Часть II. Современное состояние биологической телеметрии

Некоторые замечания о применении телеметрии в биологии (Н. Холтер)

Для начала я воспользуюсь своим правом председателя секции и сделаю ряд вводных замечаний; я покажу вам также одну старую фотографию, чтобы напомнить тот долгий путь, который прошла телеметрия в качестве технического средства биологических исследований.

Сегодня, я надеюсь, мы много услышим о последних достижениях в схемных решениях, и особенно в области микроминиатюризации, которая со временем будет приобретать все большее значение для успешного развития биотелеметрии. Но электронная аппаратура не всегда была такой. Взгляните на фотографию (фиг. 1). Это аппаратура, собранная 15 лет назад нашей группой, когда пальчиковые радиолампы считались чрезвычайно маленькими. Вы, наверное, думаете, что эта коробка, которая висит перед испытуемым, и есть телеметрическое оборудование, но это не так. Этот ящик - всего лишь источник питания - множество маленьких списанных армейских аккумуляторов, питающих двигатель. Используя подручные материалы, мы построили остальное оборудование, прикрепляемое к спине испытуемого и представлявшее собой сочетание внутренностей промышленного электроэнцефалографа с радиопередатчиком, где в качестве рамы использовался полученный с армейских складов ящик для боеприпасов. Все это снаряжение весило 32 кг, так как мы не пытались достичь минимального веса. Мы скорее просто проверяли осуществимость нашей идеи, состоявшей в том, что с движущегося человека можно передавать радиосигналами точную электроэнцефалограмму и электрокардиограмму. И только убедившись, что телеметрические данные успешно выдерживают сравнение с данными, одновременно регистрируемыми обычным способом, мы занялись проблемой уменьшения веса. Мы ездили на велосипеде по комнате и регистрировали возрастание амплитуды α-ритма на радиоэлектроэнцефалограммах в тех случаях, когда испытуемый закрывал глаза. Прогулки на велосипеде с тридцатидвухкилограммовым грузом и закрытыми глазами под силу только очень молодому человеку, так что мы больше их не повторяли. После многих лет работы и многих перепробованных вариантов мы получили прибор, который имеет размеры пачки сигарет и почти ничего не весит. Во всяком случае мне хочется напомнить тем из вас, кто помоложе, что когда-то, до эры транзисторов, была такая штука, как радиолампа, и что в нашем оборудовании их было великое множество.

Фиг. 1. Одна из первых попыток (1947) измерения физиологических параметров у движущегося субъекта методом телеметрии

Прогресс за последние годы, давший нам транзисторы, тонкие пленки и так называемые микромодули, был столь велик, что я ничуть не удивился бы, если бы сегодня кто-нибудь рассказал о том, что у него генератор или усилитель построен на одной молекуле, где один атом играет роль катода, другой - сетки и третий - анода; для двухтактного контура ему потребовалось бы две таких молекулы. Создается такое впечатление, что в физике твердых схем нет больше ничего невозможного.

При решении проблемы сотрудничества между физиками и биологами мне хотелось бы настоятельно призвать вас к тому, чтобы электронная аппаратура наилучшим образом соответствовала дели своего назначения в биологических экспериментах и была бы возможно более простой. Среди инженеров существует тенденция увлекаться блестящими схемными решениями, забывая о назначении разрабатываемой аппаратуры. В качестве иллюстрации я хочу вспомнить тот случай, когда я отвечал за измерение высоты волн во время подводного атомного взрыва в 1946 г. Так как мы не знали, чего следует ожидать, наша группа разработала и опробовала больше дюжины различных методов, лучший из которых, для использования на земле, оказался и самым простым: мы прибивали к пальмам пустые банки из-под пива, над которыми были укреплены жестяные крышечки для защиты от дождя.

Я предлагаю, далее, пользоваться телеметрией не ради самой телеметрии, но только в тех случаях, когда она действительно является наилучшим методом. При изыскании способов непрерывной регистрации ЭКГ у находящихся в движении людей мы в конце концов отказались от телеметрии, так как нашли, что непосредственная регистрация физиологических явлений на месте дает лучшие результаты. Раньше осуществить такую регистрацию было невозможно из-за размеров электронного оборудования. Этот метод не проходит при работе с животными небольшого размера, и он, соответственно, не относится к теме конференции, однако я упомянул о нем потому, что видел, как применяли телеметрию скорее потому, что это "модно", чем необходимо или полезно.

Правильное планирование экспериментов помогает лучшему проектированию аппаратуры. Следует принимать во внимание объем получаемых данных, методы переработки данных (особенно если их объем очень велик), время, необходимое для данного измерения, физическую активность исследуемого организма, будь то птица, летящая с большой скоростью, или прикованный к постели человек, необходимость немедленной обработки данных или же хранения их для последующего анализа и т. д. и т. д. Рассмотрим в качестве примера изучение электрической активности человеческого сердца. В ранних работах мы поступали крайне упрощенно - строили передатчик и прикрепляли его к находящемуся в движении испытуемому. Однако, имея в распоряжении современное электронное оборудование, можно найти, скажем, такой более тонкий подход к проблеме. Будем рассматривать только три условия А, В и С, определив их следующим образом.

А₁ - необходимы только короткие периоды наблюдений;

А₂ - необходимы долговременные наблюдения;

В₁ - испытуемый физически активен;

В₂ - испытуемый находится в покое;

С₁ - данные необходимо анализировать немедленно;

С₂ - анализ данных может быть произведен через некоторое время после измерения.

Если эти условия независимо принимают все возможные значения, мы получаем восемь комбинаций:

Полезно исследовать каждую из этих восьми комбинаций с целью выяснить, какие из них могут встречаться в действительности, а какие нет. Учитель в школе сказал бы: "Возьмите эту задачу на дом", но я предложу несколько объяснений. Например, ситуация А₂В₁С₂ должна привести к проектированию аппаратуры для длительной регистрации данных, поступающих от подвижного испытуемого и не требующих немедленного анализа. В нашей лаборатории такого рода прибор используется для длительного изучения сердечной активности людей, занимающихся своими обычными делами. Эта комбинация оптимальна, потому что испытуемые совершенно не должны находиться в пределах радиуса действия телеметрической аппаратуры. С другой стороны, рассмотрим комбинацию A₁B₁C₁, требующую периодических коротких наблюдений активных испытуемых и немедленного анализа данных и, следовательно, телеметрии. Этому случаю соответствует, скажем, наблюдение за госпитализированным больным-сердечником, который впервые отваживается самостоятельно пройти от постели до ванной. Наблюдение за лыжником связано с экспериментальной ситуацией A₁B₁C₂. Все это, конечно, сверхупрощенные ситуации, но сам подход оказался весьма полезным и поэтому я хотел сообщить вам о нем.