生物医学遥测

生物医学遥测是通过一定距离测量生理参数等与生命状态有关参数的一种技术，是生物医学传感技术与通信技术的结合。生物医学遥测可分为无线遥测和有线遥测两大类。
❶无线遥测：其被测量由无线电波、激光、超声等传输给接收器，被测对象与接收终端之间没有导线连接。无线遥测的优点是被测对象可在一定范围内自由活动，与电网隔离良好，可减少电磁干扰及触电危险，可测体内难以接触部位的生理参数，因而应用较多，发展较快。
❷有线遥测：被测对象经过导线或借助于民用电话线等传递信息的通道与接收器连接。有线遥测的优点是远距离传送时不必增加功率，成本较低，可方便地利用电话线路传送信号及指导测量； 但被测对象的活动会受到限制。早期的生物医学遥测系统多系简单的单向工作方式；随着技术的发展已出现智能式和应答式遥测系统，其中智能式遥测系统具有按一定条件进行程控的功能，应答式遥测系统为双向工作方式，兼有对生理参数进行遥测和遥控的功能，因而又称为遥测遥控系统。
生物医学遥测技术出现于二十世纪初。1903年，Eint-hoven（荷兰）用弦线检流计经过电话线记录了一公里外的心电图。1957年，Mackay与Jacobson（美国）制成无线电药丸，由动物吞下后测量体内的生理参数。同年，苏联将生物医学遥测用于空间研究。七十年代后，随着集成电路和低功耗器件的发展，为植入式遥测提供了有利条件，使生物医学遥测进入了一个新时期。
生物医学遥测技术已广泛应用于活动病人监护、临床监护、急救系统、特种人员训练、动物活动监测及基础医学研究等方面，被测参数包括心电、血压、脉搏、颅内压、体温、心率、血流、消化道压力等多种生理指标。
无线遥测 实用的无线生物医学遥测是通过被测信号调制的空间电磁波，将信息传递至一定距离之外予以测量。调制的制式分调频制(FM)、双调频制(FM-FM)和调频调幅制等类型：
❶调频制又称单调频制，是信号直接对载波进行频率调制，其方法简单，多为体内埋藏式发射装置所采用，但抗干扰能力较弱，只适用于近距离遥测；
❷双调频制是先将信号对副载波调频，然后再用已调频的副载波对高频载波调频，其特点是抗干扰能力强，因而采用较多；
❸调频调幅制是先将信号对副载波调频，然后再用已调频的副载波对高频波调幅，其特点是可减窄接收机的通频带，从而提高仪器系统的信噪比，但要求发射机频率稳定度高。
无线遥测的作用距离决定于发射功率、接收灵敏度、天线方向性和环境条件。接收处的电场强度E与发射功率P和传输距离r间的关系为E=KN/r，其中K为比例常数。为增加作用距离，需提高接收灵敏度或增加发射功率。对作用距离的要求因目的不同而异，埋藏式遥测的距离一般为几米至几十米，而临床监护和特种人员生理监测的距离可达几十米至几千米。
为清晰记录信号，一般要求无线遥测系统的信噪比为30dB以上。遥测发射机应小型、耐用。植入式发射机应对机体无毒，密封性好，外形与埋藏部位体形适应。
无线生物医学遥测系统多采用甚高频VHF段及特高频(UHF)段，其优点是此频段内干扰小，电磁波传播无昼夜区别，天线尺寸较小且技术较为成熟，人体对电磁波的吸收少。国际上对医用遥测频率尚无统一规定，采用较多的有8m和0.6m波段。如欧洲医用遥测产品已采用36～38MHz，美国、日本和联邦德国都采用150MHz附近的频率，美国频率管理委员会(FCC)近年专门开辟了救急医用及遥测频率： 462.950～463.175MHz和467.950～468MHz。国内民用超短波无线电话机的使用频率共分为五段： (A) 27～38MHz;(B)40～48.5MHz;(C) 72.55～74.5MHz,80.95～82.5MHz,83～84.55MHz;(D) 150～167MHz; (E) 410～420MHz,450～470MHz。分为67组共368个频率点。由于遥控遥测装置与民用小功率电台有许多相似特点，可按国家有关规定使用这些频率。但由于医用遥测涉及人民生命安全，故医用遥测频率应受到保护，随着医疗事业的发展，国家应划定若干医用频带。发射机频率稳定度涉及电台之间的干扰问题，国家无线电管理委员会对各类电台都有明确规定。医用遥测发射机的功率一般都很小，对稳定度要求不太高，一般在10-5～10-6。对功率特别小的近距离装置的频率稳定度可不作要求。植入遥测用的频率不宜太高，因为生物组织对电磁场的吸收程度随频率升高而加大。
无线遥测系统 其主要组成部分有传感器、放大器、发射机、发射天线、接收天线、接收机、记录器及其它终端设备等，如图1所示。

