Электрофизиологические и неэлектрофизиологические процессы

Важнейшим проявлением жизнедеятельности являются электрические процессы, протекающие во всех органах и тканях организма и лежащие в основе таких физиологических функции, как возбуждение, торможение, секреция. Поэтому изучение суммарной электрической активности различных биологических структур занимает большое место в физиологических исследованиях. Следует подчеркнуть, что применяемые в настоящее время электрофизиологические методики ориентированы в основном на измерение биоэлектрических явлений как функций времени t, т.е. электрофизиологических процессов. Электрофизиологические процессы, протекающие в биологических структурах, в значительной степени определяются характером синаптической передачи между отдельными клетками (синапс - область контакта (связи) нервных клеток (нейронов) друг с другом и с клетками исполнительных органов ). В соответствии с существующими представлениями ведущее место занимают синапсы с химической передачей. Под действием квантов химического передатчика в постсинаптической мембране генерируются миниатюрные потенциалы.

В биотелеметрических исследованиях кроме различного рода биопотенциалов регистрируется целый комплекс неэлектрофизиологических процессов (частота дыхания, частота пульса, артериальное давление…).

При проведении тех или иных исследо­ваний не все параметры имеют одинаковую информационную ценность. Более того, многие из них не несут новой информации относительно другого параметра. Примером могут служить частота пульса (ЧП) и частота дыхания (ЧД), информация о которых может быть извлечена из электрокардиограммы (ЭКГ) и электропневмограммы (ЭПНГ) соответственно. Следовательно, первая проблема, которую необходимо решить при разработке любых биотелеметрических систем, — определение задач исследования и дифференцирование всех существенных для этих задач биологических параметров по их содержательности и информационной значимости. От успешного решения этой задачи во многом зависит эффективность работы биотелеметрической системы в целом. Причем задача отбора совокупности измеряемых параметров должна быть тесным образом увязана с целью проводимых исследований и внутренней структурой передаваемой информации, состоянием биотелеметрической системы и условиями ее работы. При этом необходимо не только учитывать доступность измерению того или иного параметра, возможность и удобство его преобразования для передачи и обработки, но и осуществлять предварительную оценку фи­зиолологического параметра с точки зрения как количества, так и качества содержащейся в нем информации.

Датчики можно классифицировать по различным принципам: по назначению, виду выходного сигнала, принципу действия и т.д. Важнейшим из них является принцип работы датчика. В со­ответствии с этим критерием все датчики можно разделить на два основных класса : параметрические и генераторные. В пара­метрических датчиках под воздействием входной величины λ изменяется какая-либо его характеристика, вызывающая, в свою очередь, изменение параметров сигнала на выходе активного элемента, в цепь которого включается датчик.

Генераторные датчики осуществляют непосредственное пре­образование входной величины λ в электрический сигнал и. К ним относятся пьезоэлементы, термопары и др. Генераторные датчики наиболее приемлемы для биотелеметрии, так как не требуют источника энергии и специальных измерительных систем.

СИСТЕМА СЪЕМА И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Основ­ная задача при регистрации биопотенциалов заключается в выборе рационального способа их отведения с помощью электродов от соот­ветствующих областей организма.

Электроды. Электрофизиологические параметры обычно от­водят с помощью электродов монополярным и биполярным спо­собами. При монополярном отведении один электрод (б’) (сиг­нальный) располагают в активной зоне, а другой (а’ ) (индиффе­рентный) — в зоне, где электрическая активность органа или тка­ни пренебрежимо мала (рис. 1). При этом измеряют абсолют­ную величину биопотенциала. При биполярном отведении оба электрода размещают в активной области и отводят разность по­тенциалов.

Рис. 1. Способы отведения биопо­тенциалов.

Особые требования предъявляют к электродам с точки зрения помехоустойчивости. Большинство специфических помех возникает именно на границе «электрод — поверхность отведения». Так, на границе раздела «электрод — кожный покров» в результате выделения пота или попадания влаги может образовываться электрохимический контакт, приводящий к возникновению ЭДС, которая может на несколько порядков превышать регистрируемый биопотенциал. Изменение степени прижатия электрода в процессе движения исследуемого вызовет изменение комплексного межэлектродного сопротивления и ( как следствие) возникновение артефактных помех. В результате трения, появляющегося при движении биообъекта, на электродах может накапливать статическое электричество, тоже искажающее отбираемую информацию. Следует также иметь в виду, что большинство наведенных помех попадает в тракт биотелеметрических систем через электроды. Все это свидетельствует об актуальности проблемы обеспечения высокой помехоустойчивости системы отбора физиологической информации.

