Радиоизмерение частоты сердечных сокращений и температуры тела при помощи датчиков, имплантируемых под кожу (У. Эсслер) [1965 -

В настоящем докладе речь идет о работе, выполненной 3 года назад. С тех пор конструкция приборов осталась неизменной, и мы постоянно применяем их в биологических экспериментах.

В нашей телеметрической системе используются передатчики, имеющие малый радиус действия и небольшую мощность, но значительный срок службы. Они работают на частотах 200-500 кгц и пригодны для имплантации.

В передатчике используется известная схема генератора, часто встречающаяся в литературе. Генератор имеет смещение; общий потребляемый ток составляет 5-14 мка. При таком расходе энергии срок службы генератора составляет 200 дней при питании от небольшой ртутной батареи емкостью 75 ма⋅час.

На фиг. 1 показан передатчик с датчиком температуры. Размеры его довольно велики, но они удовлетворяют поставленным требованиям. Датчик чувствителен к изменениям температуры порядка 0,1° и менее; для абсолютных измерений температуры с такой точностью он не годится из-за разрядки батареи. Прибор использовался для измерения суточных колебаний температуры.

Фиг. 1. Передатчик температуры

Передатчик ЭКГ имеет два каскада предварительного усиления и тот же генератор; он потребляет ток 40-90 мка от батареи с напряжением 1,34 в и емкостью 75 ма⋅час; срок службы - более 30 дней (при использовании большей батареи можно его увеличить). Внешний вид передатчика ЭКГ показан на фиг. 2.

Фиг. 2. Передатчик ЭКГ

Для приема сигналов используется обычный приемник в диапазоне СВ^*. Аналогичную аппаратуру использовал д-р Маккей при измерении давления. При каждом сокращении сердца изменяется высота тона приемника, так что частоту сердечных сокращений можно определять непосредственно путем подсчета этих изменений. Посредством демодуляции сигнала и его записи получаются обычные ЭКГ.

^* (СВ - диапазон для индивидуальных станций (460-470 Мгц). - Прим. перев.)

На фиг. 3. показаны ЭКГ нескольких млекопитающих, полученные при помощи радиотелеметрии. Одна из них (для кролика) записана от передатчика, имплантированного под кожу, в остальных случаях передатчик прикрепляли снаружи.

Фиг. 3. ЭКГ пяти млекопитающих, полученные при помощи радиотелеметрии. 1 - человек; 2 - собака; 3 - кошка; 4 - кролик; 5 - кролик с введенным под кожу передатчиком

ЭКГ, показанные на фиг. 4, получены с помощью передатчиков, введенных под кожу. Первая запись для песца получена в июле, а вторая - в октябре 1961 г. 5 марта 1962 г. я обнаружил, что передатчик еще работает и регулярно передает данные. Он прекратил передачу только 21 марта 1962 г., т. е. непрерывно работал в течение 8 месяцев. Это максимальный срок службы, который нам удалось достичь.

Фиг. 4. ЭКГ и частота сердечных сокращений (число ударов в 1 мин) у трех обитающих в Арктике млекопитающих (А - суслик, Б - песец, В - заяц-беляк), полученные с помощью имплантированных передатчиков. Цифры слева - нижняя граница, цифры справа - верхняя граница

Более ранние записи, приведенные на фиг. 3, были получены при полевых испытаниях различных способов радиотелеизмерений на Аляске в июне 1961 г. Наша цель состояла в измерении температуры и частоты сердечных сокращений животных во время 24-часового полярного дня.

Подробное описание исследовательской станции

Построенная для наших опытов исследовательская станция показана на фиг. 5. Клетки для животных находились на открытом воздухе. Приемная антенна охватывала каждую клетку и соединялась с приборами, расположенными в постройке площадью 4,8 × 3 м (на заднем плане фиг. 5), в которой и велись наблюдения. Большая часть экспериментов была проведена на аляскинских длиннохвостных сусликах. Передатчики температуры и ЭКГ вводились в полости тела животных хирургическим путем.

Фиг. 5. Клетки с животными на исследовательской станции

На фиг. 6 показана внутренняя часть клетки, где сидит суслик, которому введен датчик. Вся клетка деревянная и лишь верхняя часть стенок затянута проволочной сеткой. Это было сделано потому, что помещение металлического предмета на расстоянии нескольких сантиметров от передатчика изменяло частоту генератора и вносило ошибки в измерения.

