Методы физиологических исследований

Из-за возможных ошибок или вариабельности получаемых результатов, вызванных неконтролируемыми переменными, измерения обычно повторяют и выявляют среднюю или медианную величину. При повторных измерениях проводят множественные наблюдения за теми же животными или же одно наблюдение за многими животными, или же и то и другое вместе. Чем больше вероятность ошибок или колебаний, связанных с некоторыми неизвестными или неконтролируемыми переменными, тем больше вероятность того, что повторные измерения будут отличаться и, таким образом, вариабельность измерений относительно средней величины будет выше. Статистический анализ обычно используется для оценки степени достоверности наблюдаемых различий между экспериментальными и контрольными группами или условиями опыта. Например, различие между двумя средними тради-ционно считается значимым (т. е. не случайным), когда вероятность того, что различие на самом деле является истинным, до-стигается не менее чем в 95 случаях из 100.

Научный анализ, основывающийся на натуралистических наблюдениях или на лабораторных опытах, опирается на измерения, с помощью которых наблюдениям придается количественный ха-рактер. От так называемого уровня измерения зависит, какие арифметические операции могут быть применены к числам, что, следовательно, и обусловливает использование соответствующих статистических методов. Исследователь должен учитывать уро-вень измерений и предвидеть природу статистической обработки результатов уже при планировании опытов, так как эти сообра-жения помогут решить вопрос о точности измерительных приборов и требуемом количестве опытов.

Необходимо различать четыре общих уровня измерения или оценки: номинальный, ординарный, интервальный и соотноситель-ный. Низшим уровнем является номинальный, где такие символы, как буквы или цифры, используются просто для классификации объектов или явлений. В этом случае количество измерений, по-падающих в различные классы в условиях эксперимента и контроля, сравниваются с использованием биномиальной статистики. Если возможно упорядочить наблюдения так, чтобы они находи-лись в каких-то отношениях один к другому (например, «больше чем», «меньше чем» и т. д.), то будем иметь дело с ординарной шкалой. Если, кроме того, можно обнаружить интервалы между числами на такой шкале, то будем иметь дело с интервальной шкалой, которая имеет произвольную нулевую точку (как в случае температурной шкалы). Если же шкала имеет еще и истинную нулевую точку в начале, как, например, шкалы высоты, массы, то будет достигнут наивысший уровень измерения, т. е. соотносительная шкала. Параметры, измеряемые с помощью номикалькой или ординарной шкалы, обрабатываются с применением непараметрической статистики (например, ч²-есты (Connover, 1971; Siegel, 1956)), тогда как данные, измеряемые по интервальной и соотносительной шкале, как правило, обрабатываются с помощью параметрических статистических методов (например, t-тесты) (если различные предположения о параметрах популя-ции, из которой взят пример, соответствуют данным). Параметры популяции, подвергаемые непараметрическим статистическим процедурам, не обязательно должны соответствовать определенным условиям, например нормальному распределению. Поэтому эти процедуры широко используются в опытах по физиологической психологии, где измерения, как правило, проводятся па ординарном уровне и объем выборки часто является небольшим. В план проведения опытов, описанных в этой книге, включено сопоставление экспериментальных и контрольных данных. Для таких данных, полученных из независимых событий, полезной непараметрической статистикой является U-гест Манна - Уитни. При использовании другой схемы опытов животное служит контролем самого себя, как в случае сравнения поведения до и после введения препарата и при удалении отделов головного мозга. Стандартной непараметрической оценкой для таких данных, полученных при наличии связанных событий, является критерий для сопряженных пар знаковых рангов Вилкоксона (Siegel, 1956). Кроме того, непараметрические методы используются для анализа данных, полученных в повторных текстах, по результатам которых и строят кривые обучения и кривые реактивности (Krauth, 1980).

В этой книге в качестве подопытных животных для большей части экспериментов используют крыс. Для подробного ознакомления с общими лабораторными процедурами, включая уход за животными и обращение с ними, в особенности с крысами, читателям рекомендуем обратиться к работам Бейкера с сотрудниками (Baker et al., 1979), Ферриса (Harris, 1957), Гудмана и Гилмана (Goodman and Oilman, 1975), Лейн-Петтера с сотрудниками (Lane-Petter et al., 1967), Леонарда (Leonard, 1968), Майерса (Myers, 1971 а), Манна (Munn, 1950) и Шорта и Вуднотта (Short

and Woodnott, 1969).

В поведенческих исследованиях чаще всего используют такие линии крыс, как капюшонные линии Лонг-Эванса; белые линии Спраг-Доули и Вистар. В целях получения и сопоставления результатов желательно применять стандартные линии. Однако степень универсальности результатов может зависеть от использо-вания нескольких линий (а также видов).

Для проведения опытов на животных необходимо содержать их в чистоте, удобстве и обезопасить от болезней. Этого можно достичь, руководствуясь подробно разработанными стандартами размещения, кормления, гигиены, постоперационного ухода (см. приведенные выше ссылки) и зная обычные заболевания живот-ных (Myers, 1971 a; Short and Woodnott, 1969).

Большая часть поведенческих опытов вызывает дискомфорт у животных, независимо от того, вызван ли он пищевой деприва-цией, использованием центральной или периферической аверсив-ной стимуляции, введением препаратов или просто поднятием животного в воздух. Экспериментатор должен постоянно помнить об этом и стараться по возможности уменьшить дискомфорт подопытного животного.

Ниже приводятся рекомендации для проведения опытов на животных, которые составляют один из разделов «Принципов использования животных» в «Руководстве к дотациям и контрактам Национального института здравоохранения США» от 1978 г.:

«1. Опыты, в которых используются живые позвоночные и ткани живых организмов для проведения исследований, должны выполняться под контролем квалифицированных ученых-биологов, физиологов или медиков.