Конструкция электродов в зависимости от задач измерения исследуемой биологической структуры может быть различной. Кроме отмеченных требований (хорошей электропроводности, нетоксичности, прочности, высокой помехоустойчивости) конструкция электродов должна предусматривать возможность надежного и удобного крепления. Наиболее широко в настоящее время в биотелеметрии применяют различные поверхностные электроды чашечного, серповидного, ленточного типа, с подпружиненными контактами и т.д., а также игольчатые электроды и скобки Мишеля (при исследовании животных). Для отведения биопотенциалов от отдельных клеток и структур в электрофизиологии используют обычно стеклянные жидкостные микроэлектроды. Однако они хрупки, поэтому в биотелеметрии целесообразнее применять микроэлектроды на базе микропровода. В качестве электропроводящего материала применяют золото, серебро, платину, различные алюминиевые сплавы, латунь с гальваническим покрытием олово, нержавеющую сталь, материалы на графитовой основе. Следует отметить, что все металлические электроды (за исключение благородных материалов) в той или иной степени подвержены воздействию продуктов электролиза, которые наряду с разрушающим действием на электрод вызывают при длительной регистрации раздражение окружающих тканей. В этой связи возрос интерес к различного рода диэлектрическим электродам, в которых передача биопотенциалов осуществляется через емкость, образованную поверхностью отведения, металлическим слоем и диэлектриком, расположенным между ними. Однако существенным недостатком этих электродов являются высокое сопротивление, сложность и слабая помехоустойчивость по от­ношению к наведенным помехам. Форма электродов обычно оп­ределяется характером регистрируемых параметров и областью, от которой они отводятся.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для получения электрокардиограммы в одном отведении элек­троды могут быть наложены в принципе на любые две точки по­верхности тела.

В настоящее время широко используются три так называемых стандартных отведения биопотенциалов — отведения от конечностей. Большое диагностическое значение имеют также грудные отведения между точками груди и конечности.

В космических полетах кораблей «Восток» регистрация элек­трической активности (биопотенциалов) сердца осуществлялась в грудных биполярных отведениях, получивших наименование MX и DS (названия отведений связаны с точками размещения электродов. MX - manubrium -xyphoideus (основание - рукоятка грудины), dextra - sinistra (правая и левая точки в пятом межреберьи по среднеключевой линии). При этих отведениях получаются устойчивые и высокока­чественные записи в условиях активной деятельности космонавта.

Серьезной проблемой оказалось крепление электродов. Необ­ходимо было надежно зафиксировать электроды на несколько суток при условии сохранения хорошего качества записи. Требовалось предупредить раздражение кожи и неудобства при длительном на­хождении электродов на теле космонавтов. Наиболее удобными оказались электроды в виде серебряных дисков диаметром 15— 20 и толщиной 0,3—0,5 мм. Для получения постоянного контакта электрода с кожей применялась специальная токопроводящая па­ста. Электроды фиксировались марлевой наклейкой или мягкими резиновыми шайбами.

Для долговременной фиксации электродов была разработана специальная съемная лямочная система (рис. 3), на которой одно­временно был размещен датчик дыхания.

рис. 3 Лямочная система фиксации электродов.

1 — электроды D—S-, 2 — контакт­ный датчик дыхания; 3 — угольный датчик дыхания; 4 — электроды М—Х.

Рис. 4. Образец электроэнцефалограммы.

Получение ЭЭГ в течение длительного времени представляет огромные трудности в связи с необходимостью размещения электродов на голове - об­ласти, где почти невозможно получить продолжительный постоянный контакт электродов с кожей. Кроме того, на электроэнцефа­лограмму накладываются помехи, связанные с мышечным напря­жением.

Для регистрации потенциалов мозга в условиях космического полета была разработана специальная система фиксации электро­дов, размещаемая в шлемофоне. Электроды, изготовленные из чи­стого серебра, устанавливались в биполярном отведении лоб —за­тылок.

На рис. 5 показаны ЭМГ и механограмма (запись двигатель­ного акта), полученные с мышцы руки человека. Биопотенциалы появляются на 0,01—0,04 сек раньше, чем начинается двигательный акт. По временному сдвигу ЭМГ относительно механограммы, по амплитуде и частоте мышечных биопотенциалов можно судить о функциональном состоянии нервно-мышечного аппарата.

Отведение мышечных потенциалов у человека осуществляют — серебряными электродами, накладываемыми на исследуемую мышечную поверхность. Фиксируют электроды путем прибинтовывания или на­клеивания.

