Медико-биологическое обоснование

Биотелеметрией называется специальное научно-техническое направление, разрабатывающее вопросы сбора, преобразования, хранения, передачи, приема, обработки и представления информации о биологических объектах, расположенных на расстоянии от регистрирующего устройства [2]. Биотелеметрия как метод медико-биологических исследований позволяет непрерывно в течение длительного времени регистрировать динамику основных физиологических показателей состояния организма биологического объекта (температуры, артериального давления, частоты сердечных сокращений, частоты дыхания и др.). Регистрация физиологических параметров проводится дистанционно, в условиях свободного поведения исследуемого объекта, что позволяет восстановить естественные связи организма с окружающей средой, получить качественно новую информацию о его состоянии.

В медицине под температурой тела понимается физическая величина, характеризующая термодинамическое состояние объекта [3]. Это один из важнейших параметров, тесно связанный с физиологическими процессами, протекающими в организме.

В поверхностных и глубоких участках тела человека температура различна. Внутренние части тела, составляющие примерно 50% его массы называются «ядром» (мозг и внутренние органы). Температура «ядра» относительно стабильна. Вместе с тем в различных участках «ядра» показатели температуры могут различаться на 0,2 – 1,2 °С [4].

Температура поверхностного слоя тела толщиной 2,5 см или более, называемого «оболочкой» тела, характеризуется весьма большими различиями в разных участках и при разной температуре окружающей среды. Температура поверхности (кожи) зависит как от температуры «ядра», развитости волосяного покрова, кровоснабжения кожи, так и от условий окружающей среды – температуры и влажности воздуха, наличия одежды и т. д. Однако, температура «ядра» является более достоверным показателем терморегуляции. В медицинской практике используют как измерения температуры «ядра», так и температуры «оболочки». Так, для оценки температуры «ядра» измеряют температуру в мышцах и отдельных органах, полости рта, подмышечной впадине, паховой области и пупочной ямке, ректальную температуру. Измерение температуры поверхности позволяет определить интенсивность кровоснабжения различных частей тела человека.

На рисунке 1 представлена температурная карта тела человека [4].

Рисунок 1 – Температура различных областей тела человека в условиях холода (А) и тепла (Б)

При комфортной окружающей температуре средняя температура кожи обнаженного человека составляет 33 – 34 °С. В течение суток изменение нормальной температуры тела колеблется в диапазоне 0,3 – 1,5 °С (чаще 1,0 °С) [4]. Эти колебания основаны на биологическом ритме, определяемом собственными «биологическими часами» организма, работа которых синхронизирована в режиме «день-ночь». Зона температурного комфорта человека зависит от характера внешней среды, определяемого ее видом, температурой, влажностью, скоростью движения, наличием предметов с иной температурой по сравнению с температурой тела. Зона комфорта при влажности воздуха около 50 % и равенстве температур воздуха и стен помещения для легко одетого человека, находящегося в положении сидя, соответствует температуре 25 – 26 °С [4].

Температура тела определяется соотношением двух процессов – теплопродукции и теплоотдачи. Когда они не соответствуют друг другу и возникает угроза изменения температуры тела, система терморегуляции адаптивно изменяет параметры теплопродукции (химическая терморегуляция) и теплоотдачи (физическая терморегуляция).

По степени изменения температура тела имеет градацию, представленную в таблице 1 [5].

Таблица 1 – Виды температуры тела по степени изменения

Вид температуры	Диапазон температуры, °С
субнормальная	ниже 36,0
субфебрильная	37,0 … 38,0
фебрильная а) умеренная б) высокая	38,0 … 41,0 а) 38,0 … 39,0 б) 39,0 … 41,0
гиперпиретическая	выше 41,0

Обобщая данные таблицы 1 можно выделить два крайних состояния системы терморегуляции человека: гипертермия и гипотермия.

Гипертермией называется повышение температуры тела выше 37 °С [4]. Она возникает в результате продолжительного воздействия высокой температуры внешней среды, недостаточной теплоотдачи организма или избыточной теплопродукции, а также развития патологических процессов (наиболее яркий пример – вирусные инфекции). Несмотря на то, что в течение коротких промежутков времени человек может выдерживать температуру тела на уровне 43 °С, предельной для его выживания в течение более длительного периода времени является температура 42 °С [4]. Однако уже при температуре 40 – 41 °С развиваются тяжелые поражения мозга (отек тканей мозга, гибель нейронов).

Гипотермия – это снижение температуры тела до 35 °С и ниже [4]. Она может быть результатом продолжительного пребывания организма в среде с низкой температурой. На начальной стадии охлаждения организма процессы терморегуляции значительно активируются, однако, если оно продолжается, температура тела начинает снижаться; при достижении ею 31 °С происходит потеря сознания, а при температуре 24 – 28 °С обычно наступает смерть.

