Области применения биотелеметрических систем в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Особая отрасль электроники в медицине -- телеметрия или измерение на расстоянии. Этот метод можно применять чуть ли не во всех приборах медицинской техники. (Разумеется, телеметрия играет весьма важную роль и в промышленной технике измерений.) Прежде чем перейти к более близкому знакомству с телеметрией в медицине, имеет смысл сказать несколько слов о самом понятии "измерения".

В измерениях налицо три фактора: измеряемый объект; человек, производящий измерения; измерительное средство. Если три фактора находятся в одной и той же точке пространства, в его окрестности, то мы говорим об обычном измерении. Если между измеряемым объектом и человеком, производящим измерения, по сравнению с их размерами существенное расстояние в пространстве, то для осуществления измерения нужна телеметрия.

ГЛАВА 1. БИОТЕЛЕМЕТРИЯ

Особая отрасль электроники в медицине -- телеметрия или измерение на расстоянии. Этот метод можно применять чуть ли не во всех приборах медицинской техники. (Разумеется, телеметрия играет весьма важную роль и в промышленной технике измерений.) Прежде чем перейти к более близкому знакомству с телеметрией в медицине, имеет смысл сказать несколько слов о самом понятии "измерения".

В измерениях налицо три фактора: измеряемый объект; человек, производящий измерения; измерительное средство. Если три фактора находятся в одной и той же точке пространства, в его окрестности, то мы говорим об обычном измерении. Если между измеряемым объектом и человеком, производящим измерения, по сравнению с их размерами существенное расстояние в пространстве, то для осуществления измерения нужна телеметрия. Характерной чертой телеметрии является еще и то, что измерительное средство как бы раздваивается: одна его часть вступает в непосредственный контакт с объектом, другая -- с человеком, производящим измерение. Первая часть называется чувствительным элементом или передатчиком, вторая -- сигнализатором или приемником. Обе части измерительного средства можно соединять разными способами: кабельными, акустическими или телеметрическими системами передачи. Если для передачи данных используют электромагнитные колебания, то речь идет о радиотелеметрии.

Все это, конечно, относится и к измерению количественных показателей человеческой жизнедеятельности, однако при этом целесообразнее пользоваться словом "биотелеметрия".

Первым в истории медицины в 1906 г. осуществил телеметрию "отец электрокардиографии", голландский физиолог Эйнтховен. Нужно отметить, что он плодотворно работал и в области техники, ведь именно ему принадлежит открытие струнного гальванометра. С его именем связано научное и клиническое обоснование электрокардиографии. Работал он с аппаратурой, по техническому уровню соответствующей эпохе, и масса его электрокардиографа составляла 150...200 кг. Однажды перед ним встала задача: произвести электрокардиографическое исследование в больнице, расположенной в 1,5 км от его лаборатории. О том, чтобы перевезти громоздкое оборудование в больницу, не могло быть и речи, по какой-то причине пациента тоже нельзя было доставить в лабораторию. И тогда Эйнтховену пришла в голову остроумная мысль: соединить больного с аппаратом телефонным кабелем. Опыт увенчался успехом, а историческую ЭКГ с тех пор хранят в музее. Это исследование стало первым в медицине случаем применения телеэлектрокардиографии.

Среди интересных воспоминаний из истории биотелеметрии можно обратиться к опытам, которые производил Гриффин в 1940 г. Он сконструировал радиопередатчик массой 250 г, чтобы с его помощью наблюдать за миграцией чаек. Его попытки были тщетны, поскольку небольшим птицам не удавалось поднять четвертькилограммовый передатчик, но тем не менее Гриффин был первым, кто экспериментировал с переносным передающим устройством. В 1947 г. Хольтер произвел удачный опыт в этой области. Телеметрическим путем он зафиксировал ЭКГ человека, едущего на велосипеде. Пациент в лаборатории делал круги около стола, а на спине у него был укреплен передатчик массой в 40 (сорок!) кг.

В результате прогресса технических средств, а также (не в последнюю очередь) на основе опыта управления зенитными снарядами с радиовзрывателями во время второй мировой войны создавались телеметрические аппараты все меньших и меньших размеров.

Новый толчок развитию телеметрии дали космические исследования в начале 50-х годов. К сожалению, достижения науки и техники в этой области частично не публиковались, и тем не менее в 60-е годы телеметрия стала распространяться в различных отраслях промышленности. Приведем характерные цифры* в США на промышленную телеметрию не для военных целей в 1962 г. было ассигновано 55 млн. долл., а в 1963 г.-- 65 млн. долл.

Медики с большим интересом следили за развитием телеметрии, можно сказать с момента ее появления, поэтому биотелеметрия обрела право на жизнь лишь немногим позже распространения этого метода в промышленности. Более того, она развивалась параллельно с внедрением телеметрии в космические исследования, ведь на космических кораблях с человеком на борту телеметрические системы были необходимой частью аппаратуры и важным условием безопасности пилота. Промышленные и биологические телеметрические системы отличаются только мощностью (числом каналов), полосой приема, дальностью действия и условиями применения.

Биотелеметрические системы вначале разрабатывались и строились специалистами по технике совместно с врачами. В продажу такие системы не поступали. В наши дни в продаже есть много типов аппаратов, хотя особенно в медицинских исследованиях и поныне привычны телеметрические приборы "домашнего изготовления". Одна из причин этого заключается в том, что еще до сих пор не установлены точно области их применения. Возьмем хотя бы телеэлектрокардиографию. При снятии ЭКГ врачи привыкли к обычному методу исследований, в ходе которого пациент лежит, расслабив мышцы. При телеэлектрокардиографическом исследовании пациент двигается, бежит, напрягает мышцы. Не принимая во внимание помехи, возникающие при этом, можно сказать, что даже оценка результатов требует от врача совершенно новых знаний.

Другим препятствием на пути развития биотелеметрии является высокая стоимость оборудования. Совершенно очевидно, что создание телеметрической схемы приводит к солидным дополнительным расходам. Так, например, стоимость одноканального телеэлектрокардиографа по крайней мере в 4-5 раз превышает стоимость переносного одноканального аппарата ЭКГ. Таким образом, имеет смысл подумать над тем, в каких областях медицины могут найти применение телеметрические системы, чтобы большие затраты оправдались, и где существуют проблемы, решить которые можно только с помощью биотелеметрических систем.