2. Размещение, уход и кормление всех экспериментальных животных должны находиться под контролем квалифицированного ветеринара или другого ученого, компетентного в данных вопросах.

3. Исследование по своему характеру должно дать полезные результаты на благо общества и не должно быть случайным и бесполезным.

4. Эксперимент должен опираться на знание исследуемой болезни или проблемы и планироваться так, чтобы ожидаемые результаты оправдывали его проведение.

5. Статистический анализ, математические модели или биологические системы in vitro должны использоваться, если они соответственно дополняют результаты опытов на животных и позволяют сократить число используемых животных.

6. Опыты должны проводиться так, чтобы не подвергать животное ненужным страданиям и не наносить ему вреда.

7. Ученый, отвечающий за опыт, должен быть готов прекратить его, если он/она считает, что продолжение опыта может вызвать ненужное увечье или страдание животных.

8. Если сам опыт вызывает больше дискомфорта у животного, чем наркоз, то необходимо довести животное (путем применения наркоза) до состояния, когда оно не воспринимает боль, и поддерживать это состояние до тех пор, пока опыт или процедура не будут завершены. Исключение составляют только те случаи, когда наркоз может повредить цели опыта, а данные нельзя получить никаким иным способом, кроме как проведением подобных опытов. Такие процедуры должны тщательно контролироваться руководством или другим квалифицированным старшим сотрудником.

9. Постэкспериментальный уход за животным должен свести до минимума дискомфорт и последствия травмы, нанесенной животным в результате опыта, в соответствии с принятой практикой ветеринарной медицины.

10. Если необходимо умертвить экспериментальное животное, то это дела-ют так, чтобы достичь мгновенной гибели. Ни одно животное не должно быть уничтожено до тех пор, пока не наступит его смерть».

Почти во всех случаях поведенческого и нейрологического тестирования, которые описаны в последующих главах, необходимо брать животных в руки. Животное нужно приучать к этой процедуре на протяжении нескольких дней перед началом опыта. Такое обращение предполагает доставание животного рукой из клетки, помещение его на стол, осторожное поглаживание и перенесение с одного места на другое. Со временем животные перестают сопротивляться таким процедурам, если их осуществлять бережно.

Не держите животное за хвост и старайтесь не прихватить кожу и сильно не надавливать на животное. Лучше брать животное сзади под лопатки, подводя большой палец под одну переднюю конечность, а остальные пальцы - под вторую конечность. Сила захвата животного должна соответствовать сте-пени его сопротивления. Если животное держать так, чтобы его передние конечности перекрещивались, то оно не сможет укусить.

При частом взятии на руки лабораторные крысы становятся довольно ручными и ими легко управлять. Для введения препаратов желательно использовать помощника, при этом вторую ру-ку экспериментатор использует для вытягивания задних конечностей животного. При достаточной практике внутрибрюшинные инъекции можно производить самостоятельно, путем захвата зад-них конечностей крысы и одновременного инъецирования ее другой рукой.

Перед инъекцией полезно успокоить животное; для этого нужно захватить животное так, как это описано выше, и затем медленно раскачивать его вперед и назад по широкой дуге.

Обычным методом маркировки крыс является нанесение на уши животного прорезей или отверстий, пока оно находится под наркозом. Уши животного тонкие и не очень кровоточат. Предпочтительным является метод маркировки тела и хвоста каким-либо биологическим красителем, например желтой пикриновой кислотой или красным карбофуксином. Такая бинарная система позволяет осуществить индивидуальное кодирование 63 крыс. (Если исполь-зуете несколько крыс, то кодируйте их только четными числами, так как это уменьшает число необходимых отверстий или меток.)

АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ

Успехи современной физиологии в изучении функций целостного организма, его систем, органов, тканей и клеток во многом обусловлены широким внедрением в практику физиологического эксперимента электронной техники, анализирующих устройств и электрон-ных вычислительных машин, а также биохимических и фармакологических методов исследования. В последние годы в физиологии качественные методы дополняют количественными, что позволяет определять изучаемые параметры различных функций в соответствующих единицах измерения. Совместно с физиологами в разработке новых методических подходов участвуют физики, математики, инже-неры и другие специалисты.

Быстрое совершенствование электронной техники открыло новые пути для познания многих физиологических процессов, что ранее было принципиально невозможно.

Создание разнообразных систем датчиков, преобразующих неэлектрические процессы в электрические, совершенствование измеритель-ной и регистрирующей аппаратуры позволили разработать новые, высокоточные методы объективной регистрации (например, биотеле-метрия) физиологических функций, что в значительной мере расширило возможности эксперимента.

СХЕМА СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ПРИБОРАМИ И ОБЪЕКТАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ

При исследовании физиологических функций с использованием различной аппаратуры в эксперименте и клинике формируют своеобразные системы. Их можно разделить на две группы: 1) системы для регистрации различных проявлений жизнедеятельности и анализа полученных данных и 2) системы для воздействия на организм или его структурно-функциональные единицы.

Для того, чтобы наглядно представить взаимодействия отдельных элементов системы, необходимо рассмотреть их в виде блок-схем. Такие блок-схемы и их символы удобно использовать студентам для иллюстрации протоколов экспериментов во время практических занятий. По нашему мнению, подобная форма изображения хотя бы части условий эксперимента значительно сократит его описание и будет способствовать пониманию схем устройств и приборов.

Блок-схемы, отражающие основные формы взаимодействия между объектом исследования и различными устройствами для регистрации функций.

