, Quasi-Impedanz (innere Impedanz zwischen zwei Äquipotentialflächen), sowie den Verlustfaktor mittels Mikrocontroller. Bei den verwendeten Elektroden handelt es sich um runde Edelstahlelektroden die an das Gewebe angelegt werden. Um eine möglichst einfache Bedienung zu gewährleisten, wird die Messung mittels Tastendruck gestartet und das Ergebnis direkt auf einem LCD-Display ausgegeben. Am Anfang der hier vorliegenden Beschreibung wird auf die Grundlagen der Impedanzmessung von biologischem Gewebe und auf Einflussfaktoren eingegangen, um zu erläutern, welche Eigenschaften bei der Entwicklung des Gerätes wesentlich waren. Weiters werden in der Forschung verwendete, bzw. am Markt befindliche Geräte beschrieben, deren Ergebnisse auf elektrischen Messungen basieren. Darauf folgend werden die technischen Grundlagen, die Handhabung des Geräts, die elektrischen Schaltungen und das verwendete Mikrocontrollerprogramm beschrieben. Abschließend werden Messungen präsentiert, die im Laufe der Arbeit durchgeführt wurden. An zunächst frischen Leberproben zeigten sich ein allmählicher Anstieg des Verlustfaktors, hervorgerufen durch zelluläre Defekte. Tiefgefrorene und anschließend aufgetaute Proben können an einem hohen Faktor erkannt werden. Ein wichtiger Punkt der Arbeit lag auf der Erkennung der fortschreitenden Verderbnis von zunächst frischem Fisch. Beim Abbau zellulärer Strukturen zeigte sich ein Anstieg des Verlustfaktors. Damit können Schäden durch lange oder schlechte Lagerung diagnostiziert werden. Verändertes Verhalten zeigte sich an Fischen mit sehr hohem Fettgehalt, wie Karpfen. Dabei werden Veränderungen des Verlustfaktors von Schichten des Fettgewebes mitbestimmt, was die Auswertung der Messresultate erschwert. Hier werden weitere Untersuchungen notwendig sein - eventuell bei Variation der Messfrequenz.

The motivation for this thesis arose from a veterinary test apparatus developed at the institute (EMCE) which measures the dielectric loss factor of biological tissue post mortem (TESTRON MS-Tester). Two scalpel-electrodes have to be inserted into the tissue to measure, so it is an invasive method. With the measurement results, it is possible to conclude on the cellular condition of the tissue, in particular on post mortem changes of tissue structure. The goal of this thesis was to develop a portable and easy-to-use instrument that measures the loss factor (respectively the impedance) of biological tissue in a non-invasive way. Furthermore, the electrode impedance should not affect the measurement result. The object was achieved with a four-electrode-methodology. The developed instrument impesses a current into the tissue, measures the voltage drop across the tissue and calculates the impedance and the loss factor with a microcontroller. Round, stainless steel electrodes are applied to the surface of the investigated tissue. To ensure an easy use, the measurement starts by pressing a button, and the result of measurement is presented directly on an LCD display. At the beginning of this description, basics of impedance measurement of biological tissue and influencing factors are discussed to explain which properties influence the development of the device. Further devices are described to demonstrate other procedures of the task. Subsequently, the technical basics, the operation of the device, the electrical circuits and the program of the microcontroller are described. Finally, various measurements that were performed during the course of the thesis are presented. Initially fresh liver samples show gradual increases of the loss factor in the course of increasing cellular defects. At first frozen and then thawed samples, a high loss factor is detectable. An important point of the thesis is the recognition of the progressive corruption of initially fresh fish. An increase in the loss factor was observed in the degradation of cellular structures. This can be used to diagnose damage as caused by long or poor storage. Modified behavior was found in fish with very high fat content, such as carp. Adipose tissue leads to changes in the loss factor, which makes the evaluation of the measurement results more difficult. Further investigations will be necessary here - possibly with a variation of the measurement frequency.