Области применения биотелеметрических систем

В ходе очень многих диагностических исследований возникало подозрение такого рода: поскольку сам факт исследований и его результаты не безразличны больному, то результаты измерений не объективны. Известно, например, что артериальное давление под влиянием страха, плохого настроения может существенно отклониться от нормы. Такого искажения данных можно избежать, если измерения производить телеметрическим путем. Больной с укрепленными на нем приборами лежит в палате или гуляет в парке, а врач, на приемном устройстве наблюдает за параметрами.

Во многих случаях традиционное исследование не показывает отклонений от нормы, хотя у пациента есть жалобы. Зачастую электрокардиологическое исследование больного в лежачем положении дает совершенно нормальную картину, но если произвести это исследование при физической нагрузке, то жалобы пациента могут оказаться обоснованными. Однако традиционными электрокардиографическими приборами сделать запись для двигающегося больного нельзя, хотя бы уже и потому, что пациент не может свободно двигаться, будучи "привязанным" к аппарату проводами.

Исследуемое лицо подчас должно находиться в такой среде, куда лицо, осуществляющее исследование, не может войти, например, по соображениям безопасности (во время радиоактивного облучения, рентгеновского исследования или в космическом корабле).

В ходе тренировок спортсменов врач или тренер должен точно знать состояние или спортивную форму своего подопечного. Наиболее ясную картину при этом можно получить, если наблюдать за физиологическими изменениями, ускорениями сердцебиения, повышением артериального давления и т. д. Раньше для получения эффекта физической нагрузки спортсмена сажали на велосипедный эргометр и наблюдали за его жизненными функциями при увеличении нагрузки. Однако такой метод нагрузки оправдывался не во всех отношениях. Правильнее, если спортсмен будет выполнять характерные для него спортивные упражнения, а врач с помощью телеметрической системы будет наблюдать за воздействием этой обычной нагрузки (рис. 48). Таким образом, открывается возможность точно дозировать тренировочную работу и добиваться наилучшей спортивной формы именно во время важных соревнований.

Ряс. 48. Приемник, установленный на краю спортивной площадки, регистрирует ЭКГ спортсмена на электрокардиографе. Спортивный врач на основании ЭКГ, полученной при нагрузке, может дозировать тренировочную нагрузку

Биотелеметрические системы могут иметь большое значение при реабилитации больных, т. е. возвращении вылеченных людей в общество. Когда речь идет о выздоровлении после тяжелой болезни (например, инфаркта), не всегда легко судить о том, может ли пациент вернуться к прежней деятельности или он должен в корне изменить свой образ жизни.

Бывают и такие случаи, когда осуществлять измерения традиционными средствами нельзя, так как место исследований недоступно для врача. Например, надо исследовать область в глубине человеческого тела, чтобы определить различные параметры пищеварительного тракта (давление, кислотность, температуру и т. д.). Здесь необходимо применять один из специальных видов биотелеметрических устройств -- эндорадиозонд.

Из биотелеметрических систем наиболее часто применяют телеэлектрокардиографы. Причина этого отчасти в том, что, с одной стороны, электрокардиографические исследования пациента под нагрузкой уже имели свои традиции, с другой -- введение телеметрии в электрокардиографические исследования было сравнительно несложно. Для измерения сигналов ЭКГ на расстоянии нужны были всего-навсего соответственно укрепляемые на теле отводящие электроды, небольшой электронный усилитель и каскад передатчика определенной мощности, питающий излучающую антенну. Конструкция приемного аппарата роли уже не играет,' так как нет необходимости в его миниатюрном исполнении, да и питание в большинстве случаев можно обеспечить от сети.

ПЕРЕДАЮЩИЕ АППАРАТЫ

Задача приборов -- отводить электрокардиографическое напряжение с больного, усиливать его и излучать информационные сигналы через антенну. Поскольку передающий аппарат укрепляется на теле пациента (рис. 49), важно, чтобы он был мал и легок и чтобы его форма не мешала пациенту свободно двигаться. Размеры и масса аппарата в основном определяются размерами и массой питающей батареи. Батарея определяет и расстояние, на котором можно работать с прибором..

Вид модуляции также надо выбирать с учетом технической целесообразности и экономичности аппаратуры. Поэтому в телеизмерительных приборах применяют в основном частотную модуляцию. Этот вид модуляции позволяет при той же мощности питания получить в шесть раз более сильный сигнал, чем другие виды модуляции. Механическая вибрация передающего аппарата, изменяющееся положение антенны, микрофонный эффект деталей, помимо прочего, подвергают частотной модуляции излучаемый сигнал, иначе говоря, полезный сигнал подвергается паразитной модуляции. В схему приемника перед демодулятором вспомогательной несущей можно подключать даже обычный магнитофон: сигналы вспомогательной несущей частоты приходятся на полосу звуковых частот. Это является большим преимуществом, так как электрокардиографические сигналы нельзя фиксировать на ленту бытового магнитофона: сигнал ЭКГ содержит в себе компоненты с очень малой частотой. Разумеется, зафиксированные магнитофоном сигналы вспомогательной несущей частоты нельзя включать непосредственно в электрокардиограф, их вводят в ту же точку приемника, откуда мы выводили сигналы для записи. Возможность магнитофонной записи создает много удобств в телеэлектрокардиографических исследованиях.

Радиус действия таких телеметрических антенн, применяемых в обычной медицинской практике или в оперативной медицине, обычно не превышает 100 м. Для такой дальности вполне пригодны передающие аппараты массой в несколько сот грамм.

ЭЛЕКТРОДЫ

При биотелеметрических исследованиях электроды или преобразователи нельзя размещать традиционным способом. В телеэлектрокардиографии, например, не может быть и речи об отведениях от конечностей, электроды устанавливаются только на грудной клетке. По поводу отведений, кстати сказать, возникает ряд проблем.

