НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    КАРТА САЙТА    ССЫЛКИ    О САЙТЕ

предыдущая главасодержаниеследующая глава

Возможности телеметрии при изучении физиологии животных и человека (Р. Маккей)

Возможности обсуждаемых нами телеметрических методов можно оценить на примере ряда уже проведенных и проводимых в настоящее время экспериментов. Прежде всего, кое-что поучительное содержится в одном интересном эксперименте, проведенном еще в 1952 г., но опубликованном лишь в 1960 г.

В этом опыте были проведены телеметрические измерения давления у птицы с помощью пассивного передатчика, не имеющего собственного источника энергии (фиг. 1). Передатчик поэтому отличался компактностью и обладал бесконечным сроком службы, причем проблема его включения и выключения отпадала. Принцип действия этого устройства состоит в том, что энергия направленных на него радиоволн соответствующего диапазона частот частично излучается обратно. Здесь мы сталкиваемся с интересным вопросом, касающимся методов модуляции. Если основной интерес представляют такие переменные величины, как быстрые колебания давления, сопровождающие звуки речи, то можно применить простую амплитудную модуляцию. В этом случае падающий радиосигнал имеет постоянную амплитуду и частоту. Вибрация диафрагмы изменяет геометрию и настройку полости резонатора, что приводит к изменению амплитуды излучаемого обратно сигнала. Изменение радиосвязи, обусловленное движением ответчика (например, вследствие изменения положения стенки), или изменение затухания сигнала, обусловленное изменением расстояния, вызвали бы изменение абсолютной величины отраженного сигнала и, таким образом, внесли бы неопределенность в оценку любой медленно меняющейся величины давления. В частности, если бы этот прибор был установлен для измерения величины атмосферного давления в данном месте, то его работа была бы неудовлетворительной. Однако для преодоления этой трудности можно перейти к частотной модуляции и другой системе приема. Так, можно было бы генерировать радиосигнал с периодически изменяющейся частотой. В тот момент, когда частота сигнала совпадала бы с мгновенной частотой настройки резонатора, наблюдалось бы заметное изменение ответного сигнала. Запись моментов такого взаимодействия при периодической развертке по частоте дала бы показания, являющиеся однозначной функцией положения диафрагмы, а следовательно, давления, независимо от вариаций радиосвязи и затухания сигнала. Аналогично, можно было бы посылать короткие интенсивные радиочастотные импульсы и в расположенные между импульсами "тихие" интервалы времени отмечать частоту ответного сигнала, посылаемого "звенящим" резонатором.

Фиг. 1. Пассивный передатчик, в котором движения диафрагмы изменяют резонансную частоту полости резонатора, меняя таким образом величину излучаемой обратно доли энергии падающего постоянного радиоизлучения. Применение частотной модуляции при приеме позволяет производить передачу абсолютной величины давления, а не только флуктуаций давления, вызванных звуками речи, независимо от каких-либо изменений ориентации передатчика и ослабления сигнала. 1 - полость резонатора диаметром 1,97 см; 2 - диафрагма; 3 - звуковые волны; 4 - высокочастотное радиоизлучение; 5 - излучаемый обратно радиосигнал; 6 - антенна длиной 22,8 см; 7 - изолятор
Фиг. 1. Пассивный передатчик, в котором движения диафрагмы изменяют резонансную частоту полости резонатора, меняя таким образом величину излучаемой обратно доли энергии падающего постоянного радиоизлучения. Применение частотной модуляции при приеме позволяет производить передачу абсолютной величины давления, а не только флуктуаций давления, вызванных звуками речи, независимо от каких-либо изменений ориентации передатчика и ослабления сигнала. 1 - полость резонатора диаметром 1,97 см; 2 - диафрагма; 3 - звуковые волны; 4 - высокочастотное радиоизлучение; 5 - излучаемый обратно радиосигнал; 6 - антенна длиной 22,8 см; 7 - изолятор

Совершенно ясно, что рассмотренные факторы играют очень большую роль при телеизмерениях физиологических величин, характеризующих функцию органов брюшной полости; следует учесть, что применяемый для получения такой информации радиопередатчик заглатывается обследуемым и при своем движении по желудочно-кишечному тракту может многократно изменять свою ориентацию и экранироваться слоями тканей различной толщины.

