Достижения в разработке датчиков для биологических измерений (К. Лион)

Когда в ходе биологического исследования или исследования поведения мы измеряем ту или иную величину, мы имеем дело с последовательностью нескольких различных событий. Вначале может произойти какое-то событие во внешней среде, которое приводит к биологической реакции или к совокупности таких реакций. Эта биологическая реакция - например секреция адреналина - приводит к определенным физическим или химическим изменениям внутри исследуемого объекта или на его поверхности, например к изменению электрического сопротивления кожи. Если физическое или химическое изменение произошло, мы можем измерить его; для этого мы пользуемся специальным прибором-датчиком, который превращает происходящее физическое изменение в полезный сигнал. Вообще говоря, процесс измерения не завершается превращением физического или химического изменения в сигнал. Чтобы получить желаемую информацию, сигнал должен быть подвергнут переработке, т. е. усилен или ослаблен, профильтрован, проинтегрирован и т. д., с помощью других элементов аппаратуры, которые мы называем преобразователями. То, что впоследствии происходит с сигналом или с содержащейся в нем информацией, не относится к теме моего выступления. Мой доклад касается датчиков, но не биологических датчиков, как можно было бы подумать по заголовку. Надеюсь, из сказанного выше ясно, что используемые нами в приборах датчики измеряют физические величины, которые в результате интерпретации становятся биологическими величинами.

Сперва может показаться, что существует поистине бесконечное число датчиков. Однако это не так. Число систем, пригодных для преобразования одних физических или химических величин в другие величины, или сигналы, ограничено. Предлагаемая мною номенклатура датчиков показана ниже.

Номенклатура датчиков

Это просто матрица 7×7, в которой в верхней строке расположены входные величины, а в левом столбце - выходные. Классификация величин соответствует обычной классификации, принятой в физике, а именно они делятся на механические, термические, магнитные, электрические, оптические, ядерные и молекулярные. Очевидно, любая система, превращающая световое излучение в электрический сигнал, должна находиться на пересечении столбца 5 (оптический вход) и строки 4 (электрический выход). В первоначальном проекте классификации я проводил различие между входными и выходными датчиками. Однако эта точка зрения, видимо, несостоятельна. Так, фотоэлемент является одновременно выходным датчиком для оптической системы и входным датчиком для электрической системы.

Приборы, указанные в некоторых клетках таблицы, следует рассматривать лишь как примеры. Заметим, что для некоторых преобразований имеется очень много пригодных систем датчиков, тогда как другие клетки пусты - либо потому, что эта область недостаточно развита, либо потому, что нет нужды в преобразователях определенного вида; кроме того, возможно, конечно, что существуют типы датчиков, о которых я не осведомлен. Часто появляются сообщения о новых датчиках, заполняющих эти пробелы. В качестве примера я хотел бы упомянуть недавно описанный датчик, который превращает тепловую величину (например, температуру или интенсивность теплового излучения) в изменение магнитного потока. Этот датчик состоит из трансформатора с первичной и вторичной обмотками. Магнитная цепь имеет зазор, в который вставлен кусочек вещества с высокой восприимчивостью, точка Кюри которого очень близка к рабочей температуре датчика. Повышение температуры резко уменьшает магнитную восприимчивость этого вещества, так что оно из ферромагнитного становится парамагнитным. Такая система может быть сделана настолько чувствительной, что она была предложена для измерения температуры удаленных звезд.

Датчики, применяемые в биологических исследованиях

Особенно успешно продвигается разработка датчиков с механическим входом и электрическим выходом. Это естественно, так как электрический выход наиболее удобен для дальнейшей переработки выходного сигнала - усиления, запоминания, вычислительной обработки и телеметрической передачи. Кроме того, многие интересующие нас биологические показатели (давление, температура и даже концентрация ионов водорода) можно преобразовать в механическое смещение, которое затем преобразуется в электрический сигнал посредством эффектов изменения сопротивления, индуктивности или емкости или посредством пьезоэлектрического эффекта.

Преобразование тепловых величин в электрический сигнал чаще всего осуществляется посредством термисторов, особенно в системах биотелеметрии. Достоинствами термисторов являются их малый размер, прочность и стабильность; крайне удобно также, что при работе с термисторами нет необходимости в опорной температуре. Недостаток их во многих случаях - нелинейность характеристики.

Измерения магнитного поля производятся в биологических исследованиях довольно редко; можно назвать лишь некоторые эксперименты, относящиеся к вопросам роста, а также эксперименты, связанные с изучением механизма возвращения животных к дому. Наиболее многообещающим среди магнитно-электрических преобразователей является датчик, принцип действия которого основан на магниторезистивном эффекте. Давно известный тип этого датчика - бифилярная спираль из висмута, электрическое сопротивление которой меняется в магнитном поле, - по-видимому, недостаточно чувствителен для измерения вариаций магнитного поля Земли. Новые разработки в области полупроводников показали, что можно значительно повысить чувствительность датчиков, основанных на магниторезистивном эффекте (и близких к ним датчиков, основанных на Холл-эффекте), изготовляя их из легированного германия.