Фиг. 6. Суслик с имплантированным передатчиком в своей клетке 14

К счастью, в последние дни нашего пребывания в Арктической лаборатории была поймана белая лиса и в нее был введен передатчик ЭКГ (фиг. 7). Позднее эта лиса была доставлена самолетом в Университет штата Айова. Фотография, приведенная на фиг. 8, была получена в октябре 1961 г., причем в животном по-прежнему находился передатчик.

Фиг. 7. Песец с датчиком ЭКГ (июль 1961 г.)

Фиг. 8. Песец (тот же, что на фиг. 7) с работающим датчиком ЭКГ (октябрь 1961 г.)

Во время наших экспериментов в Арктической исследовательской станции были собраны данные об активности животных и о связи ее с температурой и частотой сокращений сердца. При этом мы пользовались следующей шкалой активности.

Фиг. 9 характеризует связь между температурой тела, измеренной при помощи радиотелеметрии, и активностью суслика, а фиг. 10 - связь активности с частотой сердечных сокращений (для другого суслика). На фиг. 11 показана связь активности и частоты сердечных сокращений для песца.

Фиг. 9. Температура тела и активность арктического суслика

Фиг. 10. Частота сокращений сердца и активность арктического суслика

Фиг. 11. Частота сердечных сокращений и активность песца

Недавно были проведены другие опыты по измерению частоты сердечных сокращений с помощью радиотелеметрии. Они были проведены на корове и показали, что в послеродовый период частота сердечных сокращений значительно увеличивается.

Одно из наиболее важных практических применений радиотелеметрических методов иллюстрирует фиг. 12, где показана частота сердечных сокращений спящего или отдыхающего животного. Так как животному никто не мешает и оно не видит наблюдателя, регистрируемая этим методом частота сердечных сокращений действительно соответствует полному покою. Мы обнаружили, что эта частота значительно ниже той, которая приводится в справочниках.

Фиг. 12. Частота сердечных сокращений песца во время сна и отдыха

Я собирался также коснуться информационного аспекта радиотелеметрии. Этот вопрос был поставлен здесь м-ром Кочреном, сообщившим, что полоса пропускания частот его приемника была уменьшена до 10 гц. Эта тема обсуждалась сегодня много раз, поэтому дальнейшая дискуссия, вероятно, мало что даст. Однако стоит указать, что тщательное конструирование систем, при котором принимается во внимание информационное содержание физиологических явлений, обеспечивает большие возможности увеличения радиуса действия.

Продумав конструкцию антенны, также можно увеличить радиус действия низкочастотных передатчиков малой мощности. Напряжение сигнала, принятого круговой рамочной антенной, уменьшается в соответствии с уравнением, приведенным на фиг. 13. При довольно длинной прямоугольной рамке величина сигнала приблизительно та же, что в круговой рамке подобного диаметра. Если длина рамки меньше 1/10 длины волны, то напряжение сигнала, снимаемого с прямоугольной рамки, несколько больше, чем 0,637 Е_кр (Е_кр - напряжение, снимаемое с круговой рамки). Это важно для тех опытов, где нужно знать размеры области, в которой допускается свободное перемещение животного. Эту область можно значительно увеличить при использовании прямоугольной, а не круговой антенны.

Фиг. 13. Две формы одновитковой приемной антенны: А - круговая, Б - прямоугольная

Примеры расчета максимальной области, охватываемой антенной

Обсуждение доклада

Эсслер. Изменения активности, температуры и частоты сердечных сокращений сердца регистрировались каждые 15 мин.

Тестер. Вы смотрели на клетку, записывали активность и уходили от клетки?

Эсслер. Нет, мы оставались в постройке, которая находилась на расстоянии 4,5 м от животного, и наблюдали за ним через темное стекло. В этой постройке мы следили также за частотой сокращений и температурой. Наблюдатели работали посменно, по 8 час.

Маккей. Относится ли последняя схема к случаю расположения рамки приемника в одной плоскости с рамкой передатчика?

Эсслер. Да, они находятся в одной плоскости и расположены концентрично.

Маккей. С увеличением приемной рамки сигнал сначала усиливается, но затем начинает ослабевать. Другими словами, существует некоторый оптимальный диаметр этой рамки. При телеметрии физиологических данных это необходимо принимать во внимание.