Извлечение информации из физиологических данных, полученных за длительные промежутки времени (Дж. Уэбб)

Ученым, изучающим физиологию животных и человека, необходима аппаратура для получения данных и уменьшения избыточности содержащейся в них информации. Сотрудничество с этими учеными и определило мой интерес к этой конференции. Нас интересует, в частности, сердечная деятельность у человека, находящегося в различных условиях, а также поведение животных, подвижность которых полностью ограничена, и животных, находящихся в клетке.

На конференции речь шла в основном об аппаратуре для телеизмерений, причем выяснилось, что найденные технические решения еще далеки от идеала; но мне кажется, что мы не должны упускать из вида и другую важную задачу - задачу обработки полученных данных, т. е. извлечения из них информации, если, конечно, она в них содержится. Я думаю, что мы должны относиться с вниманием ко всем трем этапам исследования - постановке задачи, методам ее решения и обработке порученных данных.

Мне кажется, что следует воспользоваться успешным опытом работы д-ра Холтера. Метод его очень прост. Для получения данных применяется самописец с очень малой скоростью протяжки бумаги, после чего полученные данные просматриваются при большой скорости протяжки. Д-р Холтер потратил ряд лет на изучение ЭКГ человека при различных условиях. Он пробовал помещать самописцы в портфелях и использовал радиопередатчики. Если провести измерения на одном человеке в течение дня, особенно в городе, то можно получить ЭКГ при самых разнообразных ситуациях.

В данном случае мы имеем разомкнутую цепь, так как к человеку не должны поступать сигналы обратной связи. Опыт проводится лишь с целью узнать, что произошло с человеком в течение дня, для чего записывается ЭКГ и на следующий день просматривается запись. В этом случае все в полном порядке. Но в некоторых других случаях, когда во время опыта должна функционировать обратная связь, этот метод неприменим.

Размеры современных самописцев, используемых для записи под диктовку и в искусственных спутниках Земли, уже достаточно малы для крепления их, скажем, на морских черепахах. Самописца, который можно было бы прикрепить к голубю, я пока не видел, но думаю, что со временем и это станет осуществимым.

Я попытаюсь сформулировать несколько крайне простых положений. Излагаемые далее способы регистрации данных не являются единственно возможными. Они не универсальны, но в некоторых определенных ситуациях вполне применимы. Может показаться, что они довольно тривиальны и что некоторые мои примеры просто очевидны. Но я думаю, что общие идеи, которые я попытаюсь изложить, далеко не тривиальны.

Основные положения, касающиеся сбора информации

Первое положение состоит в следующем: если информация не нужна в тот момент, когда она получается, то следует тщательно рассмотреть вопрос о целесообразности размещения записывающих приборов и (или) приборов, уменьшающих избыточность информации, на человеке или животном.

Второе положение: в зависимости от того, какую информацию предполагается извлечь из получаемых данных, следует по возможности уменьшить избыточность информации непосредственно на месте измерения. Например, если требуется определить частоту сердечных сокращений, то нет никакой необходимости передавать для этого ЭКГ - нужно передавать лишь частоту сокращений. При этом значительно уменьшится полоса пропускания и устраняются многие трудности. Конечно, на голубе или даже на черепахе нельзя установить вычислительную машину 7090, но какую-то часть операций, требуемых для уменьшения избыточности, можно произвести на месте измерения.

Для иллюстрации моей общей идеи - представления повторяющегося сигнала в некоторой стандартной форме - я привожу ряд фотографий (фиг. 1-6). На фиг. 1 изображены синусоидальные колебания, частота которых почти постоянна. В этом случае осциллоскоп используется просто для просмотра сигнала (т. е. играет незначительную роль) и вычисление автокорреляционной функции производится с помощью самой доступной вычислительной машины, т. е. просто в уме.

Фиг. 1. Просмотр синусоидальных колебаний на осциллоскопе

Фиг. 2. Те же колебания, что на фиг. 1, но с небольшим изменением в частоте

Фиг. 3. Использование модуляции яркости

Фиг. 4. Другой пример использования модуляции яркости (см. текст)

Фиг. 5. Колебания при большом периоде развертки (см. текст)

Фиг. 6. Два почти синхронных сигнала (см. текст)

На фиг. 2 мы видим те же колебания с очень небольшим сдвигом по частоте. Если бы вы захотели найти новую частоту на длинном отрезке осциллограммы, то, вероятно, не нашли бы даже изменения интервалов между последующими пиками и не смогли бы определить, где изменилась частота, тогда как из фиг. 2 совершенно ясно, в какой точке произошло изменение частоты, хотя оно и очень мало.