Электроокулография — метод исследования двигательной активности глаз. Запись разности потенциалов, возникающей при этом, носит название электроокулограммы (ЭОГ), Для регистрации движения глаза электроды устанавливают непосредственно у глаз­ницы. Образец ЭОГ показан на рис. 6.

Рис. 6. Образец окулограммы.
Запись потенциалов движения глаза лучше всего вести с по­мощью усилителя постоянного тока. Тогда амплитуда записи будет пропорциональна величине перемещения глаза. При использовании усилителей переменного тока может быть зарегистрирована лишь скорость движения глаза или его ускорение. Методика электроокулографии имеет важное значение при выявлении различных нарушений вести­булярного аппарата, сопровождающих­ся окуломоторной асимметрией и ни­стагмом (непроизвольные ритмичные колебания глаза частотой до 10—20 гц).

Запись кожно-гальванической реак­ции. Между двумя точками кожной по­верхности существует разность потен­циалов, обусловленная деятельностью вегетативной нервной системы (обмен веществ, потоотделение, состояние сосудов, гидрофильность кожи). Участки, наиболее богатые потовыми железами, электроотрицательны, участки, бедные ими — электроположительны. В резуль­тате различных раздражений (боль, психическое напряжение, воз­буждение органов чувств) происходит изменение разности потенциа­лов между двумя точками поверхности, связанное с возбуждением вегетативных центров головного мозга (метод И. С. Тарханова).



Рис. 7. Расположение электродов для регистрации кожногальванической реакции.
Стационарная разность потенциалов кожи равна 10—20 мв на рас­стоянии 1 см между электродами; при раздражениях могут наблю­даться колебания до 100 и более милливольт. Кожно-гальваническую реакцию можно исследовать и путем измерения электропро­водности кожи (метод Ферре). Электрическое сопротивление кожи изменяется в пределах от нескольких сотен до 100 000 ом. Наимень­шим сопротивлением обладают участки кожи на ладонной и подо­швенной поверхности тела, на лбу и шее.

Один из вариантов расположения электродов при записи КГР показан на рис. 7. Запись имеет вид прямой линии с колебания­ми уровня, связанными с теми или иными раздражениями, напри­мер сильным звуком или психическим напряжением при решении в уме арифметической задачи (рис. 8). Между моментами раздражения и реакции имеется скрытый период, составляющий 1,5— 2,5 сек. Реакция характеризуется определенной амплитудой и дли­тельностью.

СИСТЕМА ОТБОРА И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Для отбора нееэлектрофизиологических параметров использу­ют датчики, работающие на самых различных принципах. Спе­цифика этих датчиков — в основном в их конструкции, и обу­словливается она характером регистрируемого параметра и осо­бенностями исследуемой биологической структуры. Кратко охарактери­зуем те датчики физиологических процессов, которые наи­более часто используются в экспериментах.

Датчики дыхания. Для регистрации параметров дыхания используются датчики самых различных типов: реостатно-потенциометрические, контактные, магниторезистивные, термодатчики и др.

Наиболее просты по конструкции и в эксплуатации реостатно-потенциометрические датчики, представляющие собой переменное сопротивление, включаемое в измерительную схему, обычно мостового типа (рис. 9).

Вместо угольного порошка трубка может быть заполнена электролитом или ртутью. При этом между относительным изменением сопротивления датчика и относительным удлинением стараются иметь линейную зависимость

Потенциометрические датчики нашли применение в основной для регистрации частоты дыхания (ЧД).

Для регистрации вдоха и выдоха, продолжительности отдельных циклов дыхания используют также различные магниторезистивные датчики МРД. Общий принцип построения МРД состоит в том, что механическое перемещение чувствительного эле­мента при вдохе и выдохе вызывает изменение магнитного пото­ка, пронизывающего магниторезистор, что приводит к изменению его сопротивления. Основным преимуществом МРД является возможность бесконтактного регулирования сопротивления.

Для регистрации различных параметров, в том числе дыхания, широко применяются емкостные датчики, обладающие вы­сокой чувствительностью, малыми габаритами и простой конст­рукцией. Емкость конденсатора, как известно, зависит от площа­ди обкладок, расстояния между ними и диэлектрической прони­цаемости среды. Все эти параметры используются при конструи­ровании емкостных датчиков.

Емкостной датчик может использоваться для регистрации не только частоты, но и глубины дыхания. Погрешность подобных датчиков определяется в основном влиянием температуры и влажности.