图1 无线遥测系统的一般组成

(1) 多通道遥测装置： 多通道装置能利用一部发射机同时测量多种参数，常见的为2～4通道，也有的多达15通道。多通道遥测系统按工作原理分为频分制和时分制两大类。
❶频分制系统：按频率划分通道，每个通道占据一个副载频，选择副载频时除使各通道的频谱互不重迭外，还应使它们之间的谐波干扰最小。各通道信号经相加器迭加后对载波进行调制（第二次调制），再从天线辐射出去。接收端先经第一次解调恢复已调制的多通道信号，一般情况下，通道不多时，采用频分制比较有利；
❷时分制系统：按时间划分通道，在发送端用时分开关对多路信号进行采样。为了使接收端能够识别通道的序号，在发送端需加入同步脉冲。时分制的调制方式有脉幅调制(PAM)、脉宽调制(PWM)、脉位调制(PPM)和脉码调制(PCM)。时分制系统主要用脉冲数字集成电路实现，一般情况下，通过数目较多时，为实现小型化采用时分制比较有利。其中，脉码调制系统的抗干扰能力最强，脉宽调制系统在配合使用磁带记录时，可以减少磁带速度抖动引起的噪声。
(2) 天线： 天线的作用是辐射或接收无线电波，在无线遥测系统中占有重要地位，能显著扩大作用距离。在微型发射机中，特别是植入式装置中没有安装线状天线的空间，多采用磁偶极子天线，有时就利用射频振荡线圈作天线，周围电磁场有两个分量其中衰减较慢的远场与距离一次方成反比 当距离等于1/6波长时，近场与远场的强度相近。由于工作距离往往远大于波长，故实际应用中多利用远场分量。仅当植入式系统等发射功率十分微弱的条件下才利用近场分量。若需扩大作用距离，最好采用与波长尺寸相当的天线，如1/4波长天线，其辐射效率较高。在不允许使用垂直天线时可采用拖尾天线，腰带天线或装在头盔顶上的折迭式振子天线。接收天线则相对不受空间限制，普通采用<1/4波长的鞭状天线。为了提高接收天线的增益和方向性，也常采用带引向器和反射器的振子天线，又称八木天线。
(3) 电源： 对于体外遥测系统，由于更换电池容易，电池尺寸和工作寿命都不成问题，在电路设计上也不必过分追求降低功耗，故氧化银电池、锌汞电池以及普通的锌锰电池都可用作能源。植入式遥测装置的工作寿命受电源限制，在许多情况下，整个系统的设计首先取决于发射机电源的选择。植入系统要求工作时间长，必须采用低功耗电路和高能量密度电池或体外供电方式。体外供电的方法是体外交变磁场通过体内埋设的谐振回路和二极管转变为直流电，用其对埋藏于体内的全密封式蓄电池充电。或者，发射机与电源整流共用一个谐振回路，当外界磁场消失后，遥测又继续进行。这种供电方法使生物体组织不可避免地吸收较多的高频能量，超过人体的安全剂量，故只允许间断地或短期使用，或用于某些动物实验。
(4)建筑物内的遥测系统： 钢筋混凝土结构的建筑物对电磁波有很大的衰减作用。例如一个作用距离为数千米的遥测系统，在建筑物群附近由于电磁波的反射和吸收，其有效距离仅几百米，在建筑物内使用时只有几十米。在一条100米长的走廊里，虽然两端能够直视，但无法进行可靠的遥测。故在大型建筑物内需采取措施。医院里可在病房、走廊、厕所及楼梯的天花板下悬挂若干宽带接收天线，用电缆将接收到的信号汇合到接收机输入端，这样，在全部天线覆盖区域内就能进行可靠的遥测。电话遥测 利用市内电话的医用遥测，主要用于使用起搏器患者的定期随访。患者定期用遥测装置将心电图传给医疗信息中心，该中心分析了心电图后即可决定患者何时必须到医院调整、治疗或更换起搏器。心电的电话遥测系统如图2所示。该系统的发射机可做成袖珍式，电池供电，患者携带并自行操作。在使用时，先把电极贴在自己的胸前几个特定部位，接通电话，然后把听筒放在遥测装置上，已调制的声频信号通过声耦合器就传给了话筒，这时医疗信息中心便可记录下患者的心电图。为了使患者操作方便，一般只包括两个导联的心电图。最后，患者还可通过电话听取医院的建议。这种遥测系统能给医院的管理工作和患者带来方便。