Для преобразования светового сигнала в электрический пригодны три типа датчиков. Это, во-первых, датчики, в которых используется внешний фотоэффект; их работа основана на фотоэлектрической эмиссии электронов металлической поверхностью. Во-вторых, датчики, использующие внутренний фотоэффект, работа которых основана на движении носителей тока внутри твердого полупроводника. К этой группе относятся фотосопротивления, фотогальванические элементы, фотодиоды и фототранзисторы. В-третьих, приемники теплового излучения. За последние несколько лет были достигнуты успехи преимущественно в области фотопроводимости (внутреннего фотоэффекта) и были разработаны датчики, чувствительные к далекой инфракрасной области спектра, вплоть до длин волн в несколько микрон.

Новые успехи особенно заметны в области молекулярных датчиков, и есть основания полагать, что в недалеком будущем появится целый ряд датчиков, которые, будучи помещены в раствор или в смесь газов, дадут нам информацию о типах молекул, составляющих эту смесь или раствор, а также о концентрациях этих молекул.

Любопытно, что существует ряд датчиков, которые дают количественную информацию о концентрации вещества, но не дают информации о типе молекул этого вещества. Примером может служить элемент, измеряющий проводимость. В исследуемый электролит вводятся электроды и измеряется электрическое сопротивление. Оно зависит от геометрии проводников, которая сохраняется неизменной при всех измерениях, и от степени диссоциации, а также от подвижности ионов в растворе. Кривая, изображающая зависимость сопротивления от концентрации, поднимается сначала от нуля вверх, достигает некоторого максимального значения и затем снова спадает почти до нуля^*. Поэтому каждому значению сопротивления соответствуют два значения концентрации, которые с одинаковым основанием могут быть приняты за результат измерения. Это затруднение можно обойти, применяя датчик только для электролитов с низкой концентрацией. Однако даже в этом случае изменение сопротивления может быть вызвано либо высокой степенью диссоциации молекул при низкой концентрации, либо обратной ситуацией. Следовательно, этот датчик является неспецифичным. Его можно применять лишь в тех случаях, когда требуется следить за переменной концентрацией одного определенного вещества; для этой цели он вполне хорош и имеет очень широкое применение (измерение чистоты воды, контроль продукции химической промышленности и т. д.).

^* (Автор, по-видимому, имеет в виду кривую проводимости - величины, обратной сопротивлению. - Прим. перев.)

Потенциометрические датчики, вообще говоря, более специфичны. Потенциал pH-электрода (лучшим примером которого служит, по-видимому, стеклянный электрод) почти однозначно определяется концентрацией ионов водорода в растворе. Однако, поскольку каждая потенциометрическая система обязательно содержит два электрода, могут возникнуть ошибки, связанные с выбором опорного электрода.

Наиболее ценным из всех молекулярно-электрических датчиков является полярограф, состоящий в принципе из двух электродов, внесенных в подлежащий анализу раствор. К электродам прикладывается постепенно возрастающее напряжение. При этом ток растет с напряжением нелинейно, приблизительно в форме ступенек. Интервал напряжений, в котором происходит возрастание тока, характерен для некоторого специфического иона, тогда как величина тока есть функция концентрации этого иона в растворе.

Датчики для анализа газов

В развитии молекулярных датчиков для анализа газов в настоящее время также происходят революционные изменения, отражающие потребность в более совершенных детекторах для газовой хроматографии, течеискателей, индикаторов ядовитых газов и тому подобных задач, которые не могут быть решены обычными методами химического анализа. Во многих случаях камнем преткновения является здесь опять-таки специфичность датчика. Как известно, датчик, работающий на теплопроводности, содержит нить, нагреваемую током и охлаждаемую (посредством теплопроводности) окружающим ее газом. Любое изменение состава газа вызывает изменение температуры нити и, следовательно, изменение ее сопротивления. Однако изменение температуры не является специфичным для какого-либо одного газа. Некоторой специфичности можно достигнуть посредством системы из двух датчиков. Газ вначале пропускается через один элемент, затем селективно абсорбируется и пропускается через второй элемент. По разности показаний двух датчиков можно вычислить концентрацию поглощенного газа.

Датчики, основанные на теплопроводности, могут быть сделаны специфически чувствительными к кислороду. Для этой цели внутри прибора устанавливается магнит, создающий неоднородное магнитное поле, напряженность которого максимальна в окрестности нагреваемой нити. Молекулы кислорода парамагнитны. Они увлекаются к области наибольшей напряженности поля, где под действием высокой температуры теряют свои парамагнитные свойства, после чего поле перестает на них действовать. Тогда они поднимаются, охлаждаются, и описанный процесс повторяется сначала. Таким образом, кислород образует как бы "магнитный ветер", охлаждающий нить. Поэтому эта система специфична по отношению к кислороду. Следует отметить, что описанный датчик кислорода был бы бесполезен в космическом корабле, так как в условиях невесомости движение кислорода из области максимальной напряженности магнитного поля не происходило бы.

