Раздел III. Космическая физиология

Глава 7. Методы медико-биологических исследований в условиях космического полета

(Главы 7 и 8 написаны при участии Р. М. Баевского)

Методы медико-биологических исследований в условиях космического полета

Методы медико-биологических исследований в условиях космического полета

Одна из существенных особенностей космической физиологии состоит в том, что для накопления необходимой научной информации она вынуждена использовать дистанционные методы измерения. Сформировавшееся в последние десятилетия новое научное направление - биологическая телеметрия с каждым годом приобретает все большее значение в космонавтике. В свою очередь, космонавтика содействует энергичному прогрессу в области биотелеметрии.

В космонавтике физиологам впервые пришлось столкнуться с необходимостью строгого согласования объема передаваемой информации с пропускной способностью телеметрических каналов. Это обусловило широкое использование теории информации при снятии биологических характеристик. Наконец, наличие большого комплекса объектов, принимающих участие в процессе измерения (бортовая аппаратура, врач - получатель информации и др.), обусловило применение в космической физиологии концепции измерительной информационной системы.

Биотелеметрия

Регистрация физиологических функций на расстоянии по радиотелеметрическим каналам находит все большее применение в медицине и биологии. В настоящее время радиотелеметрические методы используются в спортивной, авиационной и космической медицине. Для наблюдения за космонавтами во время тренировок и испытании разработаны приборы, записывающие пульс, дыхание, биотоки мышц и другие параметры.

Специальный раздел радиотелеметрии, занимающийся передачей информации о биологических объектах, носит название биологической телеметрии. Для космической медицины биотелеметрия является основным исследовательским и контрольным методом. Любые измерения в космическом полете связаны с необходимостью использования радиоканалов. Наличие радиолинии между объектом изменения и регистрирующим прибором накладывает специфический отпечаток на методику и технику медико-биологических исследований. Все эти проблемы не являются ни сугубо техническими, ни сугубо медицинскими. Их решение может быть обеспечено лишь в результате творческого содружества врачей и инженеров.

В отличие от лабораторных экспериментов, где физиологические данные можно регистрировать в любом объеме и практически по любой заданной программе, во время космического полета объем получаемой информации строго ограничен, а сеансы записи зависят от параметров орбиты. Движение искусственного спутника вокруг Земли обусловливает эпизодический характер связи приемных пунктов с бортовой радиотелеметрической станцией. Для получения достаточного количества информации и обеспечения ее непрерывности организуется специальная сеть приемных станций. Однако ввиду движения искусственного спутника по орбите и вращения Земли невозможно обеспечить получение равных количеств информации на разных оборотах искусственного спутника Земли. В отдельные интервалы времени продолжительностью до нескольких часов прямая радиотелеметрическая связь затрудняется. В этих случаях приходится пользоваться ограниченным объемом оперативной информации, получаемой при помощи специальных радиосредств.

Программа телеизмерений составляется на основании учета задач данного летного эксперимента и возможности применения тех или иных методов исследования в полете. При выборе методов исследования в космическом полете, при составлении программы телеизмерений физиологу приходится считаться со специфическими условиями летного эксперимента, в частности с конструктивными особенностями бортовой медицинской аппаратуры, и с проблемой передачи медико-биологической информации по радиотелеметрическим каналам.

Общие требования к бортовым устройствам предусматривают их малый вес и небольшие габариты, высокую экономичность и надежность, а также устойчивую работу во время действия вибраций, перегрузок, высоких и низких температур. Датчики, предназначенные для работы во время полета, должны быть миниатюрными, обеспечивать получение неискаженных и стандартных записей в течение длительного времени и не мешать работе космонавта. Все это приводит к необходимости разработки специальной аппаратуры для медико-биологических измерений в космическом полете, которая удовлетворяла бы указанным требованиям.

Одним из важных вопросов является определение количества информации, подлежащей передаче по радиотелеметрическому каналу. Численное определение количества информации, содержащейся, например, в электрокардиограмме, никогда не практикуется врачами. Для них информационное значение имеют особенности кривой, отличающие ее от общепринятой нормы. Чем больше выявляется таких отклонений, тем большее количество информации получает врач. Иногда, наоборот, много информации дает врачу выявление нормальной кривой у больного человека. Совершенно иначе рассматривает электрокардиограмму инженер, который не ищет смысла в форме зубцов, в амплитудах или временных соотношениях. Для инженера электрокардиограмма - это набор сигналов разной величины, подлежащих передаче по радиоканалу с определенной скоростью. Посылка каждого сигнала означает, что из множества возможных сигналов выбран именно этот, а не какой-либо другой.