Для измерения параметров дыхания иногда применяют метод импедансной реоплетизмографии РПГ. Принцип работы это датчика основан на регистрации изменения импеданса грудной полости на протяжении дыхательного цикла.

При реоплетизмографии обычно используют двух электродный или четырех электродный метод измерения. Причем последний наиболее часто, поскольку он позволяет лучше локализовать исследуемый участок тела и снизить требования к качеству наложения электродов. Функциональная схема канала регистрации РПГ приведена на рис. 10. Схема работает следующ образом. Сигнал с выхода генератора 1 зондирующего сигнала с частотой 40 кГц поступает на стабилизатор тока 2, предназначенный для обеспечения стабильности амплитуды тока, подаваемого на биообъект с помощью токовых электродов 6,9. Изменение сопротивления объекта приводит к амплитудной модуляции зондирующего сигнала, который регистрируется с помощью потенциальных (измерительных) электродов 7,8. Усиленный АМ сигнал демодулируется линейным детектором 3, с выхода которого снимаются исходная 5 и дифференцированная РПГ 10 (см. рис. 11).

Для регистрации объема легочной вентиляции ЛВ можно использовать датчик, работающий по принципу крыльчатого анемометра. Поток вдыхаемого воздуха вращает крыльчатку, установленную на пути светового луча, создаваемого лампочкой,

рис. 11
Конструктивно датчик ЛВ выполняется в форме маски, наде­ваемой на лицо. Его достоинствами являются относительно высо­кая помехоустойчивость, возможность измерять общий объем ле­гочной вентиляции, объем вдоха в отдельных циклах дыхания, длительность фаз, частоту дыхания. Недостатки заключаются в сложности, неудобстве для испытуемого.

Параметры дыхания можно регистрировать также с помощью, вживляемых датчиков, измеряющих величину и продолжительность понижения внутригрудного давления.

Датчики параметров сердечно-сосудистой системы. Кроме электрокардиограммы, снимаемой с помощью электродов, для оценки состояния сердечно-сосудистой системы используется магнитное поле сердца — магнитокардиограмма (МКГ) и комплекс неэлектрических параметров: скорость кровотока, давление, биохимический состав крови и др.

Первые биомагнитные поля сердца были зарегистрированы индукционными датчиками. В настоящее время для измерения биомагнитных полей используются магнитометры различного типа — сверхпроводящее квантовые интерференционные датчик (СКИД), квантовые магнитометры с оптической накачкой (МОН), индукционные магнитометры (ИМ), основанные на эффекте Фарадея, и др.

Принцип действия СКИД основан на явлении сверхпроводимости, возникающей обычно при сверхнизких температурах (ниже 20°К, или —253°С). В последнее время начинает использоваться явление сверхпроводимости, возникающее при сравнительно высоких температурах (явление высокотемпературной сверхпроводимости). Этим датчиком измеряется поток внешнего магнитного поля, проходящего через специальное кольцо, выполненное из сверхпроводящего материала. Существуют различные схемы СКИД. Отличительным свойством СКИД является очень низкий уровень собственных шумов, что позволяет измерять весьма слабые магнитные поля. Их энергетическая чувствительность достигает 10^-31 Дж/Гц, что близко к квантовому пределу (~ 10^-34 Дж/Гц).
Работа МОН основана на магнитном резонансе с оптической накачкой. По уровню собственных шумов датчик МОН уступает СКИД, но его преимуществом является то, что он не требует сложного оборудования. Еще более простым является ИМ, представляющий собой многослойную катушку из материала с высокой магнитной проницаемостью. Принцип действия ИМ заключается в использовании явления магнитной индукции. Электродвижущая сила на выходе ИМ пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Магнитные методы измерения имеют то главное преимущество перед электрофизиологическими методами, что они бесконтактны. Кроме того, в ряде случаев они позволяют получить дополнительную информацию о состоянии организма. Магнитометры начинают также широко использоваться для определения магнитных свойств биологических объектов.

Среди неэлектрофизиологических параметров, характери­зующих сердечно-сосудистую систему, важное значение имеют параметры кровотока. Линейная и объемная скорости кровотока в медико-биологических исследованиях измеряются различными способами. Наибольшее практическое применение получили ин­дукционный и акустический методы. Сущность индукционного метода заключается в измерении ЭДС (пропорциональной крово­току), возникающей на стенках кровеносного сосуда, помещенно­го в магнитном поле.