Если электроды плохо укреплены на теле пациента, то могут возникнуть помехи из-за слабых контактов, в результате ЭКГ будет неточной, более того, сумбурной. Обычные металлические электроды не годятся, так как из-за потовыделения возникают поляризационные напряжения. Если пациент проходит вблизи электрического оборудования (трансформаторная станция, линия электропередач и пр.), мешающее электрическое или магнитное силовое поле вызывает в усилителе помехи и кривая ЭКГ не может быть оценена правильно. Если электроды разместить вблизи от работающих мышц, полезным сигналам будут мешать электромиографические сигналы.

Большинство помех можно устранить, если уменьшить переходное сопротивление между поверхностью кожи и электродом. Оно может меняться от 1 до 10 кОм, в зависимости от поверхности электрода, состояния кожи (сухого или влажного), наличия пота. Переходное сопротивление можно максимально уменьшить, тщательно обработав кожу, сняв поверхностный слой и смазав это место хорошо проводящей электродной пастой. Практически поляризационным сопротивлением можно и пренебречь, если применять серебряные или хлористо-серебряные электроды и если металл электрода будет контактировать с электродной пастой, а не с поверхностью кожи.

Для уменьшения электромибграфических помех электроды целесообразно размещать на таких поверхностях тела, где мышц мало или вообще нет (например, на грудной кости). При таком размещении электродов нельзя использовать крепление, применяемое в традиционной электрокардиографии. Даже при расположении активных электродов вертикально один над другим не удается получить максимальной амплитуды.

В определенное время или при плохом самочувствии больной по телефону звонит лечащему врачу, а затем, когда связь установлена, микрофон телефонной трубки подключается к аппарату. Вход аппарата подключается к электродам, размещенным на грудной клетке. Отведенный сигнал ЭКГ после усиления модулирует сигнал частотой около 2 кГц, и этот модулированный сигнал попадает в телефонную линию. Приемник, установленный у лечащего врача, принимает этот модулированный сигнал. Затем усиленный и демодулированный сигнал подается на обычный электрокардиограф. Таким образом лечащий врач может контролировать ЭКГ больного, частоту биения сердца. На основе полученных данных он может давать советы пациенту: как себя вести, какие лекарства принимать, а в случае необходимости распорядится о срочной госпитализации. Этот относительно простой прибор упрощает и делает более надежной помощь больному на дому. Такой метод обслуживания особенно целесообразен при длительном периоде выздоравливания.

Передачу ЭКГ по телефону может осуществить и участковый врач, сестра, навещающая больного на дому, или врач "Скорой помощи", если он хочет проконсультироваться с врачом-кардиологом относительно состояния сердца больного.

Радиопередатчик в желудке

Многие факторы привлекали внимание врачей к болезням пищеварительной системы. Нервное напряжение в годы второй мировой войны, плохое питание в течение долгого времени, ускоряющийся во всем мире "темп жизни", распространение кариеса зубов, перенесение основного приема пищи на вечернее время и т. д.-- вот основные причины желудочных недугов.

Как "известно, во время "пробного завтрака" в желудок больного через пищевод опускают резиновый шланг диаметром 4...5 мм и через него берут образцы содержимого желудка. По этим образцам химическими методами устанавливают, нормально ли проходит деятельность но выделению кислоты. На основании анализов врач принимает решение о необходимом лечении.

Сульфат бария используют тогда, когда врач с помощью рентгеновского исследования желает убедиться, нет ли язвы желудка или двенадцатиперстной кишки, ведь рентгеновские лучи почти беспрепятственно проникают через стенки желудка и поэтому его предварительно наполняют контрастным веществом, непрозрачным для рентгеновских лучей. В результате на экране аппарата появляется тень заполненного контрастным материалом желудка или кишки, по которой опытный врач легко установит наличие и местоположение язвы.

Оба метода неприятны для пациентов. Да и врач неохотно решается на проведение таких исследований.

Но есть и другие проблемы. Известно, что выделение желудочного сока зависит от нервного состояния человека. У нервного, обремененного заботами человека чаще бывает отклонение количества желудочной кислоты от нормы, поэтому и вероятность появления язвы больше. Но если это так, то, очевидно, и волнения перед пробным завтраком сильно влияют на выработку кислоты, иначе говоря, именно обстоятельства исследований фальсифицируют показатели, которые мы желаем измерить.

Другая проблема состоит в том, что исследования можно проводить только в лабораторных условиях, т. е. по существу с больного делается "моментальный снимок", а ведь часто бывает, что жалобы появляются только в обычных условиях.

Много проблем возникает и в связи с рентгеновским исследованием желудка. Прежде всего, следует сказать о том, что язву на ранней стадии весьма трудно диагностировать. Кроме того, при рентгеновском просвечивании желудка необходимо пользоваться сравнительно большой дозой облучения. А этого следует избегать.

Развитие электроники, резкое уменьшение размеров деталей, широкое распространение полупроводниковых элементов -- все это позволило медицине в решении вышеизложенных нелегких проблем опираться на помощь инженерно-технических работников. Американский ученый Зворыкин предложил разработать радиопередатчик малых размеров (9 мм диаметром и 26 м длиной) в форме цилиндра, который заглатывается больным с водой как лекарственная таблетка. Прибор передает сведения о биологических условиях в пищеварительной системе.

Это интересное миниатюрное устройство известно среди исследователей под разными названиями (радиокапсула, радиопилюля, телеметрический зонд). Из этих названий наиболее удачным мы считаем эндорадиозонд: это название родственно названию и понятию радиозонда, известного в метеорологии, а первая часть слова "эндо" заимствована из греческого языка и переводится как "внутренний", свидетельствуя о том, что речь идет о зондировании внутренних частей организма. Эндорадиозонд имеет две разновидности: пассивный и активный. В пассивном зонде нет какого-либо элемента, дающего ток или напряжение (термоэлемент, аккумулятор), а только специально подобранные пассивные элементы: переменный резистор, конденсатор, катушка или колебательный контур, изменение параметров которых устанавливает измерительный прибор, расположенный вне тела пациента. Большое преимущество пассивного зонда состоит в том, что его функционирование не зависит от температуры и он недорог в производстве.