Упомянутое выше устройство имеет весьма небольшой вес, но ввиду сравнительно больших размеров резонатора оно слишком велико для заглатывания или для имплантации. Примерно в это же время (1952 г.) мои ученики и я стали интересоваться проблемой телеизмерений, проводимых внутри организма. (Воздействие радиосигналов на организм снаружи, например раздражение мозга радиоволнами, было известно ранее.) В нашем распоряжении имелись два из первых опытных образцов транзисторов с точечным контактом, изготовленных в лабораториях телефонной компании Белла, но для них требовалась слишком большая батарея сравнительно высокого напряжения. Мы использовали метод пассивного ответа, в котором внутренний передатчик работал как устройство, разобранное выше, но состоял из конденсатора, присоединенного к катушке с подвижным, чувствительным к давлению сердечником [1]. В этом случае сигнал убывает пропорционально шестой степени расстояния между приемной и передающей антеннами, и поэтому он был относительно слаб и ненадежен. С развитием плоскостных транзисторов несколькими исследовательскими группами в разных странах [1, 2] были разработаны вполне удовлетворительные активные передатчики, снабженные собственными источниками энергии. Позднее были использованы туннельные диоды. Такие передатчики получили название эндорадиозондов.

Телеметрия физиологических переменных

В ряде работ были измерены на расстоянии такие переменные, как давление, температура, кислотность, напряжение кислорода, интенсивность излучения, а также различные биоэлектрические потенциалы (например, ЭКГ).

Частоты, обычно используемые для этих передач на короткое расстояние, лежат в диапазоне 0,5-10 Мгц, для которого длина волны велика по сравнению с размерами антенн и расстоянием между ними. Таким образом, мы имеем дело с зоной индукции, а не с более знакомой нам волновой зоной. При выборе частоты следует исходить из того, что частота должна быть достаточно высока для обеспечения хорошей связи посредством малых устройств, но все же достаточно низка, чтобы затухание сигнала при прохождении через ткани было минимальным. Инженеры часто выражают величину проникновения радиоволн в глубь вещества в виде "толщины скин-слоя". Можно вычислить толщину скин-слоя для кожи и выбрать такую частоту, для которой эта толщина превышает действительную толщину тканей, через которые должен проходить сигнал. Однако этот простой подсчет, хотя и подсказывает выбор подходящей частоты, не позволяет предсказать напряженность поля вне тела, обусловленную отражением радиоволн от поверхностей тканей. (Так, можно было бы ожидать, что катушка, используемая в качестве первичной обмотки трансформатора на частоте 60 гц, будучи заключена в медную оболочку толщиной 2,5 см, передает большую часть своей энергии вторичной обмотке, но это неверно. Точно так же, полость резонатора с крайне тонкими стенками может обладать весьма высокой добротностью, так как лишь небольшая часть запасенной энергии уходит сквозь стенки. Аналогично, электромагнитные экраны, более тонкие, чем скин-слой, могут быть достаточно эффективными.) Оптимальные частоты для активной и пассивной передачи могут не совпадать; это имеет место и в том случае, когда излучающая антенна представляет собой электрический диполь, а не магнитный, упомянутый ранее. Однако это обстоятельство не имеет решающего значения. Для активных передатчиков, которые будут описаны ниже, сигнал всегда оказывается достаточно интенсивным в широком диапазоне частот, а если требуется передать его на большое расстояние, то для усиления сигнала можно использовать небольшой вспомогательный передатчик. Были описаны специальные приемные системы, которые обеспечивают прием с постоянной интенсивностью независимо от изменений в ориентации, вызванных переворачиванием передатчика. Например, сигналы от трех (или более) взаимно перпендикулярных (или как-либо иначе ориентированных) катушек никогда не могут быть погашены, если перед сложением придать сигналам различные фазы (отличающиеся на 180°/n в случае n катушек). При использовании рамочной антенны хорошая передача мощности обеспечивается в том случае, если радиус катушек приблизительно равен расстоянию между их осями.

Пассивная передача

Для некоторых типов экспериментов пассивная передача имеет определенные преимущества. Разработкой этого метода занимается, в частности, одна исследовательская группа в Америке [3], применяющая его для телеизмерения давления в желудочно-кишечном тракте (см. доклад Толлеса на этом симпозиуме). В прошлом году я спросил д-ра Фаррара, до какой степени продвинуто решение проблемы пассивной передачи, и он сообщил мне, что им удалось достичь непрерывной передачи в течение 45 мин. Вообще говоря, это не лучшая техника передачи, поскольку с помощью обычного активного передатчика можно достичь непрерывной передачи из желудочно-кишечного тракта в течение всего эксперимента, обычно продолжающегося 2-3 дня (от попадания прибора в рот и до того момента, когда он выходит из организма естественным путем).