Блок-схема аппаратуры врачебного контроля, использовавшейся на кораблях 'Восток': Д - датчики; У - усилители; РТСн - радиотелеметрическая система непрерывного действия; РТСп - радиотелеметрическая система периодического действия; АР - автономный регистратор; БР - бортовой регистратор; Р - наземные регистраторы; З - звуковой контроль; В - визуальный контроль

Для определения количества информации нужно знать общее число возможных в данных условиях сигналов и вероятность появления каждого из них. Информация измеряется в двоичных единицах в секунду по следующей формуле:

где H - количество информации в двоичных единицах в секунду; n - скорость передачи; N - число равновероятных возможных состояний.

Скорость передачи информации по радиотелеметрическому каналу зависит от максимальной частоты исследуемого процесса. Так, для неискаженной передачи электрокардиограммы должно посылаться не менее 100 сигналов в секунду. Для передачи пневмограммы достаточно посылать по каналу 5 сигналов в секунду.

Каждый радиотелеметрический канал рассчитан на передачу определенного количества информации. Для резкого уменьшения емкости каналов и их числа могут быть использованы методы кодирования информации. Термин "кодирование" имеет широкое применение в радиотелеметрии. Он означает превращение одного сигнала в другой, более подходящий для передачи по данному каналу. Так, превращение звуковых колебаний в электрические при помощи микрофона является элементарным примером кодирования. В широком смысле кодированием можно назвать любой процесс преобразования информации: передачу букв телеграфным кодом Морзе, работу телевизионной аппаратуры по превращению видимого изображения в серию электрических сигналов, запись тонов сердца в виде кривой - фонокардиограммы. Кодированием можно считать процесс обработки электрокардиограммы специалистом кардиологом, который превращает только ему понятные сигналы - амплитудные, временные и морфологические особенности кривой - в понятные более широкому кругу людей числовые и словесные определения, означающие важные признаки заболеваний. Кодированием является и автоматическая обработка данных, производимая некоторыми из современных диагностических приборов, например определение частотно-амплитудного состава электроэнцефалограммы при помощи электронного интегратора-анализатора. Для получения оперативных данных о частоте пульса в аппаратуре, устанавливаемой на искусственных спутниках Земли, было предусмотрено специальное устройство (кардиофон), преобразующее электрокардиограмму в электрические сигналы длительностью в несколько сот миллисекунд, соответствующие частоте пульса. Эти сигналы в виде звуковых посылок непрерывно передавались через бортовые коротковолновые передатчики, что обеспечило динамический медицинский контроль за частотой пульса. Передача сигналов пульса при помощи кардиофона является простейшим примером кодирования физиологической информации.

Методы автоматической обработки медицинской информации: а - наземная система автоматической обработки; б - бортовая система автоматической обработки; Д - датчики; У - усилители; РТС - радиотелеметрическая станция; САО - система автоматической обработки; И - индикатор

Особенно важное значение приобретают системы автоматического врачебного контроля при дальних и продолжительных космических полетах. При этом резко возрастает "весовая стоимость" информации - количество передаваемой на Землю информации пропорционально весу корабля, поэтому очень важно повысить содержание информации в передаваемых сигналах. Ввиду того что при дальних полетах радиосвязь с Землей будет непостоянной, для обеспечения динамического врачебного контроля и периодических медицинских исследований необходимо использование запоминающих устройств, которые смогут передавать информацию на Землю по специальным командам во время очередных сеансов связи.

Применение бортовой системы автоматической обработки обеспечивает, кроме выигрыша в емкости канала и времени передачи, еще и высокую оперативность медицинского контроля за космонавтом, так как полученная на Земле информация не нуждается в дешифровке и может оцениваться тут же, в ходе полета.

Увеличение продолжительности космических полетов ставит перед биологической телеметрией новую проблему: обеспечение врачебного контроля за космонавтами и исследование животных в условиях свободного перемещения по кабине космического корабля. Вместо проводной связи объекта исследования с радиотелеметрической системой должна использоваться радиосвязь, т. е. на исследуемом должен располагаться миниатюрный радиопередатчик, обеспечивающий передачу информации к приемному устройству.

Методы передачи информации о состоянии космонавта с борта космического корабля на Землю: а - проводная связь космонавта с бортовой аппаратурой; б - система внутрикабинной ретрансляции данных ('малая телеметрия'); Д - датчики; У - усилители; П - передатчик; Пр - приемник; РТС - радиотелеметрическая станция

Дальнейшее уменьшение количества сообщений, передаваемых с борта космического корабля на Землю, может быть достигнуто путем построения кода, который отражал бы не цифровые значения показателей, а их принадлежность к определенному классу значений.

