Основные требования, предъявляемые к БТМС

В предыдущем параграфе было отмечено, что биотелеметрии присущ целый ряд особенностей, которые определяют специфику теоретических и практических построений БТМС. Кроме того, эта специфика обусловлена также особенностями биологического эксперимента и свойствами биообъекта как источника информации [14, 18, 35, 36, 185, 200, 210, 237]. Так, в отличие от систем общетехнического назначения БТМС может оказывать на объект не только физическое, но и чисто психологическое воздействие. Последнее вызывает определенный сдвиг в физиологических процессах, протекающих в организме, искажая тем самым результаты измерений. Кроме того, сам биологический объект является наиболее сложным многосвязным источником сообщений, состояние и поведение которого в процессе опыта могут резко изменяться, в результате чего могут изменяться в широких пределах качественный и количественный состав, а также внутренняя структура передаваемой информации. Это требует от БТМС высокой информационной гибкости, способности работать в широком амплитудном и частотном диапазоне, наличия адаптивных возможностей.

Передача информации в биотелеметрии часто осуществляется с весьма малых объектов (птицы, мелкие животные, отдельные части и внутренние органы тела) в условиях сложной внешней обстановки и динамики, что предъявляет особые требования к конструкции БТМС, ее габаритам, массе, аппаратурной надежности.

Физиологические исследования в полевых условиях, как правило, проводятся в течение продолжительного времени (исследование различного рода биоритмов, параметров и поведения диких животных, радиопрослеживание путей миграции и т. д.), без возможности смены источников питания, что определяет требования высокой экономичности БТМС.

Особую остроту для БТМС приобретает проблема помехоустойчивости. В биотелеметрии наряду с внешними и аппаратурными помехами, различного рода замираниями сигнала существует целый ряд специфических помех, присущих только биообъекту. Борьба с помехами этого типа при жестких ограничениях на сложность, габариты и массу БТМС представляет собой трудную задачу. Особые требования к БТМС могут выдвигать также условия ее работы [6, 9, 12, 14, 15, 178, 203, 258, 284], как правило, значительно отличающиеся от условий работы радиотелеметрических систем общетехнического назначения.

Резюмируя вышеизложенное, можно сформулировать следующие основные требования, предъявляемые к БТМС.

• 1. Высокая помехоустойчивость по отношению к широкому классу помех (физиологических, методических, аппаратурных и внешних).
• 2. Достаточно высокая скорость передачи сообщений и эффективность использования канала связи, необходимые для получения статистически достоверной биологической информации.
• 3. Точность измерения не менее 3…5%.
• 4. Малые габариты и масса, имеющие особенно большое значение для БТМС, предназначенных для исследования мелких животных и птиц, радиопилюль и эндорадиозондов.
• 5. Высокая экономичность, позволяющая осуществлять регистрацию физиологических параметров в течение продолжительного промежутка времени — от нескольким часов до нескольких суток, месяцев и лет без смены источников питания.
• 6. Требования минимального воздействия передатчика БТМС на биообъект.
• 7. Многоканальность.
• 8. Высокая чувствительность (для некоторых сигналов 5… 10 мкВ).
• 9. Широкий динамический диапазон.
• 10. Способность работать в сложных внешних условиях (большие динамические нагрузки, повышенная влажность и температура, наличие вредных сред и др.).
• 11. Высокая надежность.
• 12. Простота в настройке и эксплуатации.
• 13. Наличие адаптивных возможностей.

Существует также ряд частных требований [8, 18, 35, 36,46, 47, 130, 185, 259], обусловленных спецификой той или иной системы биотелеметрии.

Весь этот комплекс противоречивых требований превращает разработку оптимальных БТМС в сложную научно-техническую проблему. Естественно, что при создании конкретной БТМС не все требования будут иметь одинаковый вес: для систем телеизмерения наиболее важными являются метрологические характеристики; для БТМС радиопрослеживания — большой радиус действия, экономичность и надежность аппаратуры; для эндорадиозондов — минимальные габариты и масса, индифферентность и способность работать в условиях повышенной кислотности, влажности и температуры и т. д.

Рис. 1.2.

Очевидно, что оптимальное решение указанных проблем возможно на пути определенного компромисса между желанием получить наиболее полную информацию об исследуемом физиологическом процессе и технической осуществимостью соответствующих алгоритмов в системах биотелеметрии.

Основными составляющими звеньями БТМС, определяемой оператором L, являются система отбора биоинформации (СОБ), система прямого преобразования (СПП), канал связи (КС), система обратного преобразования (СОП) и система обработки и регистрации (СОиР) (рис. 1.2). Формально процесс прохождения информации от биообъекта (БО) к потребителю можно отобразить с помощью следующего операторного уравнения:

у = Ям = HFJ-HFDJ= HFDCu = HFDCBk. (1.4).

где В — оператор, преобразующий множество проявлений физиологических функций X е А в первичные электрические сигналы и е U; С — оператор, реализующий преобразование первично х сигналов и в форму /, удобную для передачи по каналу связи; D — оператор передачи сообщений; F — оператор обратного преобразования, обеспечивающий представление принятых сообщений / в форме й, удобной для их дальнейшей обработки и регистрации; Н— оператор, осуществляющий в соответствии с заданной программой эксперимента обработку и регистрацию поступающей информации.

Вид операторов, входящих в уравнение (1.4), в зависимости от объекта измерений, задач и программ эксперимента может быть самым различным. Например, в случае простого воспроизведения сообщений (у = А) операторы F и //обратны по отношению к В и С. Следует также отметить, что представление БТМС в форме (1.4) не единственное. В зависимости от назначения БТМС, решаемых физиологических задач и условий эксперимента структура операторного уравнения (1.4) может изменяться. Так, для систем телепрослсживапия отсутствуют операторы 5иС; для систем телеизмерения в ряде случаев вместо операторов Н и F действует единый оператор обработки HF, обеспечивающий получение оптимальных результатов измерений у на основании принятых сообщений f и т. д.

Кроме того, в уравнении (1.4) не учтены источники дополнительной информации, вводимой в БТМС (калибровка, маркировка, управление программой эксперимента и др.), а также источники различного рода помех: физиологических (ФП), артефактных (АП), внешних (ВП), внутренних шумов и искажений (ВШиИ) (см. рис. 1.2). Более подробно структурные схемы отдельных узлов БТМС, задаваемые указанными операторами, с учетом источников дополнительной информации и помех, будут рассмотрены в последующих главах.