Работа акустических датчиков основана на эффекте Физо и Доплера. В акустических датчиках первого типа скорость крово­тока определяется путем измерения сдвига фаз (непрерывный режим) или разности времени распространения ультразвукового сигнала (импульсный режим), направленного по кровотоку и против него. Датчиком второго типа измеряется доплеровский сдвиг частоты ультразвуковых колебаний при отражении от дви­жущихся форменных элементов крови.

Принцип работы системы измерения скорости кровотока этим методом иллюстрируется на рис 12. Задающий генератор ЗГ создает с помощью пьезоэлемента 1 ультразвуковые колебания, которые излучаются в поток крови сосуда КС. Приемный пьезопреобразователь 2 воспринимает ультразвуковой сигнал, отраженный от частиц крови. Частота принятого сигнала вследствие Доплеровского эффекта будет отличаться от излучаемой частоты на величи­ну ∆f = (v/c) f cosα, где f — частота излучаемых колебаний, Гц; v — ско­рость распространения ультразвука в крови, м/с; α — угол локации (угол между потоком крови и направлением излучения ультразвуковых колеба­ли).

Принятый сигнал после усиления резонансным усилителем УВЧ поступает на детектор Д, в котором выделяется напряжение низкой частоты, величина которого зависит от скорости кровотока.

рис. 12

Регистрация артериального давления АД может осуществляться как бескровным (косвенным) методом, так и метода прямого измерения кровяного давления в артериях путем их катетеризации (катетеризация - введение катетера в естественный канал или полость тела с диагностическими или лечебными целями). Косвенные методы весьма многочисленны (методы Рива-Рочели, Эрлангера, Короткова, методика, основанная на измерении давления по кровенаполнению и др.), однако их можно подразделить на две группы: компрессионные и некомпрессионные.

Типовая схема измерения АД компрессионным способом показана в рис. 13. Блок компрессии БК создает давление в компрессирующей манжете КМ. Для сглаживания пульсаций воздуха между БК и КМ часто применяют пневморезервуар ПР. Датчик Д преобразует колебание давления в манжете в электрический сигнал, который поступает на блок индикации БИ. Давление измеряется манометром Мн. Программное устройство ПУ обеспечивает работу всей системы по заданной программе.

рис. 13
В биотелеметрии наиболее широко применяются два варианта компрессионного метода: на плечевой артерии с индикацией АД по методу Короткова; на пальцевых артериях с использований следящей системы.

Прямое измерение артериального давления обычно осуществляется с помощью вживляемых датчиков. Причем в основном используются потенциометрические датчики, включенные в мостовую схему.

Для измерения механических эффектов, возникающих под влиянием смещения масс сердца и крови при работе сердца, регистрируют сейсмокардиограммы (СКГ) и баллистокардиограммы (БКГ), дающие возможность получить информацию о состоянии гемодинамической функции сердечной мышцы. В качестве датчиков используют пьезоэлементы и электромагнитные датчики, укрепленные на поверхности тела вблизи сердца.

Значительную диагностическую ценность имеет и регистрация звуковых явлений сердца - фонокардиограммы (ФКГ), в которой выделяют четыре основных частотных диапазона: 0...1 Гц — коле­бание грудной клетки; 5...10 Гц - перемещение масс крови и сердца; 100...150 Гц - тоны сердца; 400...1000 Гц - шумы. Для регистрации ФКГ используют микрофонные датчики различных типов.

Датчики для измерения концентрации химических веществ.

Определение состава и измерение концентрации тех или иных химических веществ в организме несет ценную медико-биологи­ческую информацию. Существует огромное число различных приборов, предназначенных для этих целей. Остано­вимся на датчиках, используемых при биотелеметрических измерениях.

Измерение концентрации химических веществ в организме биотелеметрическими методами сопряжено с трудностями, основ­ной из которых является сложность датчиков. Причем датчики, как правило, должны давать количественную информацию о кон­центрации вполне определенного вещества, т.е. они должны быть специфичными по отношению к молекулам этого вещества. Соз­дание подобных датчиков в условиях жестких технико-экономических ограничений на систему измерений, особенно в биотелеметрии, для многих биохимических веществ является в настоящее время трудноразрешимой проблемой. Наиболее просто и поэтому наиболее часто измеряется концентрация водородных ионов рН.

Датчик рН состоит из двух электро­дов: измерительного ИЭ и электрода сравнения ЭС, включенных в контур передатчика. В качестве материала для электрода сравнения используется хлористое серебро. Потенциал измерительного рН-электрода, в качестве которого обычно используется стеклянный электрод, почти полностью определяется концентрацией ионов водорода в растворе, т.е. рН-электрод является специфическим по отношению к этим ионам. Недостатками стеклянного электрода являются его хрупкость и большое внутреннее сопротивление. Для определения рН могут использоваться также сурьмянистые и вольфрамовые электроды. Однако они действуют недостаточно избирательно по отношению к рН, в частности сурьмянистый электрод кроме рН реагирует еще на напряжение кислорода, а вольфрамовый - на О₂ и ионы кальция.