Активный радиозонд представляет собой, по сути дела, высокочастотный передатчик с батареей, работающий на транзисторах, который излучает сигналы на частоте 0,5...2 МГц. Этот диапазон частот выбран потому, что такие колебания относительно хорошо распространяются в тканях тела. Это ВЧ колебание модулируется электрическим сигналом, пропорциональным измеряемому параметру (например, кислотности). Поскольку антенна эндорадиозонда в различных направлениях излучает сигналы разной интенсивности, а зонд поворачивается в пищеварительной системе, то амплитудную модуляцию применять нельзя. В эндорадиозондах применяют частотную модуляцию.

Излученные частотно-модулированные сигналы принимает приемная антенна. После усиления и демодуляции мы получаем сигнал, пропорциональный значению измеряемого параметра. Этот параметр можно наблюдать или регистрировать его временные изменения с помощью специальных устройств.

Все эти исследования могут вскрыть аномалии функционирования желудка и кишок, атонию кишок, а также место и причину различных болезненных и судорожных очагов, вызывающих боли в желудке и кишках. Точно так же применяются эндорадиозонды при наблюдении за эффективностью противоспазматических препаратов.

Врача интересует и кислотность в пищеварительном тракте, а особенно в желудке. Для таких исследований пригодны эндорадиозонды, измеряющие концентрацию водородных ионов, т. е. рН. Очень ценно применение эндорадиозонда, измеряющего кислотность после операций желудка. Можно получить ясное представление, например, относительно того, как формируется кислотность в послеоперационный период. При исследованиях, которые длятся продолжительное время, чтобы воспрепятствовать выходу зонда, поступают так: перед заглатыванием зонда к нему прикрепляют длинную, растворимую в желудке нить и с ее помощью удерживают зонд в нужном месте желудка. Когда серия исследований закончена, больной просто проглатывает нить и она или выходит вместе с зондом или рассасывается.

Эндорадиозонд можно применять и для обследования людей, у которых выделение кислоты в зависимости от нервного состояния на данный момент или чрезмерно велико, или ненормально мало. Традиционными средствами такое состояние практически не фиксируется.

В медицинских исследованиях распространены термоизмерительные эндорадиозонды, которые содержат элементы, чувствительные к температуре. С их помощью можно на ранней стадии распознать язву желудка, которая неразличима с помощью рентгеновской аппаратуры. Как известно, при воспалительных процессах появляется избыток крови, обусловленный повышением температуры. Этот процесс наблюдается с помощью термоизмерительного эндорадиозонда

Для установления мест кровоизлияний в пищеварительном тракте больному дают проглотить зонд, чувствительный к излучению, а в кровь через вену вводят радиоактивный индикатор. Там, где кровоизлияние есть, зонд покажет интенсивное излучение. Такой зонд можно использовать и для контроля за тем, не получили ли лучевое заражение через рот те люди, которые работают с радиоактивными веществами.

Врач не может довольствоваться лишь получением информации о наличии аномалий в биологических характеристиках. Ему нужно не только иметь данные измерений, но и фиксировать положение зонда в данный момент, чтобы точно знать, где очаг болезни. Самым простым решением было просвечивание больного рентгеном одновременно с эндорадиозондированием: на экране рентгеновского аппарата зонд будет давать темную тень. Другое решение предусматривает следующее: над пациентом, лежащим на спине, устанавливается приемная" антенна, которую вращает сервомеханизм, всегда находящий точку, расположенную наиболее близко к зонду, при этом регистрирующее устройство вместе с нужными для исследования данными фиксирует и положение механизма. Таким образом для каждого аномального параметра можно найти место в пищеварительной системе, где он измеряется.

Следует сказать и о деталях, применяемых в эндорадиозондах. Это, как правило, обычные транзисторы, резисторы, конденсаторы, аккумуляторы и пр. Используя специальные детали, удалось создать даже зонд диаметром 5...6 мм и длиной 18 мм.

Следует напомнить, однако, что биотелеметрия весьма дорогостоящий метод. Прежде всего этим можно объяснить тот факт, что он не нашел широкого распространения в лечебной практике. Однако в узких областях медицины (в космической, авиационной, спортивной, экспериментальной) его активно применяют уже и в наши дни.

ГЛАВА 2. СОВЕТСКИЙ ОПЫТ В БИОТЕЛЕМЕТРИИ

Закрепленное Конституцией СССР право советских граждан на бесплатное и доступное медицинское обслуживание оказало существенное влияние на развитие и особенности использования советской медицинской техники, в том числе биотелеметрической. Это выразилось в первостепенном создании и развертывании массовых приборов и систем, нацеленных на борьбу с наиболее опасными и распространенными заболеваниями, к которым, бесспорно, относятся сердечно-сосудистые заболевания. В СССР с каждым годом увеличивается число крупных кардиологических центров, оснащенных самой современной диагностической, хирургической и терапевтической аппаратурой. Параллельно проводятся работы по повышению эффективности кардиологической помощи населению за счет внедрения новых организационно-технических принципов, улучшения оперативности отдельных служб.

Советские специалисты после проведения ряда экспериментов и тщательного анализа их результатов пришли к выводу, что телеэлектрокардиография (вернее, ее широкое внедрение в медицинскую практику) может обеспечить существенное улучшение кардиологической помощи всему населению страны при минимальных затратах средств и времени. Высокие показатели заболеваемости, стойкой утраты трудоспособности и смертности от сердечно-сосудистых заболеваний потребовали перестройки существовавших ранее способов сбора и обработки диагностической информации. В борьбе с инфарктом миокарда, приступом острой коронарной недостаточности, аритмией быстро и точно установленный диагноз нередко решает судьбу больного. Оперативное решение этой задачи доступно высококвалифицированным специалистам, вооруженным правильно расшифрованной ЭКГ. Обеспечить высококвалифицированную помощь на догоспитальном этапе -- на местах происшествия, в поликлиниках, медпунктах промышленных предприятий, больницах, непрофильных отделениях стационаров -- стало возможным благодаря использованию систем дистанционной передачи ЭКГ. Проблеме передачи ЭКГ по телефонным каналам связи в СССР уделяется серьезное внимание уже в течение ряда лет. Одним из инициаторов всестороннего изучения и использования передачи ЭКГ по телефонным каналам в практическом применении в клинической медицине стал академик 3. И. Янушке-вичус.