В таком методе пассивной передачи, где меняется частотная характеристика настроенного контура (имплантированного или введенного через рот), может быть использована любая переменная, которая служит причиной изменения величины реактивного сопротивления. Так, температура может влиять на индуктивность катушки (если магнитные свойства сердечника обладают достаточной температурной чувствительностью) или же на емкость чувствительного к температуре конденсатора; колебания давления могут привести к тому, что сердечник катушки будет вдвигаться или выдвигаться, а изменения разности потенциалов могут изменять емкость нелинейного конденсатора. Один из моих сотрудников работает в настоящее время с пассивным передатчиком на частоте 60 Мгц, причем передатчик настолько мал по размеру, что может быть помещен в глаз подопытного животного. Это позволит непрерывно наблюдать в течение длительного времени внутриглазное давление, что важно при изучении проблем, связанных с глаукомой.

При пассивной передаче совсем не обязательно, чтобы энергия запасалась на короткое время в звенящем настроенном контуре. Так, активный передатчик может питаться от миниатюрной аккумуляторной батареи, которую можно подзаряжать извне. Это в некотором смысле пассивная передача или, во всяком случае, передача, обладающая ее свойствами. Подобным же образом энергия могла бы запасаться в вибрирующем кристалле кварца, прикрепленном к катушке, получающей импульсы извне. В этом случае характерную частоту можно было бы изменять, прикладывая силу в одной точке или в малой области и вызывая тем самым нелинейный эффект давления. Катушка и туннельный диод, помещенные в импульсное внешнее поле, генерировали бы парные импульсы, возникающие благодаря включению в заранее установленные моменты затухающего индуцированного постоянного тока. При этом расстояние между импульсами в паре управлялось бы давлением, вдвигающим стержень в катушку.

В методах, использующих частотную развертку, шум в приемнике в какой-то мере обусловлен флуктуациями исходного излучения. Эта проблема отчасти преодолевается, правда ценой некоторых технических трудностей при подавлении переходных процессов, в тех методах, где измеряется "звенящая" частота, т. е. частота собственных колебаний, возникающих вслед за исходящим импульсом. Число периодов собственных колебаний, доступных для наблюдения, приблизительно равно Q (добротности) контура пассивного передатчика. Оно довольно мало, так что требуется усреднение но ряду периодов. Для этой цели особенно удобны цифровые счетчики.

Метод увеличения отношения сигнал/шум в пассивном передатчике состоит в использовании более сложной, в высшей степени миниатюризированной схемы, в которой энергия непрерывно поглощается передатчиком на одной частоте и, после превращения в постоянный ток, излучается им на другой частоте, подвергаясь при этом модуляции. В нелинейном настроенном контуре или в контуре с нестационарными элементами можно получить колебания на частоте, отличной от частоты накачки, так что очень простой пассивный эндорадиозонд может непрерывно переизлучать полезный сигнал, возбуждаемый постоянным сигналом накачки. Для некоторых целей полезно снабжать передатчик энергией в виде ультразвукового луча и выводить сигнал в форме либо ультразвука, либо радиоизлучения.

Возможности этих методов почти неограниченны. В качестве одной любопытной возможности укажем, что можно поместить в одно животное пассивный магнетометр (сердечник из пермаллоя, катушка и конденсатор), а во второе - постоянный магнит и наблюдать поведение в сообществе (взаимную близость). Подобным же образом можно изучать привычки, относящиеся к местообитанию и питанию животных.

Методы модуляции

Итак, мы сделали особый акцент на использовании частотной модуляции, и действительно, она наиболее удобна для многих целей. Выше было отмечено, что можно производить абсолютные измерения амплитуды, используя частотную модуляцию, и измерения частоты, используя амплитудную модуляцию при наличии переменной связи и аттенюации. В первоначальной активной схеме [1] использовался более сложный двойной тип модуляции. В следующем разделе будет также рассмотрена одновременная передача двух частотно-модулированных сигналов одним осциллятором. Это относится к методам, которые должны быть описаны д-ром Коулом, д-ром Эклундом и м-ром Клайнзом.

