Аппаратура для хранения физиологических данных и уменьшения избыточности содержащейся в них информации (П. Смит)

Как и д-р Джеддес, мы используем непосредственную передачу физиологических данных по проводам. Я хотел бы в основном остановиться на обработке полученных данных и их преобразовании.

В течение ряда лет мы проводили физиологические измерения у людей, совершающих различную физическую работу: езда на велосипеде, подъем на определенную высоту, вращение ручного колеса, работа с рычагами и т. д.

12-14 лет назад мы начали применять аппаратуру для непрерывной записи данных. Семь лет назад мы обнаружили, что обработка данных, полученных в течение 1 час, занимает у нас 2-2,5 дня. Это, как известно, старая история.

Тогда мы решили, что можно было бы использовать цифровые вычислительные машины. Однако при испытаниях людей на силовых платформах мы получали сравнительно высокочастотные данные и оказалось, что для перевода в дискретную форму записей такого типа, выполненных за 1 мин, требовалось 1-2 час ручных вычислений. Эта работа аналогична расшифровке ЭЭГ.

В то время, когда мы обсуждали методы обработки данных, не существовало эффективных преобразователей высокочастотных данных из аналоговой формы в цифровую. Поэтому мы остановились на аналоговой системе регистрации. На фиг. 1 схематически изображена система, применявшаяся нами для измерения основного обмена. Данные записываются на магнитной ленте. При обработке данных используется аналоговое вычислительное устройство, которое определяет суммарное потребление кислорода за 1 мин. Величину этого периода можно изменять.

Фиг. 1. Система для измерения основного обмена

Мы используем разомкнутую систему измерения основного обмена. В маске, надетой налицо испытуемого, имеются две системы клапанов. Через одни клапаны вдыхается комнатный воздух, через другие выдыхаемый воздух проходит к пневмотахометру, в котором находится экран с отверстиями (400 меш). Падение давления на экране определяется датчиками фирмы Statham, усиливается и записывается на магнитной ленте. За пневмотахометром находится смеситель, объем которого достаточно велик для хорошего перемешивания выдыхаемых газов. Это один из неудачных элементов в системе, так как на пути от человека к газоанализатору газ задерживается, и при очень хорошей точности в статике мы получаем значительно меньшую точность в динамике, поскольку не учитываем эту задержку. Но для наших целей это несущественно, так как мы стремимся определить средний уровень обмена как меру выполненной человеком физической работы.

Для проверки точности работы системы часть газа собирается в приборе Тиссота (справа вверху). Мы вернемся к нему позже.

Измеренный состав газа записывается на магнитной ленте. В уравнении, приведенном на фиг. 1, Z означает напряжение, соответствующее общему потоку газов, X - напряжение, соответствующее концентрации кислорода, а Y - напряжение, соответствующее концентрации углекислого газа. Постоянные в скобках играют следующую роль: 1)они линеаризируют уравнение Листона - Беккера при концентрации СO₂ в пределах 2-5%, 2) с их помощью учитывается чувствительность анализатора Бекмана к водяным парам (т. е. они как бы "высушивают" выдыхаемый газ).

K₁ учитывается при определении масштаба выходной величины. Для градуировки прибора мы пропускаем через него стандартный поток стандартной смеси газов, что дает некоторое стандартное значение выходной величины, с которым и сравниваются показания прибора в опыте.

Если мы заменим приборы, расположенные в верхней части фиг. 1, телеметрическим приемником, то наша система обеспечит накопление любых телеметрических данных в аналоговой форме. На магнитной ленте могут быть записаны при экономичных скоростях записи частотно-модулированные сигналы с огибающей от 0 до 100 гц. Мы проводили запись со скоростью 1,875 см/сек. Для 10-часовой записи требовалась катушка диаметром 25 см.

После записи данных на магнитной ленте их можно воспроизводить при значительно больших скоростях протяжки. Наша аппаратура допускала 20-кратное превышение скорости записи. При соответствующем программировании мы могли обработать за полчаса запись, соответствующую 10 час работы.

Наиболее удобно выполнять вычисления непосредственно при записи. Обычно мы проводим вычисления одновременно с экспериментом.

На фиг. 2 показано записывающее устройство. Справа видны 8 модулированных по частоте входов, в центре - 4 блока дискриминаторов с компенсаторами. Лента шириной 2,5 см имеет 8 каналов записи данных, канал для записи голоса и канал записи для учета поправок на волнение или что-либо необычное в поведении человека. В левой части фиг. 2 - установка для операционных усилителей фирмы "Филбрик". В то время, когда был сделан этот снимок, мы пользовались обычными блоками фирмы "Филбрик" и подключали их так, как показано на снимке; в последнее время мы подключаем специальные блоки к входу и выходу каждого усилителя, что позволяет нам решать различные задачи.

Фиг. 2. Записывающее устройство, операционные усилители и автоматический потенциометр считывающего устройства

Запись производилась на автоматическом потенциометре (виден слева). Пилообразная кривая (фиг. 3) характеризует процент использования кислорода от вдоха к вдоху (через каждую минуту интегратор возвращается в исходное положение). Если ее просматривать справа налево, то она соответствует окончанию периода работы, за которым следует несколько минут отдыха.

Фиг. 3. Запись, характеризующая потребление кислорода

Фиг. 4-6 характеризуют работу системы. На фиг. 4 показаны записи ступенчатых функций на входе и выходе системы. Заметны небольшие искажения сигнала шумами, поступающими на вход записывающей системы, и запаздывание, обусловленное разнесением записывающей и считывающей головок. Эти недостатки можно уменьшить, применяя более высокую скорость записи.

Фиг. 4. Записи ступенчатых функций на входе и выходе системы

Фиг. 5. Сравнение данных, полученных с помощью вычислительного устройства (I), и результатов ручных вычислений (II). А - человек сидит; Б - стоит; В - выполняет физическую работу; Г - сидит

Фиг. 6. Сравнение данных о потреблении кислорода (л/мин), полученных с помощью вычислительного устройства (ось ординат), и результатов проб воздуха в приборе Тиссота (ось абсцисс). I - точки, соответствующие состоянию покоя (N = 48, тангенс угла наклона равен 0,982 ± 0,046); II - точки, соответствующие физической нагрузке (N = 39, тангенс угла наклона равен 1,002 ± 0,035). Средний пунктир - кривая коррекции прибора, измеряющего потребление кислорода; боковые пунктиры - 5%-ные отклонения от нее

На фиг. 5 приводятся кривые, позволяющие сравнить результаты ручных вычислений и данные, полученные с помощью аналогового вычислительного устройства. Количество выдыхаемого воздуха, записанное на пневмотахографе, интегрировалось при помощи планиметра, и обычным способом вычислялось потребление кислорода, причем в состав газовой смеси вносилась поправка на задержку в смесителе. Из кривых ясно видно влияние задержки на данные, полученные с помощью аналогового вычислительного устройства.

На фиг. 6 показаны результаты проверки данных вычислительного устройства по пробам, собранным в приборе Тиссота. Время сбора проб варьировало от 10 мин для человека в состоянии покоя до 2 мин для человека, выполняющего физическую работу. Расход кислорода, определявшийся обычным способом, сопоставляется на графике с данными, полученными одновременно при помощи вычислительного устройства. Некоторое отклонение полученных точек от биссектрисы прямого угла объясняются нелинейностью использованного нами пневмотахометра с экраном. Разумно предположить, что половина ошибок получена при измерении на приборе Тиссота. Тогда ошибка самого вычислительного устройства не превышает 3,6%. Это значительно лучше, чем можно было ожидать от подобной системы.