Многие функции организма можно исследовать без электронной аппаратуры и регистрировать процессы либо непосредственно, либо после некоторых преобразований. Примерами могут служить измерение ртутным термометром температуры, регистрация сердечных сокращений с помощью пишущего рычажка и кимографа, регистрация дыхания с использованием капсулы Марэ, плетизмография с применением водяного плетизмографа, определение пульса и т. д. Реальные схемы установок для плетизмографии, регистрации моторики желудка и записи дыхания приведены на рис.

Блок-схема системы, позволяющей регистрировать биоэлектрические процессы в организме, показана на рис. \, В. Она состоит из объекта исследования, отводящих электродов, усилителя, регистратора и блока питания. Регистрирующие системы такого рода используют для электрокардиографии, электроэнцефалографии, электрогастрографии, электромиографии и др.

При исследовании и регистрации с помощью электронной аппаратуры целого ряда неэлектрических процессов необходимо их предварительно преобразовать в электрические сигналы. Для этого используют различные датчики. Одни датчики сами способны генерировать электрические сигналы и не нуждаются в питании от источника тока, другим это питание необходимо. Величина сигналов датчика обычно невелика, поэтому для регистрации их необходимо предварительно усиливать. Системы с применением датчиков используют для баллистокардиографии, плетизмографии, сфигмографии, регистрации двигательной активности, кровяного давления, дыхания, определения газов в крови и выды-хаемом воздухе и т. д.

Если системы дополнить и согласовать с работой радиопередатчика, то становится возможным передавать и регистри-ровать физиологические функции на значительном расстоянии от объекта исследования. Этот метод получил название биотелеметрии. Развитие биотелеметрии определяется внедрением микроминиатюри-зации в радиотехнику. Она позволяет исследовать физиологические функции не только в лабораторных условиях, но и в условиях свободного поведения, во время трудовой и спортивной деятельности, независимо от расстояния между объектом исследования и исследователем.

Системы, предназначенные для воздействия на организм или его структурно-функциональные единицы, оказывают различные влияния: пусковые, стимулирующие и тормозящие. Методы и варианты воздействия могут быть самыми разнообразными.

При исследовании дистантных анализаторов стимулирующий импульс может восприниматься на расстоянии, в этих случаях стимулирующие электроды не нужны. Так, например, можно воздействовать светом на зрительный анализатор, звуком - на слуховой и различными запахами - на обонятельный.

В физиологических экспериментах в качестве раздражителя часто используют электрический ток, в связи с чем широкое распространение получили электронные импульсные стимуляторы и стимулирующие электроды. Электрическую стимуляцию применяют для раздражения рецепторов, клеток, мышц, нервных волокон, нервов, нервных центров и т. д. При необходимости может быть применена биотелеметрическая стимуляция (рис. 4, В). Причем воздей-ствия на организм могут быть как локальными, так и общими

Исследования физиологическихфункций проводят не только в состоянии покоя, но и при различныхфизических нагрузках. Последние могут создаваться либо. выполнением определенных упражнений (приседания, бег и т. д.), либо с помощью различных устройств (велоэргометр, бегущая дорожка и др.), дающих возможность точно дозировать нагрузку.

Регистрирующие и стимулирующие системы часто используют одновременно, что значительно расширяет возможности физиологических экспериментов. Эти системы можно комбинировать в различных вариантах.

ЭЛЕКТРОДЫ

В физиологических исследованиях электроды являются связующим звеном между объектом исследования и приборами. Они применяются для нанесения разряжения или регистрации (отведения) биоэлектрической активности клеток, тканей и органов, поэтому их принято подразделять на стимулирующие. Один и тот же электрод может быть использован и как стимулирую-щий, и как отводящий, так как принципиальной разницы между ними нет.

В зависимости от способа регистрации или раздражения различают биполярные и униполярные электроды. При биполярном способе чаще используют два одинаковых электрода, при униполярном - электроды различаются и по функциональному назначению, и по конструкции. В этом случае активный (дифферентный) электрод располагают в зоне отведения биопотенциалов или на участке ткани, который нужно стимулировать.

Активный электрод, как правило, имеет относительно небольшие размеры по сравнению с другим пассивным (индифферентным) электродом. Индифферентный электрод обычно фиксируют на некотором удалении от активного. При этом необходимо, чтобы зона фиксации индифферентного электрода либо не имела собственного потенциала (например, умерщвленный участок ткани, жидкая электропроводная среда, окружающая объект исследования), либо этот участок должен быть выбран с более низким и относительно стабильным потенциалом (например, мочка уха). Индифферентные электроды часто представляют собой пластины из серебра, олова, свинца или другого металла.

В зависимости от расположения электроды делятся на поверхностные и погружные. Поверхностные электроды фиксируют или на поверхности объекта исследования (например, при регистрации ЭКГ, ЭЭГ), или на отпрепарированных и обнаженных структурах (при стимуляции нерва, отведении вызванных потенциалов от поверхности коры головного мозга и т. п.).

Погружные электроды используют для исследования объектов, расположенных в глубине органов или тканей (например, при стимуляции нейронов, расположенных в подкорковых структурах головного мозга, или отведении от них биоэлектрической активности). Эти электроды имеют особую конструкцию, которая должна обеспечить хороший контакт с объектом исследования и надежную изоляцию остальной токопроводящей части электрода от окружающих тканей. Все электроды независимо от типа и способа их использования не должны оказывать вредного влияния на объект исследования.

Недопустимо, чтобы сами электроды становились источником потенциалов. Следовательно, электроды не должны иметь поляриза-ционных потенциалов, которые в ряде случаев могут значительно искажать результаты исследований. Величина поляризационного потенциала зависит от материала, из которого изготовлен электрод, а также свойств и параметров электрического тока.