Существуют и другие удовлетворительные методы модуляции. Простая амплитудная модуляция часто дает ненадежные результаты. Если передатчик периодически испускает сигнал известной амплитуды, величина которого в точке приема служит мерой связи и затухания сигнала, то детектор приемника, измеряющий отношение сигналов, может сравнивать стандартный сигнал с неизвестным и таким образом давать надежные результаты. Это сравнительно сложный способ. Можно использовать многочисленные системы, в которых сигнал изменяется определенным образом во времени. Так, достаточно приемлемы схемы с частотно-импульсной или фазово-импульсной модуляцией. Логарифмический декремент (скорость затухания) затухающей серии импульсов инвариантен относительно изменений связи и ослабления сигнала, и уже производились эксперименты с использованием этого явления как способа модуляции. В этом случае полезным сигналом является промежуток времени, необходимый для уменьшения амплитуды сигнала в некоторое фиксированное число раз.

Система активной передачи давления

На фиг. 2 изображена модификация первой описанной схемы, применявшейся с этой целью. Настроенный контур L и C1 обладает некоторой характерной частотой колебаний (точно так же, как качели имеют собственную частоту). Колебания возбуждаются транзистором и батареей. Частота изменяется в соответствии с изменениями давления, под влиянием которых выдвигается или вдвигается сердечник катушки. Большая часть излучаемой энергии исходит от катушки со средним выводом L, которая, таким образом, служит также антенной. Более детальный чертеж дан на фиг. 3. Если сердечник ферритовый, то увеличение давления вызывает уменьшение частоты, тогда как увеличение давления на алюминиевый (или посеребренный) сердечник вызывает увеличение частоты. На схеме изображена ртутная батарея, хотя были испытаны и другие типы, в том числе элемент, в котором электролитом служил сам желудочный сок. В первоначальной схеме [1] сопротивление R отсутствовало. При этих условиях эмиттер частично выпрямляет осциллирующий ток в контуре и заряжает конденсатор С2 таким образом, что транзистор полностью запирается. Колебания возобновляются, когда заряд на С2 стекает через сопротивление коллекторного перехода, который, подобно термистору, обладает во многих транзисторах высокой температурной чувствительностью. Таким образом, частота блокирования колебаний служит мерой температуры, тогда как частота колебаний в пределах одного импульса служит мерой давления. Если сопротивление R мало, то заряд на С2 не накапливается и в результате колебания продолжаются непрерывно.

Фиг. 2. Активный телеметрический радиопередатчик. Хотя изображенная схема взята из первой работы, посвященной этому вопросу, она все еще остается одной из самых удачных. Перемещение сердечника в соответствии с частотой изменения давления модулирует несущую частоту, которая (при больших R) излучается отдельными импульсами, с частотой прерывания, зависящей от температуры. В другом варианте частоту прерывания можно сделать зависящей лишь от величины R или же, при малых R, можно получить непрерывный синусоидальный сигнал, передающий данные только от изменения давления
Фиг. 2. Активный телеметрический радиопередатчик. Хотя изображенная схема взята из первой работы, посвященной этому вопросу, она все еще остается одной из самых удачных. Перемещение сердечника в соответствии с частотой изменения давления модулирует несущую частоту, которая (при больших R) излучается отдельными импульсами, с частотой прерывания, зависящей от температуры. В другом варианте частоту прерывания можно сделать зависящей лишь от величины R или же, при малых R, можно получить непрерывный синусоидальный сигнал, передающий данные только от изменения давления

Фиг. 3. Эндорадиозонд, построенный по схеме, изображенной на фиг. 2. Непрерывный сигнал передает данные о давлении, воспринимаемые благодаря перемещению сердечника, прижимаемого давлением воздуха в замкнутом пространстве под диафрагмой, 1 - диафрагма; 2 - ферритовый или алюминиевый сердечник; 3 - герметизирующая лента; 4 - катушка; 5 - ртутная гальваническая батарея
Фиг. 3. Эндорадиозонд, построенный по схеме, изображенной на фиг. 2. Непрерывный сигнал передает данные о давлении, воспринимаемые благодаря перемещению сердечника, прижимаемого давлением воздуха в замкнутом пространстве под диафрагмой, 1 - диафрагма; 2 - ферритовый или алюминиевый сердечник; 3 - герметизирующая лента; 4 - катушка; 5 - ртутная гальваническая батарея

Если сопротивление R переменное и достаточно велико (предпочтительно в соединении с кремниевым транзистором), тогда его изменения будут производить частотно-импульсную модуляцию, легко детектируемую любым радиоприемником. Например если R - фотосопротивление с сернистым кадмием, то изменения интенсивности света или излучения будут модулировать частоту блокирования.