图2 心电遥测系统

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生物医学遥测

航天生物医学遥测技术是生物医学电子学的一个分支。它利用“远动技术”将航天员的生理信息变换、处理传送到地面。由于目前多采用无线电波作为传递媒介，故也称此项技术为“无线电生物医学遥测技术”。藉助于此种技术，地面的航天医学工作人员可对正在太空中航行的航天员的生理变化进行实时观察和分析。生物医学遥测系统的组成如图1所示：

图1 生物医学无线电遥测系统

航天员的生物医学信号可分为“电量的”和“非电量的”两类。前者如心电、脑电、肌电、眼震和其它细胞生命活动所产生的生物电信号等； 后者如呼吸频率、体温、动脉血压、脉搏、心音、心输出量、血流速度等，须由相应的传感器先转换成电信号。生物医学信号一般都极其微弱，易受人体活动和外界干扰，因此均要求选用高增益、高输入阻抗、低漂移、抗干扰性能良好的前置放大器与遥测通道匹配。与人体接触的电极、传感器应具有使用方便、小型化、长期使用不刺激皮肤、不损伤身体、耗电量少、抗干扰性能强等特点。
多路调制器 航天飞行器中待传输的信息很多，又只能用一条无线电通路传输到地面，因此必须经过一个多路调制器将大量的信息经综合后送往无线传输系统。按工作原理，可将多路调制器分为“频率分割制”和“时间分割制”两类。
(1) 频率分割制多路调制器(FDM): 有几个信息源，对应地即有几个不同频率的副载频振荡器。依照调制方式不同，又可分为： “调幅制”，改变振荡器幅度；“调频制”，改变频率；“调相制”，改变相位。已调制的几个副载频经相加器输出一个综合波去调制高频发射机，再经无线电波传送到地面站。
(2) 时间分割制多路调制器(TDM):它是按一定的时间顺序依次传输各路信号，也就是对每路轮番进行采样。根据采样定律，信号不失真的采样速率至少应等于信号最高频率的两倍，但通常取3～5倍。由于采样时间可以很短，因此在一路信号的两个采样点之间传送其他路的采样信号。这样就可能用一条无线传输线路传送几十、几百、甚至更多路的信号。这么多的信号周而复始传送到接收站，要想正确无误地进行区分，必须加入一个不同于信号的标记，即同步信号。要求同步信号与传送的信号有最少的相关性和高的抗干扰能力。
时间分割制多路调制器的种类甚多，按调制方式不同，可分为“脉冲调幅”(PAM)、“脉冲调相”(PPM)、“脉冲调宽”(PDM)、“脉冲编码”(PCM) 等。而每种方式中又有“一次调制”、“二次调制”和“多重调制”之分。其中，脉冲编码制由于它具有检错纠错码的能力、强的抗干扰性、高准确度以及数据可以直接进入计算机处理等优点，因而在航天遥测中已被广泛采用。
无线电波传输 将航天器中待测的信号传送到地面接收站。无线电传输线路包括航天器上的无线电发射机、发射天线，以及地面站的接收天线和接收机。可分为“短波遥测”、“超短波（或微波）遥测”和“贮存/回放遥测”。短波传输借助于电离层的反射作用，理论上可以实现全球传送，航天器飞离地面站上空也能收到信号。但这类传输容量低，只允许传送航天员的少量信号。超短波 （或微波）传送，因频率高而容量大，航天器上大部分信号可以藉此传送。但因超短波只能在视线距离内传输，所以只有星下点遥测站能收到信号；要想全球都能收到信号，必须设立很多接收站，然后通过地面通讯网 （或通讯卫星）再将各站收到的信号传到医务监督分析控制中心。贮存/回放遥测：航天器飞离测量站上空，除藉助短波能收到少量信号外，大部分收不到，此时可用磁带机记录下全部信号，待航天器航行到测量站作用范围内时，测量站发出指令，将磁带机记录的信号高速回放，用大容量的短波传输设备传送到接收站。上述几种方式各有长短，通常是综合利用，互为补充。
随着航天技术的发展，近来又出现“二次遥测” (或称“中转遥测”)。在航天员出舱作业或登月时，医务监督所需生理信息不允许中断。为了便于航天员在舱外自由作业，也不能用有线方式把生理信号传到航天器内。航天员随身带的能源有限，亦不能将信号直接传送到地面站，而只能由航天员携带一个微功耗的小型遥测系统，将航天员的生理信号首先传送到航天器中，经后者的大型遥测系统再中转到地面站，以对航天员进行实时医务监督和生物医学观察。
目前无线传输信息多用无线电波作为媒介，但以光为媒介的遥测系统不久将进入实用阶段。红外线传输系统利用红外光线作传输媒介，优点是信息量大，不易被发现和截获，几乎不受雷电、电器等干扰。激光传输系统容量巨大、保密性强、方向性好、不易被干扰、设备结构简单。紫外线、γ射线传输系统都是以波的形式传输信息，只是波长不同，也同样具有激光传输系统的优点。
多路解调器 是完成接收机送来的多路信号的分离设备，即多路调制的反变换，也有“频率分割制”和“时间分割制”之区别。
(1) 频率分割制多路解调器： 是利用中心频率不同的滤波器将各路副载波区分开，而后对每路副载波进行解调得到相应的初始信号。分离副载波的滤波器有，“机械滤波器”、RC滤波器、LC滤波器、有源滤波器、数字滤波器等。随着数字技术的发展，调频信号的数字滤波解调器的应用越来越广泛。
(2) 时间分割制多路解调器： 它是解调时间分割制多路遥测信号的设备，也即时间分割多路调制的反变换器。其中，同步器被视作时间分割制解调器的“心脏”，一旦失灵，全部信号就无法解调出来，因此要求同步器具有高的抗干扰能力和可靠性。由于数字技术的发展，测量路数的增加，调制器类型越来越多，与之对应的解调器的种类也越来越多，但解调器必须与调制器一致起来。
近来出现一种能灵活运用的遥测系统，称 “可编程序(或“可变程序”) 遥测”。这种系统是数字控制与计算技术相结合的产物，结合的基础是大规模、微功耗集成电路的发展，使得小型化、低耗电、重量轻的计算机进入遥测系统，实现对整个系统的控制。当要改变原测量程序时，如在特殊情况下只测量一种或某几种生理信号，或对某几种信号的采样速率、测量精度要求改变时，即可发出指令，改变航天器和地面站的可编程序系统。实际上，它就是一种变带宽、变容量、变测量点，适应能力很强的多用途遥测设备。
数据处理 随着航天技术的迅速发展，测量数据剧增，医务监督人员要实时判别航天员的健康状况，必须使用快速数据处理系统，其核心就是计算技术，一次航天飞行的测量数据如果用人工进行处理，则要耗费大量人力和时间，而用数据处理机（或专用计算机）会很快得到结果。这对航天员进行实时医务监督有重要意义。
航天事业的发展，需要传输的遥测数据量增大，特别是深空遥测更为突出，因此航天器上增设了预处理机，将原始数据进行预先加工、压缩，提出有用成分，或将最后结果送回地面站，以减轻遥测通道的拥挤。