Биотелеметрическими методами может также измерятся концентрация других веществ: общая кислотность, наличие свободной соляной кислоты, скорость расщепления питательных веществ. Например, скорость расщепления питательных веществ (белков, жиров, углеводов) определяется по убыли субстрата, дозированное количество которого помещается внутрь индуктивного или емкостного датчика, контактирующего с исследуемой средой. По мере ферментативного расщепления субстрата изменяется его индуктивность или емкость. Включение такого датчика в измерительную схему позволяет преобразовать информацию о скорости тех или иных веществ в ЧМ-сигнал.

Серебряный электрод может использоваться для определения ионов хлора, так как его потенциал зависит от концентрации ионов галоидных соединений, золотой электрод - для измерения напряжения кислорода и т.д.

В качестве температурного датчика служат сопротивление запертого коллекторного пе­рехода транзистора, микротерморезисторы из платино-иридиевой проволоки с добавкой эпоксидной смолы и другие термозависимые элементы. Результа­ты измерения температур представляются в аналоговой или дискретной форме. Точность измерения температуры обычно не превосходит 0,1°С.

Двигательная активность (ДА) живого организма может быть оценена различными способами. Наиболее простыми и распро­страненными методами определения ДА у человека являются из­мерения суммарной сократительной деятельности сердца за опре­деленный промежуток времени и подсчет общего числа шагов за день.

Суммарная сердечная деятельность оценивается с помощью сумматора пульса, блок-схема которого изображена на рис. 14.

рис. 14
Электрические потенциалы сердца ЭКГ (зубцы —R) усиливаются усилителем с полосой пропускания 0,5...20 Гц и поступают на формирующее устройство ФУ, с выхода которого снимаются импульсы стандартней амплитуды и длительности. В счетчике подсчитывается число импульсов за промежуток времени, опреде­ляемый реле времени.

Измерение ДА по числу шагов производится в обычных ус­ловиях с помощью различных шагомеров. Работа шагомера основана на принципе маятника, движение которого регистрируют все вертикальные перемещения тела. В результате шагомер фиксирует не только шаг и бег, но и другие резкие движения туловища (наклоны, повороты и др.), поэтому шагомер дает весьма грубую оценку двигательной активности. Конструируется шагомер обычно на базе часового механизме с несколькими стрелками.

Существуют и другие типы датчиков двигательной активности: потенциометрические, индуктивные, пьезоэлектрические, контактные и др. В качестве примера на рис. 15 изображена конструкция емкостного датчика ДА, предназначенного для регистрации двигательной активности человека. Датчик представляет собой переменный конденсатор, состоящий из двух полукруглых латунных пластин, помещенных в герметичный пластиковый корпус — цилиндр, наполненный маслом. При движении биообъекта пластины поворачиваются относительно друг друга на угол θ, изменяя емкость конденсатора, который включен в схему ЧМ-генератора.

рис. 15
Датчики баллисто- и сейсмокардиограммы. Датчики БКГ и СКГ регистрируют механические эффекты, возникающие под влиянием смещения масс сердца и крови при работе сердца. Они позволяют измерять основные параметры движения (перемещение, скорость, ускорение) и дают возможность получить информацию о состоянии гемодинамической функции сердечной мышцы. В качестве датчика используют пьезоэлементы и электромагнитные преобразователи.

К сожалению, использование предварительных устройств об­работки в настоящее время связано со значительным усложнени­ем передатчика и техническими трудностями, обусловленными увеличением его массы и габаритов. Поэтому в подавляющем большинстве используют непосредственную передачу первичных физиологических пара­метров с их последующей обработкой в приемнике.

Виды и методы предварительной обработки могут быть са­мыми различными в зависимости от характера регистрируемых параметров и задач исследований. Так, при регистрации ряда фи­зиологических функций можно провести их предварительный статистический анализ: определить корреляционные, спектраль­ные, моментные функции различных порядков, вычис­лить некоторые интегральные характеристики и т.д. В процессе предварительной обработки можно решать задачи обна­ружения, различения или оценки параметров передаваемых со­общений.

Рассмотрим некоторые системы предварительной обработки информации.