Фиг. 3 иллюстрирует другую возможность, которую нам дает осциллоскоп, - легко осуществимую модуляцию яркости луча. Для этого используется генератор, имеющий синусоидальные и прямоугольные выходные сигналы. Прямоугольный сигнал дифференцируется и применяется для модуляции яркости. На фото заметно, что синусоидальные и прямоугольные колебания синхронизированы и между ними имеется определенный фазовый сдвиг.

На фиг. 4 показан другой пример определения изменений в частоте. Как и ранее, синусоидальные колебания синхронизированы с частотой модуляции яркости.

На фиг. 5 частота развертки значительно меньше. Используется вертикальное отклонение синусоидального сигнала и модуляция яркости от генератора импульсов. Заметно, что импульсы не точно синхронизированы с синусоидой.

На фиг. 6 показаны почти синхронные сигналы. Можно, однако, заметить ряд мест, где имеются возмущения. Нетрудно быстро определить те места, где появляются отклонения фазы сигналов, и восстановить синхронизацию путем изменения частоты генерации генератора импульсов.

Интерпретация биологических сигналов

В качестве примера сигналов, с которыми нам приходится сталкиваться при физиологических исследованиях, рассмотрим ЭКГ. На фиг. 7 показан R-R-интервал ЭКГ. По горизонтальной оси отложено время. Начало отклонения луча по вертикали запускается зубцом R, и высота столбика тем больше, чем больше интервал R-R. Одновременно при помощи электронного коммутатора осуществляется и горизонтальная развертка, так что очередной интервал R-R представляется новым вертикальным столбиком, расположенным рядом с предыдущим. В этом случае измеряется только продолжительность кардиоцикла. Следующий шаг должен состоять в измерении амплитуд зубцов ЭКГ (возможно, посредством модуляции яркости луча) и интервалов Р - QRST - Р. В противоположность этому на фиг. 8 каждая развертка запускается зубцом R на определенное время. Остальная часть интервала теряется.

Фиг. 7. Регистрация длительности интервала R-R

Фиг. 8. Использование изменения плотности записи при просмотре ЭКГ

Конечно, при таком способе просмотра опускаются некоторые подробности, но ведь мы рассматриваем здесь способы, позволяющие определить изменения ЭКГ на длительных отрезках времени. Из фиг. 8 видно, что период ЭКГ почти постоянен и лишь слегка варьирует из-за дыхания. Эти вариации легко выявить при синхронизации развертки с дыханием.

На фиг. 9 показаны три вида изменений ЭКГ. В нижних ЭКГ произошло скачкообразное изменение частоты. Средние ЭКГ показывают постепенное уменьшение частоты. Третий вид изменений - артефакт, связанный с движениями испытуемого.

Фиг. 9. Три вида изменений ЭКГ

Фиг. 10 показывает, что даже при относительно тесном расположении зубцов можно легко выявить даже одиночные смещения книзу интервала S-Т. Эти ЭКГ записаны во время физической нагрузки; заметны некоторые артефакты.

Фиг. 10. ЭКГ, полученные при физической нагрузке. Видно смещение интервала S-T в одном кардиоцикле

На фиг. 11 показан другой способ регистрации сердечных функций, называемый спектрофонокардиографией, над которым мы работали в течение нескольких лет. По горизонтальной оси отложено время (но здесь оно возрастает справа налево), по вертикальной - частота. Степень потемнения служит качественной мерой энергии тонов сердца в данный момент времени и при данной частоте. В нижней части фиг. 11 показана в другом масштабе осциллограмма того же сигнала. Этот метод позволяет выявить многие подробности, которые проходят незамеченными на обычных фонокардиограммах.

Фиг. 11. Спектрофонокардиограмма

В заключение я хотел бы еще раз перечислить основные положения:

1. При разработке телеметрической системы следует рассматривать весь эксперимент в целом, включая также конечное назначение полученных данных.

2. Нужно передавать только ту информацию, которая используется при дальнейшем изучении данных.

