Передача физиологических данных по проводам (Л. Джеддес, Х. Хофф)

В 1959 г. Холтер предложил следующее определение телеметрии: "телеметрия есть средство записи процесса, происходящего на расстоянии от места записи". Это определение не указывает на какой-либо определенный способ передачи или какое-либо определенное расстояние, но обычно термин "телеметрия" применяется при радиопередаче на значительные расстояния.

Во многих случаях более экономичной оказывается непосредственная передача по проводам, если это допускают условия опыта. В настоящем докладе обсуждается способ передачи физиологических данных по проводам на расстоянии до 0,8 км (полоса пропускания системы 0,5 кгц), принятый в Медицинском отделении Бэйлорского университета (г. Хаустон, штат Техас).

На фиг. 1 приведена современная блок-схема системы. Следует отметить, что, хотя линии передачи проходят через районы с сильными электрическими помехами, по ним можно передать безо всяких искажений физиологические данные, радио- и телевизионные сигналы. Сплошные линии на фиг. 1 обозначают уже установленное оборудование, а пунктир - то, которое будет установлено в ближайшем будущем.

Фиг. 1. Блок-схема системы, используемой в учебных целях в Бэйлорском университете для передачи физиологических данных по проводам (помещения университета отмечены двойной линией)

При рассмотрении схемы может показаться, что цепи, соединяющие целый ряд различных лабораторий, должны быть очень сложными. На самом деле они весьма просты. Рассмотрим в качестве иллюстрации один из каналов учебного самописца (фиг. 2). Он состоит из трех составных частей. Слева изображены датчики, в центре - усилитель, справа - самописец (один из применяющихся обычно датчиков - телеметрический приемник ЧМ для записи ЭКГ и дыхания - не показан). На фиг. 3 изображен один из каналов записи, применяемый в клинической лаборатории. Единственное отличие от предыдущего состоит в использовании предусилителя с коэффициентом усиления, равным единице, что позволяет расположить некоторые датчики на расстоянии 15 м от приемного записывающего устройства.

Фиг. 2. Составные части одного из каналов учебного самописца для записи физиологических данных. 1 - миограф; 2 - пневмограф; 3 - датчик давления; 4 - микрофон для передачи тонов сердца; 5 - электроды

Фиг. 3. Составные части одного из каналов, используемых в клинической лаборатории для записи физиологических данных. Датчики: а - ЭКГ; б - ЭЭГ и ЭМГ; в - тоны сердца; г - содержание СО₂, О₂, N₂; д - объем и частота дыхания; е - давление крови; ж - плетизмография; з - насыщение кислородом; и - электрическое сопротивление кожи; к - кардиотахометр

Для передачи данных можно использовать либо сигналы на входе усилителя самописца, либо сигналы на его выходе. Несмотря на высокий уровень сигналов на выходе усилителя, лучше использовать для записи сигналы на его входе, чтобы исключить влияние переходных процессов при перемещении пера. Если качество системы перемещения пера достаточно высоко, можно также использовать сигналы на выходе усилителя. При снятии сигналов с входа усилителя самописца и подаче их через такой же усилитель в линию связи блок-схема системы имеет вид, показанный на фиг. 4. Если в линию связи поступают сигналы с выхода усилителя самописца, то их амплитудное значение достигает 100 в при симметричной нагрузке на приемном конце, равной 3000 ом. Схема такой системы показана на фиг. 5, А, где линия передачи изображена в виде распределенных сопротивлений и емкостей. При короткой линии передачи для ее расчета теория цепей не требуется. Распределенные элементы можно заменить сосредоточенными, в результате чего схема становится значительно проще (фиг. 5, Б). После дальнейшего упрощения схема принимает вид, показанный на фиг. 6, из которого видно, что с увеличением частоты выходной сигнал схемы уменьшается из-за шунтирующего действия емкости кабеля. В такой линии передачи выходное сопротивление усилителя самописца, сопротивление линии и удельная емкость кабеля должны быть небольшими, так как в противном случае частотная характеристика схемы ухудшается.