Меньшую способность к поляризации имеют электроды из благо-родных металлов: золота, серебра и платины. Поляризация практически не возникает, если через электроды течет переменный или импульсный электрический ток с изменяющейся полярностью импульсов. Возможность поляризации электрода увеличивается при его взаимодействии с постоянным или импульсным монофазным током. Вероятность поляризации тем больше, чем больше сила тока, протекающего через электрод, и длительное время его действия. Она связана с электрохимическими процессами, происходящими между материалом электрода и окружающей его электролитической средой. В результате этого электроды приобретают определенный заряд, противоположный по знаку стимулирующему или отводимому току, что приводит к неконтролируемому положению условий эксперимен-та. Поэтому при воздействии на объект постоянным током и при отведении постоянных или медленно изменяющихся потенциалов используют неполяризующиеся электроды.

В электрофизических экспериментах наиболее часто используют неполяризующиеся электроды следующих типов: серебро - хлористое серебро, платина - хлористая платина и цинк - сернокислый цинк.

Серебряные электроды при соприкосновении с тканевой жид-костью, содержащей хлориды, быстро покрываются слоем хлористого серебра и после этого поляризуются с трудом. Однако для точных экспериментальных исследований серебряные электроды покрывают слоем хлористого серебра до их использования в эксперименте. Для этого серебряный электрод зачищают мелкой наждачной бумагой, тщательно обезжиривают, промывают дистиллированной водой и погружают в сосуд с 0,9% раствором NaCl или 0,1 н. НС1, в котором уже имеется угольный электрод.

К серебряному электроду подключают анод (+), а к угольному -катод (-) любого источника постоянного тока (батареи, аккумулятора, выпрямителя и т. п.) напряжением 2 - 6 В. Через электроды пропуска-ют ток плотностью от 0,1 до Ю А/м ² до тех пор, пока электрод не покроется сплошным слоем хлористого серебра. Эту операцию рекомендуется проводить в темноте. Готовые хлорированные электроды хранят в растворе Рингера в темноте.

Неполяризующиеся платиновые электроды можно изготовить следующим образом. Платиновую проволоку промывают дистиллированной водой и опускают на несколько минут в концентрированную серную кислоту, а затем тщательно промывают в дистиллирован-ной воде, после чего два платиновых электрода опускают в сосуд с раствором хлористой платины. Один электрод подключают к аноду, другой - к катоду источника постоянного тока с напряжением в 2 В.

С помощью переключателя через них пропускают ток то в одном, то в другом направлении (4-6 раз по 15 с). Электрод, который будет использован в исследованиях, в последней операции по пропусканию тока должен быть соединен с анодом источника тока. Готовый электрод необходимо промыть и хранить в дистиллированной воде.

Неполяризующиеся электроды типа цинк - серно-кислый цинк представляют собой стеклянные трубки, заполненные раствором серно-кислого цинка 2, в который помещен амальгамированный цинковый стержень 3. Амальгамирование цинка получается путем его погружения на несколько минут сначала в 10% раствор серной кислоты, а затем - в ртуть. Нижний конец стеклянной трубки закрывают каолином 4, замешенным на растворе Рингера. Наружной части каолиновой пробки придают форму, удобную для контакта с объектом. Иногда пробку делают из гипса и вставляют в нее ватный фитиль или мягкую волосяную кисточку 5. Ионы цинка имеют большую диффузионную способность, поэтому эти электроды хранятся не более 1 сут.

Электроды для стимуляции и отведения применяются и в остром, и в хроническом экспериментах. В последнем случае за несколько дней до эксперимента их имплантируют (вживляют) в ткани объекта исследования. Это - вживленные электроды.

ДАТЧИКИ

Датчики - это устройства, преобразующие различные физические величины в электрический сигнал. Различают генераторные и пара-метрические датчики.

Генераторные датчики под тем или иным воздействием сами генерируют электрическое напряжение или ток. К ним можно от-нести следующие типы датчиков: пьезоэлектрические, термоэлектрические, индукционные и фотоэлектрические.

Параметрические датчики под действием измеряемой функции изменяют какой-либо параметр электронной схемы и модулируют (по амплитуде или частоте) электрический сигнал этой схемы. Основные типы параметрических датчиков следующие: омические, емкостные и индуктивные.

Следует отметить, что такое деление датчиков условно, так как на основе термоэлектрического и фотоэлектрического эффектов созданы как генераторные, так и параметрические датчики. Например, фотодиоды и термопары служат для создания генераторных датчиков, а фото- и терморезисторы - параметрических.

Внедрение различных типов датчиков в физиологические и клинические исследования позволяет получать объективную информацию о многих функциях организма, например о сокращении мышц, смещении центра тяжести тела при перераспределении крови, давлении крови, кровенаполнении сосудов, степени насыщения крови кислородом и углекислым газом, о тонах и шумах сердца, температуре тела и многих других.

Пьезоэлектрические датчики. Создание этого типа датчиков основано на пьезоэлектрическом эффекте, который выражается в следующем: некоторые кристаллические диэлектрики (кварц, сегнетова соль, титанат бария) под действием механической деформации способны поляризоваться и генерировать электрический ток. Пьезоэлектрический датчик состоит из кристалла, на который путем напыления нанесены металлические контакты для отведения генерируемого датчиком электрического потенциала. При деформации пьезоэлектрического датчика с помощью механической системы можно регистрировать различного рода смещения, ускорения и вибрацию (например, пульс), а пьезоэлектрические микрофоны могут быть использованы для регистрации фоноэлектрокардиограммы.

Пьезоэлектрические датчики имеют некоторую емкость (100-2000 пф), поэтому они могут искажать сигналы с частотой ниже нескольких герц. Они практически безынерционны, что позволяет их использовать для исследования быстроменяющихся процессов.