Первые устройства для передачи ЭКГ по телефонным каналам представляли собой далекие от совершенства приборы, выполненные в виде приставок к электрокардиографам. Однако они были работоспособны и показали возможность дальнейшего развития этого направления биотелеметрии. "Сердцем" устройства для передачи ЭКГ на расстояние является преобразователь усиленных с помощью электрокардиографа НЧ биопотенциалов в вид, удобный для передачи по Данному каналу связи. Поскольку в телефонии используются электрические колебания звуковой частоты, наиболее простым преобразователем может служить частотный модулятор, который при изменении амплитуды входного сигнала (например, ЭКГ) пропорционально изменяет частоту звукового сигнала на выходе, что с помощью телефона можно услышать или зафиксировать каким-либо устройством на значительном расстоянии. Обычно в качестве такого устройства используется частотный демодулятор, который и производит обратное преобразование: звуковой сигнал переменной частоты превращает в исходный электрокардиосигнал, который можно записать на электрокардиографе.

В первых поколениях систем для передачи ЭКГ по телефонным каналам наибольшее распространение получили частотная и частотно-импульсная модуляция при акустической или гальванической связи с телефонной линией. Совершенствование этих систем проходило в дальнейшем по нескольким направлениям, углубляющим их специализацию и одновременно расширяющим эксплуатационные возможности систем. Одним из таких направлений стало конструирование простейших передающих и приемных устройств, получивших относительно широкое распространение.

Как правило, это аппараты, построенные на дешевых интегральных микросхемах, с акустической связью и стрелочным индикатором работоспособности, с батарейным питанием, без селектора отведений и невысокими точностными характеристиками. Основное требование, предъявляемое к подобным аппаратам,--простота эксплуатации, рассчитанная на то, что его владелец в любое время из дома или с места работы мог бы самостоятельно передать одно отведение своей ЭКГ лечащему врачу.

Одновременно разрабатывались конструкции, отличающиеся наличием дополнительных сервисных устройств у передающего аппарата, таких как селекторы отведений, осциллоскопические индикаторы работоспособности, встроенные графические или магнитные регистраторы. Эти аппараты отличаются высокими метрологическими характеристиками, помехозащищенностью, рассчитаны на длительный срок службы. Приемные устройства также невелики, имеют встроенные осциллоскопы, реже регистраторы (чаще регистрация производится вспомогательным электрокардиографом или другим подобным самописцем).

Появились системы, разработанные для эксплуатации в специальных кардиологических комплексах, круглосуточно обеспечивающих консультативную помощь бригадам скорой помощи. Эти системы отличаются от перечисленных стационарными приемными комплексами, снабженными устройствами двусторонней громкой связи, встроенными осциллоскопами, магнитофонами, графическими и магнитными регистраторами, а также возможностью ввода ЭКГ в ЭВМ для автоматической обработки в реальном масштабе времени. В некоторых из них передающие блоки сопрягаются с радиоканалами с использованием стандартных переносных УКВ радиостанций и раций автомобилей скорой помощи в качестве ретрансляторов. Однако ни автоматизация ЭКГ диагностики с помощью ЭВМ, ни использование промежуточных радиоканалов еще не прошли стадию эксперимента, так как существуют определенные трудности их внедрения. Тем не менее в крупных городах подобные системы достаточно распространены и хорошо себя зарекомендовали.

Важное значение придается экспериментальным системам, на которых отрабатываются как новые принципы построения и применения, так и новые технические решения. На них, в частности, пробуют новые помехоустойчивые методы модуляции и кодирования, одновременную передачу нескольких отведений ЭКГ и другой физиологической информации, проверяют различные варианты сопряжения с радиоканалами и автоматизированными диагностическими комплексами.

ГЛАВА 3. НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ: БИОТЕЛЕМЕТРИЯ С ПОМОЩЬЮ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Проводить медико-биологические исследования человека в различных условиях, в том числе и экстремальных, - давняя мечта ученых и медиков. Теперь такие исследования проводят с биотелеметрии - измерения биологических данных на расстоянии.

В развитии методов и средств контроля динамики функционального состояния организма человека, прежде всего, преуспела космическая медицина. Чтобы получить физиологическую информацию в ходе полета медики вынуждены были использовать радиотелеметрическую систему связи космического корабля с Землей. В то же время традиционно сохранялась проводная "привязка" космонавта, снаряженного устройствами съема информации, к бортовым средствам медицинского контроля.

Опыт медицинского обеспечения длительных космических полетов на орбитальных станциях "Салют-5" и "Мир" показал, что использование только проводной связи существенно ограничивает возможности и эффективность медицинского контроля. Аналогичная ситуация - в отсеках подводных аппаратов, на рабочих местах операторов сложных систем, в кабинетах функциональной диагностики и физиотерапии, спортивных залах.

Радиотелеметрия достаточно эффективна в "полевых" условиях на открытой местности при контроле за состоянием спортсмена на дистанции, или пациента на терренкурах. Однако в замкнутых помещениях, насыщенных электро-, радиооборудованием, у нее проявляются существенные недостатки, главные из которых - интерференция радиоволн и чувствительность к электромагнитным помехам.

Сегодня наиболее перспективный вид беспроводной связи в замкнутых помещениях - инфракрасное излучение. Оно позволяет работать без потерь связи от радиопомех, связанных с промышленными, научными, медицинскими и бытовыми высокочастотными установками (поскольку находится в иной полосе частот) при неограниченной подвижности человека с передатчиком.

Концепция телеметрического диагностического комплекса нового поколения, использующего инфракрасный канал связи, была реализована коллективом авторов, возглавляемым кандидатом технических наук И.И. Поповым. Работа, проведенная Учебно-исследовательским центром космической биомедицины, осуществлялась совместно с Институтом интервенционной информатики (США) в рамках программы создания и развития системы телемедицинских услуг в России при активном содействии Фонда "Телемедицина". Комплекс обеспечивает устойчивый прием инфракрасного сигнала, его декодирование, представление контролируемых физиологических показателей в аналоговой форме для обработки информации (ПК, регистраторы, дисплей). Благодаря небольшим размерам (13,5х7,0х2,5 см) моноблок передатчика можно легко разместить в кармане или в сумке на поясе, а миниатюрное излучающее устройство (3х3 см) крепится на лацкане пиджака или жакета.