Интеграторы. Для количественной оценки интенсивности биопотенциалов в экспериментальной биологии и медицине ши­рокое применение находят интеграторы аналогового, дискретно-аналогового и цифрового типа, которые, как правило, определя­ют суммарную биоэлектрическую активность соответствующих физиологических параметров за фиксированные промежутки времени T.

где U_вых(0) — начальное значение выходного напряжения. Обыч­но принимают U_вых(0)= 0; k — коэффициент пропорциональ­ности.

Интеграторы аналогового типа осуществляют непрерывное интегрирование входного сигнала в течение длительного проме­жутка времени (определяется длительностью эксперимента) с вы­дачей результатов анализа в виде непрерывной неубывающей функции (рис.16, а).

В интеграторах дискретно-аналогового типа результат анали­за биопотенциалов выдается в виде амплитудно-модулированной импульсной последовательности, соответствующей значениям интегральной активности физиологических сигналов за заданный период Т (рис.16, б).

В интеграторах дискретного типа выходной сигнал представляет собой последовательность импульсов стандартной ампли­туды и длительности, модулированных во времени. Каждый им­пульс на входе этого интегратора соответствует вполне опреде­ленному значению интеграла от входной функции (рис.16, в). Информация на выходе интегратора может быть представлена также в виде кодов (цифровые интеграторы).

Наибольшее применение нашли интеграторы последнего ти­па, поскольку интеграторы аналогового типа с непосредственным отсчетом данных и дискретно-аналоговые интеграторы имеют ма­лый динамический диапазон и ограниченное время анализа. Ис­пользование же интегратора дискретного типа с цифровым отсче­том дает возможность производить длительную непрерывную об­работку физиологических параметров без применения промежу­точной регистрации. Особенно удобно использовать интегратор в сочетании с частотными фильтрами, что позволяет просто осуще­ствлять сравнительный анализ различных ритмов физиологиче­ских сигналов в частотной области.

На рис. 17 изображена функциональная блок-схема интегратора дис­кретного типа. Входной сигнал поступает в блок инвертирования, с выхода которого подается в блок интегрирования. При достижении определенного значения интеграла осуществляются сброс показаний интегратора с помо­щью разрядника и фиксирование очередной порции интегральных Un, зна­чений входного сигнала цифровым счетчиком: Непрерывное время анализа практически ограничивается только емкостью цифрового индикатора. Меняя порог интегрирования, можно в широких пределах менять время анализа и чувствительность прибора. При большой чувствительности системы осцилло­грамма с записью импульсов интегратора отражает динамику изменения по­тенциалов с большими подробностями. При необходимости проведения дли­тельных экспериментов удобна более редкая частота следования импульсов.

рис. 17
Коррелометры. Первичные физиологические сигналы несут огромное количество информации о функциональном состоянии различных органов и систем организма. Расшифровка этой информации, особенно при наличии разнообразных помех, представляет очень трудоемкую и сложную задачу. Решение этой задачи возможно лишь с помо­щью автоматизации обработки, путем использования специализиро­ванных и универсальных ЭВМ. При выявлении скрытых законо­мерностей в физиологических параметрах значительную роль иг­рают методы корреляционного и спектрального анализа. Корреляционные функции физиологических процессов широко используются в различных экспериментальных медико-биологичес­ких исследованиях.

Вычисление корреляционных функций требует бесконечно большого интервала усреднения. На практике обычно ограничиваются конечным интервалом, что дает не саму корреляционную функцию, а ее оценку В_х(х) и B_xy(τ):




_(1).

Вычисление корреляционных функций можно осуществить либо на универсальных ЭВМ, либо с помощью специализирован­ных устройств — коррелометров.

На рис. 18 изображена схема коррелометра, реализующая операции, определяемые формулой (1). Аналогично реализу­ется коррелометр для вычисления взаимнокорреляционной функ­ции B_xy(τ).

рис. 18
Вычисление корреляционной функции может производиться как последовательным, так и параллельным способом. При по­следовательном способе вычисление корреляционной функции осуществляется последовательно по точкам для каждого значения х, которое может изменяться как непрерывно, так и дискретно. При параллельном способе коррелометр представляет собой мно­гоканальный прибор, каждый канал которого осуществляет вы­числение корреляционной функции в определенной точке. На рис. 19 изображена упрощенная схема параллельного коррело­метра, вычисляющего взаимнокорреляционную функцию B_xy(τ) в п точках.