Термоэлектрические датчики. Этот тип датчиков преобразует изменения температуры в электрический ток (термопара) или изменяет под влиянием температуры силу тока в электрической цепи (терморезисторы). Термоэлектрические датчики широко используют для измерения температур и определения различных параметров газовой среды - скорости потока, процентного содержания газов и т. д.

Термопара состоит из двух разнородных проводников, соединенных друг с другом. Для ее изготовления применяют различные материалы: платину, медь, железо, вольфрам, иридий, константен, хромель, копель и _др. В термопаре, состоящей из меди и константана, при разности температур ее соединений в 100°С возникает электродвижущая сила, равная примерно 4 мВ.

Терморезисторы - это полупроводниковые резисторы, способные уменьшать свое сопротивление по мере повышения температуры. Существуют резисторы, сопротивление которых с повышением температу-ры увеличивается, их называют позисторами. Терморезисторы выпускают в самом разнообразном конструктивном оформлении. Терморезисторы следует включать в цепи измерительного моста постоянного тока. Их широко используют для создания электротермометров.

Фотоэлектрические датчики, или фотоэлементы. Этот тип датчиков представляет собой устройства, которые изменяют свои параметры под действием света. Различают три типа фотоэлементов: 1)с внешним фотоэффектом, 2) с запирающим слоем (фотодиоды), 3) с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы).

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой вакуумные или наполненные газом баллоны. В баллоне расположе-ны два электрода: катод, покрытый слоем металла (цезий, сурьма), способного под действием света испускать электроны (внешний фотоэффект), и анод. Фотоэлементы этого типа требуют дополнительного пита-ния для создания внутри элемента электрического поля; их включают в сеть постоянного тока. Под действием света катод испускает электроны, которые устремляются к аноду. Возникающий таким путем ток служит показателем интенсивности светового потока. Газонаполненные фотоэлементы более чувствительны, так как фототек в них усиливается за счет ионизации электронами наполняющего газа. Однако по сравне-нию с вакуумными фотоэлементами они более инерционны.

Фотоэлементы с запирающим слоем используют в ряде медицинских приборов (например, в пульсотахометрах, оксигемометрах и др.). Фотоэлемент этого типа представляет собой железную или стальную пластинку 1, на которую нанесен слой полупроводника 2. Поверхность полупроводникового слоя покрыта тонкой металлической пленкой 4. Одним из электродов является пластинка, другим - металлическая пленка на полупроводнике 5. Для надежности кон-такта пленка по периметру уплотнена более толстым слоем металла 3. При изготовлении фотодиода запирающий слой формируется или между полупроводником и пластиной, или между полупроводником и пленкой.

При освещении фотодиода кванты света выбивают из полупроводника электроны, которые проходят через запирающий слой и заряжают отрицательно один электрод; сам полупроводник и другой электрод приобретают положительный заряд. Следовательно, фотодиод при его освещении становится генератором электрической энергии, величина которой зависит от интенсивности светового потока. Фототек у фотодиодов можно значительно увеличить, если к электродам фотодиода приложить напряжение от внешнего источника постоянного тока.

Фоторезисторы обладают свойством менять свое активное сопро-тивление под влиянием светового потока. Они имеют высокую чувствительность в широком диапазоне излучения от инфракрасного до рентгеновского. Их чувствительность зависит от величины напряжения измерительной схемы. Фоторезисторы включают в цепь измерительного моста, который питается от источника постоянного тока. Изменение сопротивления фоторезистора под действием света нарушает балансировку моста, что приводит к изменению величины тока, текущего через измерительную диагональ моста.

Фотодиоды менее чувствительны, чем фоторезисторы, но и менее инерционны. Внешний вид датчика с фотоэлементом, используемого для пульсотахометрии.

Индукционные датчики. Этот тип датчиков применяют для измерения скорости линейных и угловых перемещений, например вибрации. Электродвижущая сила в индукционных датчиках возни-кает пропорционально скорости перемещения проводника в магнитном поле перпендикулярно направлению магнитных силовых линий или при перемещении магнитного поля относительно проводника.

Омические датчики. Эти датчики способны изменять свое сопротивление при линейных и угловых перемещениях, а также при деформации и вибрации.

Существуют различные типы омических датчиков. В реостатных и потенииометрических омических датчиках изменение их сопротивления достигается за счет перемещения подвижного контакта, который имеет механическую связь с объектом преоб-разуемого перемещения. Чувствительность этих датчиков сравнительно невелика и составляет 3-5 В/мм. Точность преобразования может быть довольно высокой (до 0,5%) и зависит от стабильности питающего напряжения, точности изготовления сопротивления датчика, его атурной стабильности и других факторов. Эти датчики имеют простую конструкцию, малые габариты и массу, могут быть включены в цепь постоянного и переменного токов. Однако наличие подвижного контакта ограничивает срок службы этих датчиков.

В проволочных омических датчиках (тензодатчиках) подвижный акт отсутствует (рис. 8, Г). Под влиянием внешних сил эти датчики меняют свое сопротивление за счет изменения длины, сечения и удельного сопротивления металлической проволоки. Точность преобразования составляет 1 - 2%. Тензодатчики имеют малые габариты, массу инерциальность и удобны для исследования малых перемещений.

Кроме обычных проволочных датчиков в последние годы нахо-дят широкое применение полупроводниковые датчики (например, гедисторы), у которых тензочувствительность в 100 раз выше, чем у проволочных.