Фотоприемные устройства выполнены в виде отдельных выносных блоков. Один из них подключается к основному блоку приемной части комплекса. Остальные фотоприемники подключаются последовательно один к другому. Так как комплекс использует рассеянное, отраженное и прямое инфракрасное излучение, на помещение площадью 20 квадратных метров достаточно двух выносных фотоприемников, расположенных на противоположных (наиболее удаленных) стенах помещения. Количество блоков фотоприемных устройств, разнесенных по месту их установки, может составлять до 15 штук, а расстояние между ними - до 10 м. При этом зона действия составляет порядка 1000 квадратных метров. Качество связи остается высоким и стабильным даже в помещениях сложной конфигурации.

Передатчик комплекса из-за своего небольшого размера и веса не ограничивает подвижность пациента и не мешает физическим тренировкам. Комплекс можно использовать для контроля за состоянием лежачих больных в палатах интенсивной терапии, насыщенных электро, радио- и тому подобным оборудованием, создающим значительные помехи для радиотелеметрии. Он удобен также для сбора информации медицинского характера в условиях стационара, при проведении профилактических, лечебных и реабилитационных мероприятий, во время занятий спортом. Кроме того, его можно применяться в качестве одного из звеньев телемедицинской системы, обеспечивающей мониторинг пациентов в домашних условиях.

Но, прежде всего, телеметрический диагностический комплекс незаменим для контроля за состоянием человека в экстремальных условиях или связанных с повышенной опасностью (на атомных электростанциях, аэродромах, стратегических объектах, в летательных или подводных аппаратах). Именно там, где люди испытывают повышенное физическое и нервное напряжение, где они нередко подвержены внезапным изменениям давления и даже обморокам, комплекс может оперативно сослужить добрую службу. Комплекс построен в виде открытой системы и способен формировать индивидуальные программы диагностических обследований и мониторинга. Выбор контролируемых физиологических показателей свободен и широк: электрокардиограмма, электромиограмма, электрэнцефалограмма, электроокулограмма, кинетокардиограмма, венозно-артериальная пульсограмма, сфигмограммы височной, плечевой, лучевой и бедренной артерий, периметрическая пневмограмма, легочная вентиляция. Если необходимо перейти с одной программы обследования на другую или изменить состав контролируемых физиологических показателей, то на переснаряжение обследуемого человека и настройку комплекса - не более 15 минут.

биотелеметрические электрокардиографический медицинский пациент

ГЛАВА 4. МЕДИЦИНСКИЙ КОНТРОЛЬ ЗА СОСТОЯНИЕМ КОСМОНАВТА И МЕДИЦИНСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПОЛЕТЕ

В комплексе мероприятий, обеспечивающих безопасность человека в космическом полете, учеными Института важное значение уделялось медицинскому контролю за состоянием здоровья космонавтов. Практическому решению этой проблемы в пилотируемой космонавтике предшествовали этапы отработки систем медицинского контроля (СМК) в лабораторных условиях, затем - в полетах животных на ракетах по вертикальным и параболическим траекториям и, наконец, в орбитальных полетах биоспутников.

Обоснование, проектирование и отработка СМК для полетов животных проводились в Институте с 1948 по 1961 гг. под руководством В.И. Яздовского.

Регистрация физиологических функций животного и передача информации с борта космического корабля на Землю в СССР впервые была произведена 3 ноября 1957 г. во время полета 2-го искусственного спутника Земли с собакой Лайкой. Согласно программе полета, у собаки Лайки регистрировались: артериальное давление (АД), ЭКГ, пневмограмма, артериальное давление в бедренной артерии прямым методом, показатели двигательной активности. Аппаратура включала в себя датчики, 2 усилителя, коммутационный блок, автомат давления и программное устройство. Один из усилителей использовался для регистрации ЭКГ, другой - артериальных осцилляции. Для регистрации движений собаки применялся потенциометрический датчик, а для регистрации дыхания - реостатный. Программное устройство осуществляло периодическое включение аппаратуры в соответствии с сеансами телеметрической связи.

Дальнейшим этапом совершенствования бортовых физиологических измерительных систем было обеспечение биологических экспериментов в космическом пространстве при полетах советских кораблей-спутников с собаками Белкой, Стрелкой, Пчелкой, Мушкой, Чернушкой и Звездочкой. Программой измерений была предусмотрена регистрация различных физиологических параметров: ЭКГ, АД, дыхания, двигательной активности, температуры тела, электромиограммы, сфигмограммы.

Главным результатом использования СМК в указанных орбитальных полетах были доказательства возможности сохранения жизни животных в космическом пространстве и отсутствия угрожающих изменений в их функциональном состоянии.

Осуществление полетов человека в космос потребовало совершенствования СМК. Их созданием и испытанием в Институте с начала 60-х гг. непосредственно занималась лаборатория оперативного врачебного контроля, возглавляемая И.Т. Акулиничевым и входящая в отдел космической физиологии, руководимый О.Г. Газенко. Над этой проблемой в 60-е годы успешно трудились Б.Г. Буйлов, P.M. Баевский, К.П. Зазыкин, А.Д. Егоров, М.Д. Емельянов, A.M. Жданов, Д.Г. Максимов, И.С. Щадринцев, В.А Чичкин, В.К. Философов, Н.А. Чехонадский, М.Д. Вентцель, В.И. Поляков, И.И. Попов, К.К. Щербаков, Ю.А. Кукушкин, В.Н. Рагозин, В.А. Дегтярев, А.Н. Козлов. В этот период И.Т. Акулиничев за достигнутые успехи был награжден почетной медалью французской Академии наук имени X. Колумба и одним из первых в СССР был избран членом Международной академии астронавтики. Большой объем работ по проблеме МК потребовал привлечения к ее выполнению ряда смежных организаций: ОКБ-1 ГКОТ, ЦНИИ-30 МО, СКТБ "Биофизприбор", ВМА им. С.М. Кирова и др.