Уже при реализации простейших алгоритмов мы встречаемся с необходимостью записи в памяти логического устройства или вычислительной машины значений нормы, т. е. пределов вариации каждого параметра, которые считаются нормальными. Но, как известно, для большинства физиологических показателей не существует жестких норм. Например, пульс 120 ударов в минуту после умеренной физической нагрузки (20 приседаний) является нормальным для нетренированного человека и патологическим для спортсмена.

Физиологическая норма - динамичное понятие, обусловленное индивидуальными особенностями, тренированностью, условиями обследования и т. п. Для многих важных показателей вообще неизвестны количественные выражения, а поэтому нет и норм (например, степень побледнения лица или потоотделения при обморочных состояниях). Необходимы специальные исследования таких показателей и выработка для них количественных критериев. Наиболее правильным подходом к проблеме норм в космонавтике является статистическая обработка большого числа реакций организма в разнообразных условиях лабораторных испытаний, тренировок и предстартового периода. Это обеспечивает получение индивидуализированной, статистически достоверной нормы. Например, сейчас, после осуществления ряда космических полетов человека, мы уже можем говорить о нормах частоты пульса на различных участках полета космического корабля. Эти нормы вычисляются по данным, полученным в результате анализа телеметрической информации. Подобные статистические нормы могут быть положены в основу программирования будущих бортовых систем автоматической обработки информации.

Кроме статистических норм, существуют еще и критические значения отдельных показателей, которые указывают на явное неблагополучие. Например, появление пульса с частотой более 180 при нервно-эмоциональном напряжении является чрезвычайным обстоятельством для любого человека - тренированного и нетренированного.

При постановке диагноза врач по-разному оценивает разные симптомы. Иными словами, каждый симптом в симптомокомплексе имеет свой вес. Если сравнить значения симптомов падения артериального давления и снижения кожной температуры при обмороке, то первый симптом имеет, несомненно, большее значение, чем второй. Учет значения отдельных симптомов может быть произведен при вероятностном подходе к анализу и оценке информации.

Методы кодирования физиологической информации: а - передача пульса при помощи кардиофона; б - одноканальные кодирования трех параметров; в - кодирование информации при помощи ЭЦВМ; ШИМ - широтно-импульсная модуляция; АИМ - амплитудно-импульсная модуляция

Биологическая индикаций межпланетного пространства

Первыми "космонавтами" были животные. Прежде чем послать на космическом корабле человека, трассу его будущего полета всесторонне исследуют при помощи различных биологических объектов. Орбиты, по которым совершили свои триумфальные полеты корабли "Восток", неоднократно были прозондированы кораблями-спутниками с животными на борту. Подобная методология летных экспериментов в космосе принята как в СССР, так и в США. Сейчас можно со всей определенностью сказать, что в космонавтике появилось специальное направление - биологическая индикация космического и межпланетного пространства. В ее задачи входит: изучение биологического действия факторов космического и межпланетного полета, биологическая оценка систем жизнеобеспечения космических кораблей, предназначенных для полета человека, создание биологических сигнализаторов опасности.

Указанные три направления могут быть сокращенно названы соответственно биологической разведкой, биологическим контролем и биологической сигнализацией.

Физиологическая измерительно-информационная система космического и межпланетного корабля является одним из средств биологической разведки и биологического контроля. Применение одних и тех же физиологических методов и оборудования для исследования животных и человека как экономически, так и методологически целесообразно. Это обеспечивает сравнимость данных, полученных в первых полетах животных, с данными врачебного контроля и медицинских исследований в полетах человека. Поэтому при разработке физиологических измерительно-информационных систем должна предусматриваться возможность их применения для исследований на животных. Так, система физиологических измерений кораблей "Восток" вначале была испытана на собаках Чернушке и Звездочке.

Кратковременные исследования на животных могут проводиться при помощи вживленных датчиков и электродов, связанных проводами с бортовой аппаратурой. Однако при обеспечении летного эксперимента продолжительностью до месяца и более необходимы бесконтактные методы сбора информации. С этой целью разрабатываются вживленные датчики-передатчики и другие методы бесконтактного физиологического исследования.