图2 终端

终端 生物医学遥测的终端也称 “医务监督台”，是将测量的生理信号直接提供给对航天员实施医务监督的人员的设备。它由若干显示仪、小型专用数据处理机以及记录仪组成，如图2所示。专用数据处理机，将遥测来的主要生理数据迅速进行简单处理，及时送出结果给显示仪，虽然精度不够高，数据量不够大，但很及时。显示仪用来显示：遥测来的原始信号，航天器上预处理机处理过的模拟数据和数字数据，专用数据处理机输送来的结果，以及计算中心（数据处理中心）来的经过处理的模拟信号和数字信号等。这些信息一并在显示仪上被集中显示，供有关人员监护航天员身体状况用。记录仪有“数字记录”和“模拟量记录”两种，它将显示仪上所见的全部数据记录下来以便研究人员进一步研究、分析用。
从广义上看，航天中的电视、通话也是测量航天员健康状况的一种手段，它与生理参数遥测互为补充。每个人的语声都有自己的音响结构、音调、音色、频谱等，因此含有大量生理信息，一旦遥测失灵，通过对航天员的语音分析，对医务监督工作也有很大帮助。医务监督用的电视主要用来观察航天员的面部表情。很多情况下，可通过电视观察其面部表情快速判定航天员身体状况。因此，航天中的医务监督电视也可看作快速、定性的生理信息遥测仪。
遥测设备今后发展方向是，大容量、低功耗、长寿命、重量轻、超小型固体化等。性能上，采用高速计算机、高级软件和“智能”化；系统上，逐步实现跟踪、测距、遥测和通讯综合利用。地面站种类也不断增加，像“大型固定站”、“小型活动站”、“遥测船”、“遥测飞机”、“通讯卫星中转站”等。