Во многих наших опытах мы предпочитаем применять простейшую из возможных систем, дающих нужные нам данные. Рассмотренный выше передатчик мы используем в комбинации с обычным приемником незатухающих колебаний, имеющим гетеродин. Сигнал звуковой частоты с выхода этого приемника подается на схему, изображенную на фиг. 4, которая затем выводит его на любое подходящее записывающее устройство. Используя передатчик с незатухающими колебаниями, мы получаем график давления как функции времени, наподобие изображенных на фиг. 7 и 8. Рентгенографическое изображение одного из этих передатчиков мы видим на фиг. 5. Для декодирования и записи многократного сигнала от передатчика типа блокинг-генератора требуется более сложное приемное устройство.

Фиг. 4. Схема частотной модуляции, преобразующая переменную частоту в переменное напряжение. Будучи подключена к репродукторному (низкочастотному) выходу подходящего приемника, она дает на выходе напряжение, пропорциональное частоте, но почти не зависящее от амплитуды сигнала, и таким образом регистрируется сигнал, излучаемый эндорадиозондом
Фиг. 4. Схема частотной модуляции, преобразующая переменную частоту в переменное напряжение. Будучи подключена к репродукторному (низкочастотному) выходу подходящего приемника, она дает на выходе напряжение, пропорциональное частоте, но почти не зависящее от амплитуды сигнала, и таким образом регистрируется сигнал, излучаемый эндорадиозондом

Фиг. 5. Рентгенограмма, на которой виден эндорадиозонд в восходящей ободочной кишке женщины
Фиг. 5. Рентгенограмма, на которой виден эндорадиозонд в восходящей ободочной кишке женщины

Известны другие способы передачи, в которых передача не производится до тех пор, пока что-либо не происходит; однако достигаемый при этом выигрыш в мощности обычно не оправдывает дополнительного усложнения существующих схем. Кроме того, этот метод полезен лишь для некоторых переменных, изменяющихся сравнительно редко.

Все вопросы, затронутые выше, а также те, которые будут рассмотрены в дальнейшем, обсуждаются более полно в недавно опубликованном мной общем обзоре [2]. Там же приведена более полная библиография, к которой мы отсылаем читателя.

Другие переменные и датчики

Эти вопросы обсуждаются в целом ряде работ [2], но будут кратко упомянуты и здесь. Мы уже рассмотрели измерение давления и температуры. Интенсивность излучения упоминалась в связи с сернисто-кадмиевым фотосопротивлением, которое используется в качестве датчика непосредственно или в комбинации с флуоресцирующим кристаллом или пластмассой. Существенно, что эти эндорадиозонды не чувствительны непосредственно к проникающему излучению. Если удалить оболочку транзистора, схема станет довольно чувствительной к интенсивности света. Передача величины pH требует наличия стеклянного электрода и схемы с большим входным импедансом. (Проще работать с сигналами от сурьмяных электродов, однако они дают, вообще говоря, не значения pH, а "сурьмяные числа".) В этом случае лучше всего использовать каналовый транзистор (хотя и менее чувствительный), где изменение емкости нелинейного конденсатора (конденсатор из титаната бария или кремниевый диод с обратным смещением) в зависимости от изменения приложенного напряжения может быть использовано для частотной модуляции генератора. Аналогичные методы можно применять для измерения биоэлектрических потенциалов, хотя в этом случае иногда возможно непосредственно использовать чувствительность к напряжению более простого генератора. Часто бывает трудно установить локализацию источника кишечного кровотечения. Для этой цели были испытаны датчики парциального давления кислорода, а также счетчики, регистрирующие наличие меченных изотопами эритроцитов. Были опробованы некоторые необычные датчики, в частности такие, в которых для измерения парциального давления кислорода и кислотности используются обратимые химические реакции, приводящие к тому, что изменение этих переменных вызывает обратимое изменение механических размеров или давления [1, 2]. Для определения содержания кислорода можно также работать с диффузионным элементом.