Фиг. 4. Система передачи при снятии сигналов с входа усилителя

Фиг. 5. Линия передачи с распределенными (А) и сосредоточенными (Б) параметрами

Фиг. 6. Дальнейшее упрощение схемы, показанной на фиг. 5, Б. При R << Z_g омические потери в линии пренебрежимо малы. С увеличением частоты чувствительность падает

Поскольку выходной сигнал линии передачи поступает на вход такого же усилителя другого самописца, возникает необходимость в уменьшении сигнала и в согласовании масштабов самописцев (уровней сигналов постоянного тока). При этом возникает возможность скорректировать частотную характеристику, для чего применяется схема, изображенная на фиг. 7, А. Сопротивления R₁, R₂ и R₃ служат для баланса по постоянному току и рассчитываются таким образом, что корректирующая цепочка вместе с усилителем имеет коэффициент передачи, равный единице. Конденсаторы С₁ служат для коррекции характеристики на высоких частотах (фиг. 7, Б).

Фиг. 7. Метод корректировки частотной характеристики схемы, приведенной на фиг. 6. А - корректирующая цепочка; Б - влияние сопротивлений и емкости на частотную характеристику. См. текст

На фиг. 8 показаны переходные функции для самой длинной и самой короткой линии передачи. Отметки времени 0,1 мсек, полоса пропускания 0-5 кгц и 0-10 кгц. Короткая линия передачи слегка перекомпенсирована.

Фиг. 8. Переходные функции длинной (А) и короткой (Б) линий передачи

Кривые, полученные при передаче физиологических данных с помощью этой системы, приведены на фиг. 9. Центральная часть записи соответствует моменту, когда испытуемого попросили задержать дыхание на вдохе. Наличие плато свидетельствует о способности системы передавать колебания при частотах, близких к 0 гц. На фиг. 10 приведены другие, более подробные записи, полученные при передаче данных по трем каналам из клинической лаборатории ЭЭГ в студенческую лабораторию, расположенную на расстоянии 83 м. Несмотря на небольшую разницу в скорости протяжки бумаги, можно отметить хорошее совпадение полученных и переданных данных.

Фиг. 9. Передача физиологических данных по проводам. А - на передающей стороне, Б - на приемной стороне; I - ЭКГ, II - дыхание. Отметка времени 1 сек

Фиг. 10. Записи по трем каналам, переданные из клинической лаборатории ЭЭГ в студенческую лабораторию, расположенную на расстоянии 83 м. I - левая височная доля; II - левая затылочная доля; III - правая затылочная доля (верхние записи на приемной стороне, нижние - на передающей). Отметка времени 1 сек

Описанная система для передачи физиологических данных работает уже 3 года. За это время передавались и низкочастотные и высокочастотные процессы. Хотя чаще передавались и записывались сигналы низкой частоты, результаты передачи тонов сердца и электромиограмм показывают, что на высоких частотах система работает достаточно хорошо.

Литература

1. Hoff Н. E., Geddes L. A., Spencer W. A., The Physiograph - an instrument in teaching Physiology, J. Med. Ed., 32, 181 - 198 (1957).

2. Geddes L. A., Hoff H. E., Spencer W. A., "The Broadcast Demonstration" in the Physiology Laboratory, J. Med. Ed., 34, 107-117 (1959).

3. Geddes L. A., Hoff H. E., Spencer W. A., The Center for Vital Studies-А new laboratory for the study of bodily functions in man, IRE Transactions on Bio-Medical, Electronics, BME-8, 33-45 (1961).

4. Geddes L. A., Hoff H. E., Spencer W. A., Short distance broadcasting of physiological data, IRE Transactions on Bio-Medical Electronics, BME-8, 168-172 (1961).

5. Holter N. J., Remote recording of physiological data, Rocky Mtn, Journ., 46, 749-751 (1949).