В первых космических полетах человека на кораблях "Восток" первоначально предусматривалась установка достаточно сложного комплекса аппаратуры "Вега" (массой 14 кг), с помощью которого предполагалось решать как задачи врачебного контроля, так и ряд исследовательских проблем. Она позволяла регистрировать частоту пульса и дыхания (врачебный контроль), ЭКГ в трех отведениях, АД в сосудах одного из пальцев руки и температуру тела (ТТ) с шести точек. Однако в связи с габаритно-весовыми ограничениями от регистрации АД и ТТ пришлось отказаться, а после соответствующей конструктивной доработки для корабля "Восток" была подготовлена аппаратура "Вега-А" массой 4 кг.

В комплект "Вега-А" входили три идентичных усилителя ЭКГ, усилитель канала дыхания и электрокардиофон; энергопотребление составляло не более 5 Вт. Электрокардиофон предназначался для непрерывной подачи сигналов пульса по каналу бортового радиопередатчика "Сигнал" на Землю; указанные сигналы формировались в виде прямоугольных импульсов из зубцов "R" ЭКГ и модулировались звуковой частотой. Регистрация остальных показателей - ЭКГ и пневмограммы (ПГ) у Ю.А. Гагарина, ЭКГ, ПГ и кинетокардиограммы у Г.С. Титова - осуществлялась периодически, с помощью радиотелеметрической системы. Кроме того, использовались бортовые магнитные регистраторы. Электроды, предназначенные для регистрации ЭКГ и частоты пульса у Ю.А. Гагарина, наклеивались на тело клеевым составом; у Г.С. Титова - фиксировались нагрудным поясом. Эта система фиксации обеспечила надежную регистрацию физиологических параметров во время суточного полета.

Весьма показательно, что при анализе данных МК в первых космических полетах использовались наиболее современные (для того времени) математические методы обработки результатов, в частности, вычислялись кривые линейной и квадратичной регрессии частоты сердечных сокращений (ЧСС) и интервалов ЭКГ во времени (Н.А. Чехонадский, В.К. Философов).

В связи с тем, что во время длительного пребывания в космическом корабле у Г.С. Титова были обнаружены симптомы укачивания, в последующих полетах возникла необходимость расширения программы физиологических измерений. Поэтому при подготовке очередного полета с участием А.Г. Николаева и П.Р. Поповича были разработаны методики регистрации у космонавтов электроокулограммы (ЭОГ), электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и кожно-гальванических реакций (КГР). Одновременно с этим были разработаны тактико-технические требования на дополнительную медицинскую аппаратуру.

Регистрация ЭОГ и ЭЭГ у космонавтов А.Г. Николаева и П. Р. Поповича в групповом полете кораблей "Восток-3" и "Восток-4" проводилась с помощью дополнительных усилителей типа "Рефлекс" и основного электрокардиографического усилителя аппаратуры "Вега-А". Регистрация КГР - с помощью прибора "Нейрон": прибор был рассчитан на регистрацию медленных изменений сопротивления кожи. Кроме того, как и в предыдущих полетах, регистрировали ЭКГ и ПГ и непрерывно контролировали ЧСС с помощью радиопередатчика "Сигнал". Электроды для регистрации ЭЭГ и ЭОГ были вмонтированы в шлемы космонавтов; система электродов ЭКГ и их фиксации на теле для длительного ношения была значительно усовершенствована (Н.А Агаджанян, И.Т. Акулиничев, К.П. Зазыкин, Д.Г. Максимов).

Следует отметить, что после осуществления 1-го группового полета был выявлен ряд недостатков в функционировании дополнительных медицинских приборов. Записи ЭЭГ, ЭОГ в процессе полета шли с помехами. Непосредственными техническими причинами таких помех явилось несовершенство крепления электродов и, отчасти, несовершенство схемных решений измерительных каналов приборов "Рефлекс" и "Нейрон" (соответственно - несимметричная схема входа усилителей и отсутствие автоподстройки измерительного моста).

Этими примерами иллюстрируется одна из наиболее сложных проблем создания СМК для космических полетов, которую пришлось преодолевать первопроходцам Института - обеспечение высокой помехоустойчивости и помехозащищенности измерительных физиологических каналов в процессе профессиональной деятельности космонавтов, а также высоких эксплуатационно-технических качеств СМК. Поскольку большинство методов МК для космической медицины заимствовалось из клинической практики, все они (за редким исключением) не отвечали этим требованиям. Поэтому при создании бортовых СМК предлагалось и реализовывалось множество оригинальных технических решении, касающихся совершенствования систем фиксации датчиков и электродов, модификации отведений физиологических сигналов, надежных и помехоустойчивых измерительных схем. Для этого разработчики должны были в совершенстве владеть как медицинскими, так и техническими знаниями.

Без преувеличения можно утверждать, что Институт явился одним из первых учреждений страны, в котором были предложены два эффективных "рецепта" для решения этой проблемы. Во-первых, это создание творческих "симбиозов" из представителей медицинских и технических специальностей: врачей (И.Т. Акулиничев, P.M. Баевский, А.Д. Егоров, Д.Г. Максимов, В.А. Дегтярев и др.) и инженеров (Б.Г. Буйлов, A.M. Жданов, К.П. Зазыкин, И.С. Шадринцев, Н.А. Чехонадский, В.А. Чичкин, М.Д. Вентцель, В.И. Поляков, И.И. Попов, К.К. Щербаков, Ю.А. Кукушкин, В.Н. Рагозин, А.Н. Козлов). Во-вторых, это овладение смежными специальностями. Наиболее ярким энтузиастом в этом вопросе был И.Т. Акулиничев, который, будучи врачом по специальности, одновременно являлся активным радиолюбителем, автором ряда оригинальных инженерных решений на уровне изобретений, членом редколлегии журнала "Радио". От него старались не отставать и инженеры: многие из них без отрыва от служебной деятельности обучались на биологическом факультете Московского государственного университета (И.И. Попов, Л.А. Казарьян, К.К. Щербаков, В.Н. Рагозин, Ю.А. Кукушкин, B.C. Кузнецов). В последующие годы вплоть до настоящего времени эти традиции, заложенные участниками первых штурмов космоса, получили свое дальнейшее развитие. В частности, многие из инженеров Института успешно защитили диссертации по биологическим специальностям (Б.Г. Буйлов, А.Н. Козлов, М.И. Клевцов, B.C. Кузнецов и др.).