3. Там, где это возможно, следует применять запись данных у их источника.

4. Вместо длинных осциллограмм нужно записывать лишь информацию, характеризующую изучаемые соотношения.

5. Следует помнить о возможности использования модуляции яркости луча при просмотре данных на осциллоскопе.

Обсуждение доклада

Таволга. Я рискую повторить уже сказанное, но мне хочется еще раз подчеркнуть, что при большом количестве данных методы, описанные в этом докладе, могут оказать большую помощь. Мы применяем подобные методы при работе с ЭКГ, но не смещаем записи одну относительно другой, а накладываем их друг на друга. Если использовать обычные методы, то для надежного определения 16 экстрасистол на 12-часовой ЭКГ требуется 2 час. Используя указанные в докладе способы, мы получаем тот же результат за 6 сек. Я рекомендую эти способы всем, кто имеет дело с длинными осциллограммами.

Шмитт. Я вполне согласен с содержанием доклада д-ра Уэбба и хочу добавить кое-что об одном источнике наших ошибок. Часто получается так, что чем сложнее аппаратура, тем больше ошибок. Я считаю, что мы должны быть настойчивее и добиваться, чтобы аппаратура согласовывалась с экспериментом, а не наоборот.

Позвольте мне привести ряд примеров, подтверждающих мнение м-ра Уэбба. В последнее время мы также занимались электрокардиографией. Как известно, наибольшее влияние на ЭКГ оказывает дыхание. Я делал то же, что и вы, но синхронизировал не просмотр, а эксперимент с измеряемыми данными. Я просто считал R-интервалы, включая и выключая на три счета свет перед человеком, и просил его дышать в соответствии с ритмом подачи светового сигнала. После синхронизации кардиограммы с дыханием исчезают все искажения, и вы просматриваете неподвижную картину ЭКГ, сдвигая и раздвигая пики. Таким образом, при синхронизации дыхания и частоты сердечных сокращений исключаются вариации ЭКГ, связанные с дыханием.

В связи с мыслью, высказанной м-ром Уэббом о том, что нужно записывать только необходимые данные, я хотел бы указать на существование такого прибора, как записывающий вольтметр. Ценность его состоит в том, что в отличие от обычных приборов он не записывает при постоянном значении параметра. Обычно при записи температуры трудно определить точки ее изменения. Если же записывать только изменения температуры, то объем полученных данных значительно снижается.

Я считаю, что нужно использовать математические модели изучаемых процессов и подстраивать к ним аппаратуру. Это намного легче, чем расшифровка большого количества данных. Наверно, многие из нас используют вычислительную машину 7090 там, где можно обойтись полдюжиной реле или получасовым анализом. Мне кажется, что мы преувеличиваем роль аппаратуры и уменьшаем роль построения эксперимента.

Бах. Я думаю, что идея сбора лишь тех данных, которые требуются экспериментаторам, очень важна, но не так проста, как кажется. Для этого экспериментатор должен знать, какие данные ему нужны. Если же он получает данные, с которыми ранее не был знаком, то он не может отобрать ту часть, которую нельзя выпустить без потери информации. Следовательно, эта идея хороша для сбора определенного, уже известного, вида данных.

Шмитт. В качестве возражения я хотел бы сделать одно замечание, как мне кажется, существенное. Я полагаю, что вы заблуждаетесь, думая, что знаете требующуюся информацию. Люди записывают данные каждые 3 час, каждые 6 час или каждый час и удивляются, если это отражается на результатах анализа. Если же записывать лишь изменения параметра и лишь тогда, когда они происходят, то тем самым будет автоматически исключено всякое предварительное деление периодов сбора информации на существенные и малосущественные.

Смит. В своей работе мы применяли для просмотра данных кардиотахометр. Однако очень редко, лишь в периоды большой физической нагрузки, я наблюдал такую постоянную частоту сердечных сокращений, как на ваших осциллограммах. Возможно, что ваши испытуемые были очень старыми. Это тоже имеет значение.

Уэбб. Я принес специально отобранный диапозитив, так как знал, что д-р Шмитт должен прийти сюда и выступить по вопросу о связи изменения ЭКГ с дыханием. Конечно, эти осциллограммы не относятся к нормальному случаю записи ЭКГ.