Я хотел бы добавить еще несколько замечаний относительно телеметрии давления. Наши последние схемы с датчиками настолько чувствительны, что на их работе сказываются тепловые флуктуации (броуновское движение). Если для передачи давления используется капсула, помещенная в слегка раздутый баллон с газом или жидкостью, то передается среднее давление. В космических экспериментах хотелось бы, чтобы космонавты не были обременены проводами, следовательно, требуется использовать телеметрию. В случае телеизмерений давления желательно помещать датчик давления в охранное кольцо, так как в противном случае датчик при движении с ускорением будет прижиматься к стенке полости тела со всей силой веса капсулы и давать ошибочные показания. Для максимальной стабильности на продолжительный срок желательно, быть может, использовать кварцевую диафрагму.

Следует упомянуть об одном классе веществ, представляющих собой гетерогенную смесь порошка и связывающего вещества. Если порошок электропроводен, а связывающее вещество в какой-то степени пластично, то получается вещество, чувствительное к давлению. Если поместить его между электродами, то возрастающая сила вызовет уменьшение сопротивления. На этом основаны опыты с чувствительной к давлению краской, надежность которых довольно изменчива. Те же самые смеси при действии давления дают изменение емкости, причем этот эффект бывает иногда более устойчив. Если порошкообразное вещество обладает ферромагнитными свойствами, то при изменении давления наблюдается изменение индуктивности находящейся поблизости катушки. Эти вещества никогда не используются для сжатия в сплошном виде; всегда оставляется воздушное пространство, в котором они могут деформироваться (даже резина почти совершенно несжимаема в виде сплошного куска).

Измерения давления были проведены по всей длине пищеварительного тракта и в мочевом пузыре человека. Врачи часто говорят о перистальтике желудка и кишечника и иногда этот термин ошибочно употребляется для обозначения флуктуаций давления, передаваемых эндорадиозондами. В связи с этим в важных физиологических исследованиях полезно применять рентгенокимографию. Чтобы свести к минимуму дозу облучения, получаемую больным, снимки следует производить с помощью другого телеметрического посредника - телевидения, благодаря которому можно подчас увидеть больше, чем при непосредственном наблюдении [4].

Еще важнее найти способы непрерывной регистрации кровяного давления. Существует возможность нового подхода к этой проблеме. Было показано, что если датчик давления заключен между копланарными плоскими поверхностями и это устройство прижато к полости тела так, чтобы стенка полости, соприкасающаяся с датчиком, стала плоской, то тогда единственная сила, воспринимаемая датчиком,- это абсолютное давление внутри полости [5]. Такой датчик изображен на фиг. 6. Если прибор прижать к кровеносному сосуду, то можно произвести непрерывную регистрацию кровяного давления, как систолического, так и диастолического, а также другие интересующие нас факторы. Этот прибор можно пришить, прикрепить зажимами, прижать или приклеить к стенке сосуда. При измерении давления во внутренних полостях (покрытых кожей и, следовательно, имеющих двойную стенку) прибор можно лишь прижать или прикрепить зажимами. При таком прижатии, сопровождающемся уплощением стенки полости, прибор регистрирует истинное давление в ней, т. е. мы получаем тот же результат, что и при работе с приборами, требующими прокалывания стенки. Поскольку такой прибор не требует прокалывания стенки сосуда, животное не приходится гепаринизировать (что связано с опасностью кровотечений), как при применении катетера и электронного манометра. Опыты по исследованию возможностей наружного применения таких устройств и по определению предельного времени постоянной имплантации еще не были проведены в полном объеме. Но во всяком случае ясно, что прибор, слегка прижатый к стенке сосуда, будет меньше повреждать стенку сосуда, чем кольцевой зажим, и поэтому время работы такого устройства сможет быть сравнительно долгим. Два прибора, расположенных вдоль аорты, возможно, позволят оценить систолический объем крови, выбрасываемой сердцем, по разности их показаний.

Фиг. 6. Способ регистрации давления внутри полости тела без прокалывания стенки полости. Если этот прибор прижать к стенке полости (например, кровеносного сосуда или глаза), так чтобы сердечник всей плоскостью прилегал к стенке, то прибор зарегистрирует абсолютную величину давления внутри полости, независимо от жесткости стенки и тургора тканей. 1 - копланарное кольцо; 2 - сердечник; 3 - эластичное вещество; 4 - воздушное пространство; 5 - катушка, чувствительная к перемещению; 6 - сигнал
Фиг. 6. Способ регистрации давления внутри полости тела без прокалывания стенки полости. Если этот прибор прижать к стенке полости (например, кровеносного сосуда или глаза), так чтобы сердечник всей плоскостью прилегал к стенке, то прибор зарегистрирует абсолютную величину давления внутри полости, независимо от жесткости стенки и тургора тканей. 1 - копланарное кольцо; 2 - сердечник; 3 - эластичное вещество; 4 - воздушное пространство; 5 - катушка, чувствительная к перемещению; 6 - сигнал

