Конспект содержит материалы, излагаемые в лекционном курсе, с необходимыми рисунками и схемами

Биологическая телеметрия

Биологической телеметрией называется измерение медико-биологических параметров с передачей данных на расстояние [21].

История биотелеметрии начинается, как принято считать, с передачи тонов сердца через корабельную радиостанцию американцем Уинтерсом (Winters) в 1921 году, хотя еще в 1905 году в Швеции В. Эйнтховеном была осуществлена передача сигнала электрокардиограммы по телефонным линиям.
В СССР в 1932 году А.А. Ющенко и Л.А. Чернавкиным была осуществлена передача данных о слюнной секреции у свободно перемещающейся собаки с помощью расположенного на ней радиопередатчика.
Развитие авиационной биотелеметрии начинается с эксперимента швейцарских ученых Smith и Lamb в 1952 году по передаче ЭКГ летчика с самолета на землю.
Космическая биотелеметрия родилась 3 ноября 1957 года. С борта второго искусственного спутника Земли осуществлялась передача четырех физиологических показателей (ЭКГ, пневмограмма, АД и двигательная активность) собаки Лайки.
22 апреля 1961 года впервые был осуществлен полет в космос человека – Ю.А.Гагарина. В процессе полета осуществлялся радиотелеметрический контроль работы сердечно-сосудистой системы и органов дыхания космонавта.
18 марта 1965 года летчик-космонавт А.Л.Леонов вышел в открытый космос. Во время выхода на Землю передавались ЭКГ, сейсмокардиограмма и пневмограмма космонавта.
В настоящее время биотелеметрия активно развивается на основе цифровых средств. В основном используются высокочастотные радиоканалы.
Структура биотелеметрической системы (БТС) практически совпадает со структурой системы связи, предложенной Шенноном. Она показана на рис. 83.



Рис. 83. Структура биотелеметрической системы

Основные элементы БТС:

ПСИ – подсистема сбора информации, совокупность датчиков и схем обработки сигналов;
ПОИ – подсистема обработки информации, комплекс устройств для обработки, анализа и представления информации;
КС – канал связи, комплекс устройств для передачи информации на расстояние, в нем можно выделить три основных узла: передатчик (Пер), линия связи (ЛС) и приемник (Прм).
Передатчик предназначен для преобразования сигнала с выхода ПСИ (так называемый полезный сигнал) в форму, удобную для передачи по линии связи. Обычно это осуществляется с помощью модуляции высокочастотной несущей низкочастотным полезным сигналом.
Линия связи – тракт для передачи модулированного сигнала. Может быть проводной (механическая, электрическая, волоконно-оптическая) и беспроводной (радио, оптическая). Наиболее часто используются радиолинии.
Приемник предназначен для выделения из модулированного сигнала полезной составляющей и связанных с этим операций (усиление, фильтрация помех и т. п.).
Пример БТС, разработанной «Институтом точной механики и Вычислительной техники им. С.А. Лебедева, РАН» в сотрудничестве с Московским Государственным Университетом им. М.В. Ломоносова показана на рис. 84. Она предназначена для беспроводного мониторинга с минимальным стрессом за состоянием физиологических показателей мелких лабораторных животных. Передача данных (ЭКГ, ЭЭГ, температура) от имплантированного модуля осуществляется на расстоянии до 1 м со скоростью 1 Мбит/с.

а)

б)
Рис. 84. Структура БТС для наблюдения за физиологией лабораторных животных (а)
и имплантируемого модуля (б)

Основной характеристикой канала связи является его объем [22]:

V_к = F_к∙T_к∙H_к

где F_к – полоса частот, в которой возможна передача сигнала, Гц, зависит от вида линии связи (табл. 10); T_к – время, в течение которого возможна передача, с; H_к – относительный уровень помех в канале, , Нп или , дБ, здесь P_с – средняя мощность сигнала, P_ш – средняя мощность шумовой помехи в полосе частот канала.

Табл. 10 . Характеристики линий связи [22]

Аналогичная характеристика используется для передаваемых сигналов:

V_с = F_с∙T_с∙H_с

где F_с – полоса частот, занимаемая сигналом, Гц, зависит от вида модуляции и частот полезного сигнала и несущей, наиболее часто используется комбинированная модуляция КИМ + ЧМ, то есть сначала сигнал преобразуется в цифровой код (КИМ), а затем передается по линии связи с ЧМ; T_с – время, требуемое для передачи сигнала, с; H_с – относительный уровень помех.

Передача сигнала по каналу связи возможна при выполнении условия V_к > V_с, даже в тех случаях, когда F_с > F_к или T_с > T_к. Согласование параметров осуществляется за счет других параметров, например при F_с > F_к «растягивают» сигнал во времени, увеличивая T_с, при этом спектр сигнала смещается в сторону низких частот. При T_с > T_к сигнал записывают и передают с воспроизведением на более высокой скорости, при этом спектр сигнала расширяется в сторону высоких частот.