Емкостные датчики. Принцип действия этих датчиков основан на том что преобразуемые физиологические показатели (давление, изменение объема органа) влияют на определенные параметры датчика (диэлектрическую проницаемость, площадь обкладок, расстояние между обкладками) и тем самым изменяют его емкость. Эти датчики имеют высокую чувствительность и малоинерционных Использование дифференциальных емкостных датчиков позволяет повышать их чувствительность и помехоустойчивость. Этот тип датчиков нашел широкое применение в электрофизиологической и диагностической аппаратуре. Они используются, например, в измерителях кровяного давления, плетизмографах, сфигмографах и других приборах, которые предназначены для преобразования неэлектрических величин, отражающих физиологические функции, в пропорциональные электрические величины. Реальная конструкция емкостного датчика приведена на рис. 2, Г и 7, Г, а на рис. 81 показана схема установки для регистрации моторики желудка с помощью емкостного датчика.

Индуктивные датчики. Преобразующее действие этих датчиков основано на свойстве катушки индуктивности изменять свое сопро-тивление. Этого можно достигнуть при введении в нее ферромагнитного сердечника или при изменении величины зазора в магнитном сердечнике, на котором находится катушка.

Для преобразования сравнительно больших перемещений (более 5-10мм) используют индуктивные датчики с подвижным сердечником. Такой тип датчика использован в некоторых конструкциях баллистокардиографов. Для преобразования малых перемещений (менее 5мм) могут использоваться датчики с изменяющимся зазором магнитопровода. Индуктивные датчики могут быть выполнены в виде трансформатора или дифференциального трансформатора с двумя встречными обмотками. В последнем случае выходной сигнал будет более мощным. Индуктивные датчики высокочувствительны. Их инерционность зависит от Динамических свойств подвижных элементов датчика.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Любой тип датчика, преобразующего ту или иную функцию в электрический сигнал, должен быть включен в измерительную цепь. Наиболее широкое распространение получили следующие измерительные схемы: мостовая схема с питанием постоянным или переменным током, дифференциальная схема, а также колебательный контур, в которые включаются измерительные (регистрирующие) приборы. Чувствительность дифференциальных измерительных схем выше, чем мостовых.

Таким образом, электрические приборы, применяемые для измерения неэлектрических величин различных функций, состоят из датчика, измерительной схемы и измерителя, или регистратора. Часто выходной сигнал датчика, имея малую величину, не может быть зарегистрирован измерительной схемой, поэтому в нее вводят усили-тели постоянного или переменного тока.

Преобразование неэлектрических процессов в электрические представляет широкие возможности для их регистрации. Это объясняется не только чисто техническими преимуществами, но и точностью измерения регистрируемых величин, удобством сопоставления данных различных опытов и возможностью их обработки с помощью вычислительных машин. Важно, что этот метод позволяет в одних и тех же временных координатах вести синхронную запись электриче-ских и неэлектрических процессов, сопоставлять их, выявлять существующие между ними причинно-следственные отношения и т. д., т. е. дает новые возможности изучения физиологических процессов.

УСИЛИТЕЛИ

Электрическая активность биологических объектов и электриче-параметры многих датчиков, преобразующих неэлектрические процессы в электрические, характеризуются относительно малыми величинами: сила тока - милли- и микроамперами, напряжение - милли-микровольтами. Поэтому регистрировать их без предварительного усиления чрезвычайно трудно или вообще невозможно. Для усиления электрических сигналов малой величины используют усилители. Они необходимы для многих измерительных схем и конструируются с использованием электронных ламп или полупроводниковых приборов.

Кратко рассмотрим принцип работы триода и усилителя, сконструированного на основе этой лампы. Если в цепь накала триода (А) включить источник питания, то катод нагревается и испускает электроны, т. е. возникает электронная эмиссия катода (Б). При дополнительном включении источника постоянного тока между анодом и катодом электроны, испускаемые разогретым катодом, перемещаются к аноду, что вызывает появление тока определенной силы (В). Силой этого тока можно управлять, прикладывая напряжение к сетке триода. Если к сетке триода прикладывается положительный потенциал, то поток электронов от катода к аноду и ток, проходящий через лампу (анодный ток), увеличиваются (Г), при отрицательном потенциале на сетке поток электронов и ток уменьшаются (Ц).

Чтобы зафиксировать изменения тока, проходящего через триод, и преобразовать его в изменяющееся напряжение, в анодную цепь включают сопротивление R_a (E), величина которого существенно влияет на свойства усилительного каскада. Допустим, что на вход усилителя подается переменное напряжение V_BX, равное 1 В. Оно вызывает изменение анодного тока на 0,001 А; причем сопротивление анодной цепи составляет 10 кОм, тогда перепад напряжений на этом сопротивлении будет равен 10 В. При увеличении одного сопротивления до 100 кОм и прочих равных условиях перепад напряжений составит 100В. Следовательно, в первом случае входное напряжение усиливается в 10, а во втором - в 100 раз, т.е. коэффициент усиления соответственно будет равен 10 и 100.

В тех случаях, когда один усилительный каскад не дает нужного усиления, используют усилители с несколькими каскадами. Связь между каскадами в усилителях переменного тока осуществляется через разделительные конденсаторы C₁ и С₂, с помощью которых переменная составляющая анодного напряжения от предшествующего каскада передается на вход следующего. В усилителях постоянного тока разделительных конденсаторов нет. Коэффициент усиления всего усилителя зависит от коэффициента усиления отдельных каскадов, их количества и определяется произведением коэффициентов усиления всех каскадов усилителя.