Также температурный диапазон варьирует в зависимости от места измерения. В таблице 2 приведены основные участки тела, где принято измерять температуру, и нормальные температурные показатели в данных областях [6, 7].

Таблица 2 – Температурные показатели в зависимости от места измерения

Способ измерения	Диапазон температуры, °С
ректальный	36,6 … 38,0
в области барабанной перепонки	35,8 … 38,0
в ротовой полости	35,5 … 37,5
в подмышечной области	34,7 … 37,3

Температура тела человека подвержена более или менее правильным суточным колебаниям даже при одних и тех же условиях питания и физической активности (рисунок 2) [8].

Рисунок 2 – Суточные колебания температуры тела человека

Температура тела днем выше, чем ночью, и в течение суток колеблется, снижаясь до минимального уровня в 3 – 4 часа утра (штрихпунктирная линия на рисунке 2) и достигая максимума к 16 – 18 часам вечера (штриховая линия на рисунке 2). Суточный ритм температурной кривой не связан непосредственно со сменой периодов активности и покоя, поскольку он сохраняется и в том случае, если человек постоянно находится в полном покое. Также температура тела колеблется не только в течение суток: она в значительной степени зависит от времени года, при адаптации к холоду, при переходе к новому распорядку жизни, зависит от внешней температуры и от функционального состояния систем организма. Температура повышается после приема пищи, при мышечной работе, нервном напряжении (особенно при психоэмоциональном стрессе), при беременности и во время родов.

Необходимо отметить, что, несмотря на варьирование и непостоянный характер значений температуры тела (в зависимости от целого комплекса факторов), ее измерение и контроль являются ключом к пониманию большинства физиологических процессов, протекающих в организме. Точная и достоверная информация о динамике температурных процессов в организме человека позволит распознавать широкий спектр заболеваний на ранних стадиях, оказывать своевременную медицинскую помощь и совершенствовать механизмы точного прогнозирования при постановке диагноза.

Процесс измерения температуры в медицинских целях имеет определённую специфику [9].

Так диапазон измеряемых температур ограничивается температурами, при которых не разрушаются белковые молекулы: от плюс 5 до плюс 50 °С [9]. Однако, диапазон, имеющий практическую ценность для врачей, значительно уже. Также организм человека старается поддерживать температуру внутренней среды постоянной. В условиях стабильной саморегуляции организма значимые с медицинской точки зрения изменения температуры могут быть небольшими и составлять доли градуса.

В медицине значимой информацией является также зависимость изменения температуры исследуемой области от времени. Скорость изменения температуры в организме человека незначительна, однако при поиске участка с максимальным или минимальным значением температуры инертность измеряющей температуру технической системы будет определять время поиска, которое может превысить скорость изменения температуры отдельного участка тела, а также увеличит инерционность всего процесса измерения. При построении графика изменения температуры инерционность технической системы должна вносить как можно меньше заметных искажений, кроме того, для выявления температурных трендов важно иметь высокое разрешение по температуре [9].

Точность измерения температуры должна соответствовать разбросу температур в диапазонах норм соответствующих медицинских показателей. Применительно к исследованиям человека оптимальная точность: от ±0,05 до ±0,1^оС [9], причем амплитуда колебаний температуры находится в весьма узком диапазоне: от 0 до 0,1 Гц [2]. Для качественного визуального представления измерений температуры, для процедур сравнения, а также для графического отображения изменения температуры важно иметь высокую линейность и разрешение измерительной системы. Разрешение по температуре не должно превышать 0,01^оС.

Медицинская термометрия на основе биотелеметрии осуществляется посредством использования различных типов миниатюрных неинвазивных датчиков: бесконтактных датчиков-клипс, которые крепятся на одежду; бесконтактных оптических датчиков, расположенных на расстоянии от пациента; контактных датчиков, прикрепляемых непосредственно на тело. Основными требованиями, предъявляемыми к датчикам, является полная безопасность для пациента, миниатюрность, отсутствие проводов, высокая помехоустойчивость по отношению к широкому классу помех, высокая чувствительность – что обусловливает основные преимущества данного метода исследования [2].

К биотелеметрическим системам термометрии в целом предъявляется ряд требований, в частности: высокая точность, наличие систем накопления информации и ее передачи в пункт обработки, небольшие габариты и вес, удобство применения для пациента, автономное питание и т. п. Измерения температуры не создают неудобств пациенту, так как он не ощущает процесс измерений, то его психофизиологическое состояние не влияет на результаты исследований.

Таким образом, биотелеметрические методы наблюдения и контроля физиологических параметров пациента являются оптимальным способом получения необходимой диагностической информации. На основании отбора, анализа и обработки биотелеметрической информации о состоянии организма человека активно разрабатываются алгоритмы неотложной медицинской помощи.

Обзор аппаратов-аналогов