рис. 19
В зависимости от формы представления выходного сигнала различают аналоговые, цифровые и комбинированные аналого-цифровые коррелометры. Аналоговый коррелометр прост, но точность вычисления его невелика. Цифровые коррелометры по­зволяют находить корреляционные функции с высокой точно­стью, однако они более сложны. Аналого-цифровые корреломет­ры позволяют получить приемлемую точность (1...3%) при срав­нительно простой аппаратуре.

Анализаторы спектра. Наряду с корреляционным анализом при обработке медико-биологической информации широко ис­пользуются методы спектрального анализа. Определение энергетического спектра физиологического сигна­ла позволяет иногда получить дополнительную информацию по сравнению с корреляционным анализом. Например, спектраль­ный анализ баллистокардиограммы дает возможность выявить некоторые кратные частоты, характеризующие функциональное состояние различных структур сердечно-сосудистой системы.

По принципу действия анализаторы спектра можно под­разделить на приборы последовательного и параллельного дей­ствия.

В анализаторах последовательного типа производится после­довательный анализ входного сигнала путем изменения частоты настройки фильтра или сдвига спектра входного сигнала (гетеро­динные спектрометры).

В анализаторах параллельного типа анализ осуществляется одновременно во всей частотной области. Эти анализаторы состо­ят обычно из набора резонансных или полосовых фильтров, ох­ватывающих заданный частотный диапазон. Достоинства после­довательных анализаторов — высокая разрешающая способность, простота изменения полосы пропускания фильтра, удобство ин­дикации. Существенным недостатком приборов этого типа явля­ется длительное время анализа. Параллельный анализатор имеет перед последовательным то преимущество, что скорость выполне­ния анализа у него значительно выше.

Как было отмечено, живой организм характеризуется огромным количеством разнородной информации. В то же время канал связи, по которому она передается, обладает определенной пропускной способностью. Для того чтобы согласовать скорость передачи информации с каналом связи, применяют различные методы сжатия данных. Сжатие данных представляет собой адап­тивный процесс передачи выборочных данных со скоростью, со­ответствующей скорости поступления информации и требуемой точности.

Для согласования источников биофизической информации с каналом связи используют два подхода.

1. Предварительно запоминают его на каком-либо носителе с последующей передачей записанной информации с нужной ско­ростью (пакетный режим),

2. Сокращают исходный объем данных путем исключения из­быточной информации (сжатие данных).

Пакетный режим обычно неприемлем при передаче сигнала в реальном времени. Второй подход более универсален, однако он более сложен и требует применения специальных алгоритмов об­работки с целью уменьшения избыточной информации, содержа­щейся в исходном биосигнале, без снижения его диагностической ценности.

Сжатие данных можно осуществить путем либо использова­ния адаптивной выборки, либо уменьшения избыточности. Схема системы адаптивной выборки для одного канала изображена на рис. 20. Входной аналоговый сигнал x(t) поступает на устрой­ство анализа-управления (УАУ) и устройство стробирования (УС). В первом устройстве анализируются текущий спектр вход­ного сигнала, скорость его изменения, функции корреляции или другие параметры сигнала. В результате на выходе формируется сигнал у, управляющий работой стробирующего устройства, ко­торое в зависимости от характера изменения анализируемых па­раметров и требуемой точности передачи выбирает входной сиг­нал x1 с последующим его преобразованием в аналого-цифровом преобразователе АЦП в цифровую форму z. После модуляции в передатчике (ПУ) радиосигнал s поступает в линию связи (ЛС), принимается s-приемником (ПМ), и по сжатым данным z в устрой­стве восстановления (УВ) восстанавливается исходный сигнал х.

рис. 20

Уменьшение избыточ­ности биофизического сигнала может быть достигнуто, если не передавать выборки, которые могут быть восстановлены по предшествующим им или последующим за ними выборкам. Из­быточные выборки обычно распознаются либо за счет заранее из­вестных (априорных) сведений о предшествующих данных (метод предсказания), либо путем послеопытной (апостериорной) интер­поляции (метод интерполяции).

Основы биотелеметрии. В. П. Бакалов. Москва. Радио и связь, 2001

Методы биотелеметрии В. П. Бакалов. Ленинград. Наука: Ленингр. отд-ние, 1983

Акулиничев И.Т., Баевский P.M., Зазыкин К.П. и др. Радиоэлектроника в космической медицине.- Москва. Энергия, 1964

Данько С.Г. Каминский Ю.А. Система технических средств нейрофизиологических исследований человека. Ленинград. ”Наука”, 1982

Основы биотелеметрии : Учеб. пособие К.Н. Болсунов, З.М. Юлдашев; СПб.: ЛЭТИ, 2000