Возвращаясь к анализу опыта 1-го группового космического полета и подготовке 2-го группового полета, необходимо отметить, что указанным выше творческим коллективом были существенно модернизированы бортовые медицинские приборы. В частности, в новой разработке прибора "Нейрон" по предложению И.Т. Акулиничева в усилителе биосигналов вводилась глубокая обратная связь, что позволило обеспечить устойчивую регистрацию кожно-гальванических реакций. Предусилители "Рефлекс" были выполнены по симметричной схеме. К.П. Зазыкиным и P.M. Баевским был предложен и реализован принцип экономного использования бортовых радиотелеметрических каналов: регистрация сейсмокардиограммы (СКГ) и ЭОГ совмещалась на одном канале телеметрии (в дальнейшем были совмещены СКГ и ПГ). Особое внимание обращалось на надежность регистрации электрофизиологических показателей; для ее повышения количество электродов ЭКГ, ЭЭГ, ЭОГ было увеличено вдвое. При подготовке снаряжения первой женщины-космонавта В.В. Терешковой потребовалась разработка особого нагрудного пояса для фиксации электродов и датчиков применительно к особенностям женского организма. Такая фиксирующая система была изготовлена М.С. Левшиной.

В целом, с учетом отмеченных доработок во 2-м групповом полете космонавтов В.Ф. Быковского и В.В. Терешковой использовалась та же СМК, что и в 1-м групповом полете.

Как видно из изложенного, система физиологических измерений на кораблях "Восток" в результате постоянного усложнения получила некоторый исследовательский уклон, причем получаемая физиологическая информация обрабатывалась в.ходе полета лишь частично, более полная обработка данных проводилась только после полета. Аналогичная картина сложилась и в США, где так же происходило постепенное усложнение физиологической аппаратуры корабля-капсулы "Меркурий". В то же время вопросы медицинских исследований в космическом полете в тот период не получили окончательного методического и конструктивного решения. Научные данные о влиянии факторов космического полета на организм человека явились как бы побочным результатом решения основной задачи - врачебного контроля. Попытки решения исследовательских задач путем установки дополнительных блоков и датчиков нельзя признать достаточно успешными, хотя благодаря этим вынужденным решениям и были получены ценные данные. По этим и другим причинам уже в 1961 г. в ряде работ было высказано предложение классифицировать физиологические измерения в условиях полета в зависимости от решаемой задачи как "врачебный контроль" и "медицинские исследования", а в последующие годы - выделять функционально самостоятельные системы по каждой из этих задач. Первые функционально самостоятельные СМК и система медицинских исследований (СМИ) были разработаны под руководством И.Т. Акулиничева уже к 1964 г. к полету экипажа корабля "Восход-1", в состав которого наряду с В.М. Комаровым и К.П. Феоктистовым впервые был включен врач-космонавт Б.Б. Егоров.

Для обеспечения врачебного контроля членов экипажа использовалась аппаратура "Вега-3" (масса 5 кг, энергопотребление 3 Вт), с помощью которой на активных участках полета регистрировались ЭКГ, ПК, СКГ, а также с помощью электрокардиофона по тракту радиосвязи передавались сигналы частоты пульса и дыхания. Медицинские исследования проводились врачом-космонавтом с помощью аппаратуры "Полином" (прообраза будущей широко известной аппаратуры "Полином-2М"), позволяющей регистрировать ЭЭГ, ЭОГ, динамограмму и показатели координации движений. Регистрация последних проводилась с помощью электромагнитного датчика, магнит которого был закреплен на подвесной площадке, совершающей перемещение при движении карандаша космонавта. Прибор "Полином" имел массу 400 г. Впервые была составлена специальная программа исследований, позволяющая наиболее рационально использовать отведенное для исследований полетное время.

Помимо перечисленных исследований впервые были запланированы комплексные исследования функций внешнего дыхания, газообмена и энерготрат с использованием разработанного с участием И.И. Касьяна прибора "Резеда-2" и методики забора проб выдыхаемого воздуха в бюретки.

Несмотря на достаточно насыщенную программу медицинских исследований в этом кратковременном полете (он длился чуть более 1 суток), коллектив ответственных исполнителей по разделу физиологических исследований - А.М. Генин, Г.Ф. Хлебников, Е.А.Федоров (соответственно - от ИАиКМ, ЦПК, ЦНИАГ) и исполнителей (Е.А. Карпов, П.В. Васильев, В.Г. Терентьев, А.В. Еремин и Е.Я. Шепелев) в качестве одного из выводов работы отметили необходимость введения в бортовые программы в последующих полетах целого ряда дополнительных методов исследований. Были рекомендованы: непрерывная киносъемка лица при действии перегрузок; определение дыхательного объема легочной вентиляции; измерение артериального давления в сосудах ушной раковины, давления в плечевой артерии (по тахоосциллограмме); регистрация кинетокардиограммы; измерение скорости распространения пульсовой волны в сосудах эластического и мышечного типа, уровня оксигемоглобина в крови сосудов уха; проведение плетизмографии; регистрация величины водопотребления и объема концентрации мочи.

В полете корабля "Восход-2" в 1965 г. основу СМК составляла аппаратура "Вега-2", обеспечивающая передачу параметров ЧСС и частоты дыхания (ЧД) по системе "Сигнал", регистрацию ЭКГ, ПГ, СКГ, ЭОГ. Однако в отличие от ее применения на предшествующих кораблях, на пульте управления командира корабля "Восход-2" П.И. Беляева были установлены индикаторные лампочки для контроля за частотой пульса и дыхания второго летчика-космонавта А.А. Леонова во время операций выхода в космическое пространство. Кроме того, у А.А. Леонова с помощью автономного электротермометра "ЭТ-3КД", размещаемого в выходном скафандре, регистрировалась температура тела в подмышечной области. Объем физиологических исследований включал также исследования внешнего дыхания и газообмена аналогично программе "Восхода-1".