Клинические примеры

На фиг. 7 и 8 приведены в качестве примера две записи, полученные с помощью описанного выше простого прибора для телеизмерения давления. В этих двух случаях нас интересовала не абсолютная величина давления (что, возможно, имело бы какое-то значение для физиологических опытов на большой высоте или на больших глубинах), а лишь относительно быстрые изменения давления, происходящие за небольшие промежутки времени (порядка минуты). На фиг. 7 мы видим одновременно записанные сигналы от двух работающих на различных частотах чувствительных к давлению передатчиков, помещенных в пищеводе (кривая I) и в полости желудка над диафрагмой (кривая II) - больной страдал диафрагмальной грыжей. На кривой I видны редкие пики, соответствующие нормальной периодической активности, и меньшие, более частые колебания, соответствующие изменениям давления, связанным с дыханием. В этом эксперименте нас интересовали относительные изменения давления при различных дыхательных и двигательных упражнениях. Оба передатчика фиксировались с помощью нити, выведенной в рот и привязанной к зубу. Был проведен ряд экспериментов, в которых для фиксации передатчика использовались расположенные вне тела постоянные магниты, - но они оказались малоуспешными. Постоянными магнитами мы пользовались для перемещений эндорадиозондов.

Фиг. 7. Кривые, полученные от больного, страдающего грыжей. I - давление в пищеводе; II - в полости желудка над диафрагмой. На кривой I видны нормальные периодические сокращения и небольшие колебания, вызванные дыханием. Изменение ординаты в миллиметрах (мелкие деления), деленное на коэффициент 1,5 для кривой I и 0,4 для кривой II, дает давление в мм рт. ст. а - выход при противодействии; б - вдох при противодействии; в - глубокое дыхание (иногда дает убывание в обоих каналах); г - поднимание ног с постели
Фиг. 7. Кривые, полученные от больного, страдающего грыжей. I - давление в пищеводе; II - в полости желудка над диафрагмой. На кривой I видны нормальные периодические сокращения и небольшие колебания, вызванные дыханием. Изменение ординаты в миллиметрах (мелкие деления), деленное на коэффициент 1,5 для кривой I и 0,4 для кривой II, дает давление в мм рт. ст. а - выход при противодействии; б - вдох при противодействии; в - глубокое дыхание (иногда дает убывание в обоих каналах); г - поднимание ног с постели

Фиг. 8. Действие антихолинэргических препаратов на перистальтику тонкого кишечника (здоровый мужчина 35 лет). Эндорадиозонд находился в тонком кишечнике, I - действие памина (или атропина); эффект выражен недостаточно вследствие неподходящей дозировки. II - ослабление активности спустя 27 мин после приема соответствующей дозы гликопирролата. Активность восстанавливалась через 35 мин (за пределами графика). Крупные деления по оси абсцисс соответствуют 20-секундным интервалам времени, а по оси ординат - изменению давления на 14,0 мм рт. ст
Фиг. 8. Действие антихолинэргических препаратов на перистальтику тонкого кишечника (здоровый мужчина 35 лет). Эндорадиозонд находился в тонком кишечнике, I - действие памина (или атропина); эффект выражен недостаточно вследствие неподходящей дозировки. II - ослабление активности спустя 27 мин после приема соответствующей дозы гликопирролата. Активность восстанавливалась через 35 мин (за пределами графика). Крупные деления по оси абсцисс соответствуют 20-секундным интервалам времени, а по оси ординат - изменению давления на 14,0 мм рт. ст

Все указанные выше флуктуации давления были сравнительно малы. Но мы с успехом применяли наш прибор и для измерения довольно больших флуктуаций. Так, давление в сигмовидной кишке в некоторые моменты времени достигало величины кровяного давления или даже превышало ее (эти исследования я провожу совместно с Дж. Карбоном). Кривые, приведенные на фиг. 8, дают представление о перистальтике тонкого кишечника здорового мужчины. В этом опыте изучалось воздействие лекарственных веществ на различные участки кишечника с целью найти препарат, который уменьшал бы перистальтику так же, как атропин, но без такого побочного действия, как сухость во рту и т. д.