Усилители выполняют роль промежуточного звена между объектом исследования (а также электродами, датчиками) и регистратора-ми, т. е. представляют собой канал связи. Они не должны искажать характер исследуемого процесса. Поэтому, прежде чем обращаться к техническим характеристикам усилителя, необходимо знать электри-ческие свойства сигнала (биопотенциала) живого объекта или датчика, а также учитывать внутреннее сопротивление источника сигнала

Достаточно полную характеристику сигнала дает формула, опр деляющая объем сигнала: V = TFH, где V - объем сигнала (биопотенциала), Т - его длительность, F - ширина частотного спектра сигнала Н - превышение амплитуды сигнала над шумом. Канал связи также можно охарактеризовать тремя величинами: Т_к - время, в течение которого канал выполняет свои функции, F_K - полоса частот, которую канал способен пропустить, и Н_к - полоса уровней, зависящая от допустимых пределов нагрузок, т. е. минимальная чувствительность и предельная амплитуда сигнала, подаваемого на вход усилителя Произведение этих величин называют емкостью канала: V_K = Г_к * F_K * Я_к

Передача сигнала по каналу связи (через усилитель) возможна лишь в том случае, когда основные характеристики сигнала не выхо-дят за соответствующие границы характеристик канала связи. Если же параметры сигнала превышают характеристики канала связи, то передача сигнала по этому каналу без потери информации невозможна.

Некоторые влияния усилителя на амплитудно-временные харак-теристики сигнала иллюстрирует рис. 12.

Верхний и нижний потенциалы на каждом рисунке регистриро-вались одновременно от одного электрода с помощью двух одинаковых усилителей, у которых были заданы разные постоянные времени входа. Параметры вызванных потенциалов и характеристики усили-телей представлены в виде таблицы, геометрические эквиваленты этих же потенциалов - на рис. 13.

Несмотря на то, что в каждом кадре регистрировался один и тот же потенциал, амплитудно-временные характеристики полученных записей заметно отличаются друг от друга, что определяется только параметрами усилителей. Усилитель, с помощью которого регистри-ровались нижние записи, имел параметры, превышающие характе-ристики сигнала, поэтому вызванные потенциалы записаны без искажений. Усилитель, с помощью которого регистрировались верх-ние записи, имел разные параметры, но во всех случаях не превышающие характеристики сигнала, поэтому вызванные потенциалы искажены (потеря информации).

Значение внутреннего сопротивления источника сигнала, завися-щего не только от свойств объекта исследования, но и от свойств выходных цепей (например, размеров, формы и сопротивления электродов, коммутирующих проводов и Т. п.), можно показать на следующем примере. Если внутреннее сопротивление источника сигнала больше или равно входному сопротивлению усилителя, то сигнал вообще не будет регистрироваться или его амплитуда будет значительно уменьшена. Поэтому иногда возникает необходимость значительно увеличить входное сопротивление усилителя. В этих случаях используют усилители с катодным повторителем, а в транзисторных схемах - с эмиттерным повторителем, выполненным на полевых транзисторах.

В физиологических лабораториях наиболее часто применяют два типа усилителей: усилители переменного тока и усилители постоян-ного тока.

Усилители переменного тока. Усилители этого типа состоят из нескольких усилительных каскадов, соединенных между собой с помощью разделительных конденсаторов. Такие приборы используют для усиления переменных составляющих сигнала благодаря их способности пропускать частоты от 0,1 Гц до 10-15 кГц. Они, как правило, имеют большой коэффициент усиления и могут усиливать входной сигнал в миллионы раз, что позволяет отчетливо регистри-ровать сигналы с исходной амплитудой в несколько микровольт. Усиление и полоса пропускания частот обычно регулируются. В качестве примеров усилителей отечественного производства можно назвать УБП-1-03, УБФ-4-03. Эти устройства применяют для усиления биопотенциалов мозга и сердца, а также сигналов, генерируемых различными датчиками; по выходным характеристикам они легко согласуются с большинством отечественных регистраторов.

Усилители постоянного тока. Эти усилители не имеют разделительных конденсаторов. Между отдельными каскадами у них существует гальваническая связь, поэтому нижняя граница пропускаемых частот доходит до нуля. Следовательно, данный тип усилителей может усиливать сколь угодно медленные колебания. По сравнению с усилителями переменного тока эти усилители имеют значительно меньший коэффициент усиления. Например, УБП-1-0,2 имеет коэффициент усиления по переменному току 2,5-1 0⁶, а по постоянному - 8 · 10³. jto связано с тем, что у усилителя постоянного тока с увеличением коэффициента усиления уменьшается стабильность работы, появляется дрейф нуля. Поэтому они применяются для усиления сигналов, величина которых превышает 1 мВ (например, мембранный потенциал нейронов, мышечных и нервных волокон и т. п.).

РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ (РЕГИСТРАТОРЫ) ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Регистраторы необходимы для трансформации электрических потенциалов, которые поступают к ним от отводящих электродов или датчиков (чаще после необходимого усиления), в процессы, воспринимаемые нашими органами чувств. Регистраторы могут преобразовывать и отображать исследуемый процесс или функцию в различных формах, например, в отклонении стрелки измерительного прибора, цифровой индикации, отклонении луча на экране осциллографа, графической регистрации на бумаге, фотографической или магнитной ленте, а также в виде световых или звуковых сигналов и пр.

В большинстве типов регистраторов основными элементами являются: преобразователь энергии колебаний электрических потен-циалов в механические (гальванометр, вибратор), инструмент записи (перо с чернилами, струя чернил, пишущий стержень, электронный луч и др.) и механизм развертки процесса во времени (лентопротяж-ный механизм, электронная развертка). Кроме того, современные регистраторы могут содержать ряд вспомогательных блоков и систем, например коммутаторы, усилители, калибраторы усиления и времени, оптические системы для фотографирования и др.

В медицинской регистрирующей аппаратуре наиболее широко используются три вида преобразователей, создаваемых на основе трех различных принципов трансформации энергии колебаний элект-рических потенциалов.

1. Использование силы, действующей на проводник с током или ферромагнетик в магнитном поле. На основе этого принципа конструируют различные системы гальванометров, вибраторов, которые применяются в шлейфных и чернильно-пишущих осциллографах (регистраторах).