Одним из наиболее многообещающих молекулярных датчиков является ионизационная камера. Ионный ток в такой камере зависит от интенсивности излучения и в большой степени - от давления и природы газа, заполняющего камеру. Если интенсивность излучения поддерживается постоянной (путем помещения радиоактивного вещества внутрь камеры), то можно измерить давление или концентрацию газа.

Эта система чрезвычайно чувствительна к некоторым примесям. При концентрации примеси менее 10^-10 величина ионного тока может существенно измениться. В принципе этот датчик не обладает специфичностью, но я рад сообщить, что моему сотруднику, д-ру Вандершмидту, удалось недавно модифицировать его таким образом, что он приобрел специфичность по отношению к некоторым газам. Однако эти исследования еще не завершены.

В дополнение к сказанному выше я хотел бы рассказать еще об одном типе аппаратуры, недавно разработанном в нашей лаборатории, который, возможно, заслуживает особого интереса в связи с проблемами телеметрии. Я уже отметил ранее, что существует большая потребность в датчиках, преобразующих механическое смещение в электрический сигнал. Во многих физиологических исследованиях смещение или силу особенно удобно измерять с помощью емкостного датчика. Из всех электрических датчиков смещения он требует наименьших механических усилий. Благодаря своей гибкости такой датчик, будучи укреплен на наружной или внутренней поверхности функционирующего органа, позволяет регистрировать его деформацию. Такой датчик можно сделать исключительно чувствительным (он может давать полезный сигнал при деформациях менее 10^-8 см) и приспособить для измерений смещений, достигающих нескольких дюймов. Переходная характеристика такого датчика может быть линейной, гиперболической или любой другой желаемой функцией. Однако недостаток его заключается в том, что посредством простой схемы трудно преобразовать изменение емкости в изменение напряженности, и поэтому в прошлом емкостные датчики не находили широкого применения.

На фиг. 1, А изображена новая схема, дающая напряжение постоянного тока, изменяющееся по величине и полярности в зависимости от малых изменений емкости. Источник переменного напряжения Е заряжает емкость С₁ через диод D₁. Конденсатор С₁ разряжается через сопротивление R₁ и амперметр М. Если постоянная времени C₁R₁ велика, напряжение на конденсаторе практически остается равным пиковому значению приложенного переменного напряжения независимо от величины С₁. Однако если выбрать постоянную времени C₁R₁ так, чтобы она имела тот же порядок величины, что и период переменного напряжения Т, то средняя постоянная составляющая напряжения и средний ток через амперметр М изменяется весьма чувствительным образом в зависимости от величины емкости С₁.

Фиг. 1. Т-образная (А) и двойная Т-образная (Б) схемы для работы с емкостными датчиками

На фиг. 1, Б изображена дополнительная система D₂ - С₂ - R₂, причем диод D₂ включен в обратном направлении по отношению к диоду D₁. Ток разрядки С₂ через амперметр М уравновешивает ток разрядки С₁, если С₁ и С₂ одинаковы и если одинаковы переходные характеристики двух диодов D₁ и D₂. Однако не требуется даже, чтобы это последнее условие строго выполнялось. Любая разница между D₁ к D₂ может быть скомпенсирована подбором одного из сопротивлений R₁ или R₂. В результате мы получаем, как показано на фиг. 1, Б, нелинейную двойную Т-образную цепь. Фазовый сдвиг в обычной двойной Т-образной цепи обусловлен реактивными сопротивлениями. В нашей схеме он обусловлен двумя противоположно включенными диодами D₁ и D₂.

Математический анализ, проведенный при допущении, что диоды работают в ключевом режиме, показывает, что выходное напряжение приближенно равно т. е. пропорционально разности между измерительной и компенсирующей емкостями.

Эта схема была использована в экспериментах, связанных с регистрацией перистальтики желудка под действием различных психических раздражителей. Основной интерес представляли моменты возникновения перистальтики и ее продолжительность, а не абсолютная величина смещения стенки желудка и локализация смещения. Емкостной датчик (фиг. 2), применявшийся в этой работе, состоял из гибкого центрального электрода (металлическая фольга), окруженного сжимаемым диэлектриком (рубчатая резина), в свою очередь окруженным заземленным электродом, также чрезвычайно гибким. Электроды и вся схема были заключены в тонкостенную резиновую трубочку и хирургическим путем имплантированы в наружную стенку желудка крысы. Соединения этого датчика были вынесены в маленькое гнездо, помещенное на спине крысы.

Фиг. 2. Емкостной датчик механического смещения и силы. 1 - диэлектрик (губчатая резина); 2 - внешний (заземленный) электрод; 3 - внутренний электрод

Чувствительность датчика и схемы по отношению к приложенной силе составляла примерно 1 мв/дин и оказалась более чем достаточной для поставленных целей. Эта схема проста и эффективна, исключительно легка по весу и мала по объему, так что имплантация ее в ткани не составляет никакой проблемы. Ее дополнительное преимущество состоит в том, что один из выводов источника питания, измерительной емкости и компенсирующей емкости, а также детектор могут быть заземлены, так что даже без применения переходного трансформатора или заземления Вагнера число паразитных сигналов в среднем меньше, чем 1 на 1000.