Созданы миниатюрные приборы для размещения на животных, например передатчики массой 20 г с радиусом действия 1 м для размещения на спине у крысы. Удалось измерить температуру тела у плавающего в бассейне дельфина. Миниатюрные передатчики были вмонтированы в яйца, которые затем подкладывали пингвинам. Это позволило изучить температуру инкубации.

К бесконтактным относятся методы исследования двигательной активности мышей путем регистрации колебаний клетки, установленной на рессорах, с автоматическим подсчетом числа импульсов, вырабатываемых датчиком на пьезоэлементе. Для регистрации дыхания у мышей был предложен электромагнитный метод, при котором под кожу животных помещали магнит размером 4×4×20 мм, а в камере располагали катушки индуктивности, в которых возникала э. д. с, пропорциональная дыхательной и двигательной активности мыши. Для бесконтактной регистрации дыхания используют и барометрический метод - регистрацию незначительных перепадов давления в герметической камере, обусловленных дыханием. Разработаны методы бесконтактной записи электромиограмм (записи биопотенциалов мышечной ткани).

Образцы записей, полученных с помощью различных систем медико-биологического контроля: А - электрокардиограмма и пневмограмма, записанные с помощью радиотелеметрической системы периодического действия; Б - частота пульса, зарегистрированная с помощью радиосистемы непрерывного действия

Наиболее перспективными следует считать датчики и системы, вживляемые в организм животных и обеспечивающие передачу информации через неповрежденную кожу в условиях свободного поведения.

Следует различать два этапа биологической разведки. Прежде всего при изучении новой космической трассы решается вопрос выживаемости. Это первый этап биологической разведки космического пространства. К этому этапу может быть отнесен летный эксперимент с Лайкой, в то время как полет собак Белки, Стрелки и других представляет собой второй этап биологической разведки, задача которого состояла в детальных исследованиях биологического действия факторов космического полета на живой организм.

Сейчас уже определился примерный перечень объектов для биологической разведки космического пространства. Это в первую очередь собаки - классический объект отечественной физиологии. Их системы кровообращения и дыхания имеют большое сходство с аналогичными системами человека.

Для изучения обмена веществ удобным в методическом отношении объектом являются мыши. В советских космических исследованиях накоплен большой экспериментальный материал на мышах, разработаны специальные контейнеры для обеспечения продолжительного полета мышей на космическом корабле. Американские исследователи использовали в целях биологической разведки приматов.

При биологической разведке основное внимание уделяется получению достаточного объема информации, необходимого для установления степени биологического действия того или иного фактора или комплекса факторов. Для проверки эффективности систем жизнеобеспечения и спасения производится биологический контроль. Пример биологического контроля - полет собак Чернушки и Звездочки.

Биологическая сигнализация связана с обязательным применением устройств автоматической обработки информации. Сигнал, который вырабатывает система измерений, может указывать на нормальное или патологическое состояние биологического объекта.

Особенно важное значение будет иметь биологическая сигнализация на обитаемых межпланетных кораблях. Шахтеры, спускаясь под землю, и в нынешний век техники иногда берут с собой канарейку, которая очень чувствительна к повышению концентрации рудничного газа и усиленной двигательной активностью сигнализирует об опасности. Космонавту тоже целесообразно иметь подобные биологические сигнализаторы. Многообразие экстремальных факторов межпланетного пространства диктует необходимость использования разнообразных живых организмов, одни из которых сигнализировали бы об одних опасностях, другие - о других. Получены экспериментальные данные о том, что частота пульса у мыши прямо пропорциональна величине перегрузки и, следовательно, может сигнализировать о предельных реакциях на ускорение. При помощи датчиков-тензометров, вживленных в сердце животных, можно выявить изменения сократительной способности сердечной мышцы в результате действия перегрузок, невесомости и других факторов. Описан сигнализатор высокого давления внутри желудка у животных. Он может быть использован для индикации некоторых воздействий, связанных с появлением метеоризма. Наконец, можно упомянуть о большой чувствительности некоторых микробов к ионизирующему излучению, что также представляет интерес для биологической индикации в космосе. Таким образом, разработка методов различных биологических (в том числе и физиологических) измерений на животных или с помощью микробов, растений, насекомых играет важную роль в решении проблем биологической индикации космических трасс.

Система биосигнализации на борту межпланетного корабля имеет самостоятельное значение, но связана с единой диагностической системой. Она использует бортовое вычислительное устройство и имеет выходы на врачебный пульт. Важно отметить и то обстоятельство, что введение биосигнализаторов позволит освободить космонавтов от ряда дополнительных исследований, поскольку биологические объекты на корабле будут надежно сигнализировать о возможных опасных воздействиях.