Во всех этих случаях испытуемый совершенно не ощущал присутствия передатчика и поэтому находился в относительно нормальном состоянии, не испытывая никакого страха. Следовательно, полученные таким образом кривые активности можно считать достаточно близкими к норме, чтобы использовать их в качестве эталона для сравнения с аномальными кривыми, наблюдаемыми в патологических случаях. Положение эндорадиозонда в организме можно приближенно определить с помощью рамочной приемной антенны методом радиопеленгации и более точно - посредством рентгенографии. Если речь идет о приборе, который заглатывается, то о том, что он прошел через желудок, можно судить по температурной реакции на глоток холодной воды (прибор, осуществляющий телеизмерения давления, специально делали чувствительным к температуре).

Чтобы проследить за ходом выздоровления больного после операции на органах брюшной полости, можно либо дать ему проглотить капсулу с прибором заранее, либо ввести ее в желудочно-кишечный тракт во время операции.

Обсуждение доклада

Эльяссен. Как вы калибровали чувствительность?

Маккей. Вся система калибровалась в статическом состоянии. Мы помещали эндорадиозонд в условия, характеризующиеся определенными значениями интересующей нас величины, и записывали показания, возникающие в схеме приемника. Например, при калибровке прибора, предназначенного для измерения давления, мы создавали различные давления и записывали возникающие при этом сигналы. Для калибровки по температуре надо воздействовать изменяющейся по известному закону температурой и т. д. Интересно, что для датчика давления результаты калибровки до и после эксперимента оказываются, вообще говоря, одинаковыми, так как возвращающая сила, действующая на сердечник, зависит от сжимаемости воздуха в пространстве внутри датчика, а не от упругости диафрагмы, которая может измениться при прохождении датчика через различные жидкие среды тела. В наших новейших датчиках величина чувствительности ограничена лишь тепловыми флуктуациями.

Эльяссен. А какова частотная характеристика датчиков?

Маккей. Предельная частота всегда много выше частоты изменения любых биологических величин, которые мы можем регистрировать какими-либо другими способами. При измерении давления частотная характеристика имеет плато вплоть до 100 гц, или выше в зависимости от конфигурации прибора. Это гораздо лучше, чем при передаче сигнала по проглоченной трубке, через всю ее длину, не говоря уже о том, что телеметрия гораздо удобнее.

Эльяссен. Какого типа батареи вы использовали?

Маккей. Как и большинство других исследователей, я пользовался ртутными батареями, как указано на схеме. Их диаметр 8,5 мм, и поэтому эндорадиозонды имеют около 9 мм в диаметре. Для введения датчика в мочевой пузырь я пользовался меньшим по диаметру самодельным цинкоплатиновым элементом, заключенным в соломинку для содовой воды.

Литература

1. Mackay R. S., Jacobson В., Endoradiosonde, Nature, 179, 1239, (1957).

2. Mackay R. S., Radio telemetering from within the body, Science, 3486, 1196 (1961).

3. Farrer G. T., Berkeley C., Zworykin V. K., Telemetering of intraenteric pressure in man by an externally energized wireless capsule, Science, 131, 1814 (1960).

4. Mackay R. S., Television cineroentgenography: dose and contrast factors, Amer. J. Roent. Rad. Ther. and Nuc. Med., 85, 342 (1961).

5. Mackay R. S., Marg E., Oechsli R., Automatic tonometer with exact theory: various biological applications, Science, 131, 1668 (1960).

предыдущая главасодержаниеследующая глава



«Альтернативная история» белков проливает свет на роль случайности в эволюции

Медузы тоже умеют спать

Можно ли повысить шансы на удачную мутацию?

Учёным впервые удалось успешно заморозить (и разморозить) зародыш рыбы

Новое древо жизни включит «симбиомов» как отдельные организмы

Предок энтерококков появился 450 миллионов лет назад

Эксперимент на улитках подтвердил классическую идею о «двойной цене самцов»

Генетики строят родословное древо архей

Одноклеточные существа изобрели гарпунные пулеметы

Раскрыт один из секретов тихоходок

Обнаружены гигантские вирусы с расширенным репертуаром генов для синтеза белка

Первые шаги земной жизни




© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://biologylib.ru/ 'BiologyLib.ru: Библиотека по биологии'

Рейтинг@Mail.ru