2. Использование отклонения потока электронов (электронного луча) в электрическом и электромагнитном поле. Этот принцип реализуют с помощью электронно-лучевых трубок, которые являются основной частью электронных (катодных) осциллографов.

3. Использование свойства ферромагнитных материалов намагничиваться под влиянием магнитного поля и сохранять это состояние. На этом принципе конструируют различные типы магнитофонов и магнитографов.

Гальванометры и вибраторы. Эти приборы имеют одинаковый принцип действия, но отличаются по конструктивному исполнению, в связи с чем значительно разнятся друг от друга по чувствительности, инерционности и способности воспроизводить сигналы различной частоты. Существуют гальванометры и вибраторы магнитоэлектрической и электромагнитной системы.

В гальванометрах (вибраторах) магнитоэлектрической системы преобразование электрических сигналов в механический эффект достигается за счет движения проводника (по которому течет электрический ток) в постоянном магнитном поле. Проводник электрического тока может быть выполнен в виде тонкой струны, петли или многовитковой рамки. Многовитковую рамку используют для конструирования магнитоэлектрических вибраторов.

В гальванометрах (вибраторах) электромагнитной системы магнитное поле, в которое помещается ферромагнетик 8, создается за счет постоянного магнита 1 и специальной обмотки 4. Эта обмотка при прохождении через нее электрического тока создает электромагнитное поле, свойства которого определяются направлением силой тока, проходящего через обмотку. При взаимодействии эти, полей создается вращающий момент, под влиянием которого перемещается ферромагнитный якорь.

Использование различных систем, способных отображать перемещение подвижных элементов гальванометров (вибраторов), позволяет конструировать различные типы регистраторов, например, струнный гальванометр, зеркальный гальванометр, шлейфный осциллограф, регистраторы с непосредственно видимой записью (чернильно-перьёвой, струйной, копировальной, тепловой, печатной и др.).

Струнный гальванометр. В этих приборах направление перемещения струны в сильном магнитном поле определяется на-правлением приложенного к ней тока, а величина перемещения определяется силой тока, проходящего через нее. Колебания струны _с помощью оптической системы можно проецировать на экран, а для записи - на движущуюся фотографическую бумагу или пленку.

Струнные гальванометры сравнительно малоинерционны; их совершенные модели способны воспроизводить сигналы с частотой до 1000 Гц. Их чувствительность зависит от величины магнитного поля и свойств струны (упругости и диаметра). Чем тоньше струна (2-5 мкм) и чем сильнее магнитное поле, тем выше чувствительность струнного гальванометра. Многие струнные гальванометры имеют такую чувстви-тельность, что могут использоваться без усилителей. Раньше их применяли для регистрации электрокардиограммы и мембранных потенциалов клеток.

Зеркальный гальванометр. Если на петле или многовитковой рамке укрепить маленькое легкое зеркальце 6, то при пропускании тока оно будет перемещаться вместе с петлей или рамкой (направление движения на рис. 14 показано стрелкой). На зеркальце с помощью осветителя направляется луч света, а отраженный луч (зайчик) проецируется на полупрозрачный экран, по шкале которого судят о направлении и величине отклонения отраженного луча. При этом зеркальные гальванометры могут использоваться как самостоятельные регистрирующие приборы.

В настоящее время зеркальные гальванометры применяют в качестве выходных устройств в так называемых шлейфных осциллографах.

Для регистрации исследуемого прогресса и наблюдения за ним в шлейфных осциллографах используется особая оптическая система. От лампы осветителя 1 луч света через линзу 2 и диафрагму 3 с помощью зеркала 4 направляется на зеркальце галь-ванометра 5 и линзой 6 делится на два пучка. Один пучок света линзой 7 фокусируется на поверхности движущейся фотобумаги (фотопленки), которая протягивается лентопротяжным механизмом 8. Второй пучок с помощью цилиндрической линзы - призмы 9 направляется на вращающийся многогранный зеркальный барабан 10 и, отражаясь от него, падает на матовый экран 11. За счет вращения зеркального барабана исследуемый процесс развертывается на экране и служит для визуального наблюдения.

Сочетание струнных и зеркальных гальванометров с оптическими системами позволяет производить регистрацию исследуемых процессов с применением фотографического метода или метода ультрафиолетовой записи. Последний позволяет получать видимую запись спустя несколько секунд после экспозиции без проявления.

Регистраторы с непосредственно видимой записью. В регистраторах этого типа преобразователями электрических сигналов являются магнитоэлектрические (рамочные) или электромагнитные вибраторы, на подвижные элементы которых вместо зеркальца укрепляют различные инструменты записи.

Чернильно-перьевые регистраторы. Этот тип устройств широко используют при регистрации физиологических функций. В них перо 5 укреплено на рамке или ферромагнитном якоре 2, которые находятся в поле магнита 1. Перо соединено эластичной трубкой 4 с резервуаром для чернил 3. Исследуемый процесс записывается на бумажной ленте 6. Чернильно-перьевые регистраторы удобны в эксплуатации и вполне пригодны для решения многих задач. Их успешно используют в электроэнцефалографах, электрокардиографах, электрогастрографах и других приборах. Однако чернильно-перьевые регистраторы имеют ряд существенных недостатков. Они инерционны и не позволяют регистрировать электрические колебания с частотой, превышающей 150 Гц. В связи с этим они непригодны, например, для регистрации быстрых процессов, таких как биотоки нервов и нервных клеток и т. п. Кроме того, чернильно-перьевая регистрация (без специальной коррекции) вносит в исследуемый процесс радиальные искажения, обусловленные дугообразным движением пера на бумаге.