§ 5. Визуальный контроль и хранение сигналов: регистрирующие устройства

Начиная с работ Марея преимущества графического метода регистрации данных стали достаточно очевидными для биологической науки, и поэтому нет необходимости еще раз указывать на важное значение этой методики. Получаемые таким образом документы представляют собой одну из форм хранения информации, допускающую анализ, сравнение и измерение ее. Они являются фактически зарегистрированным явлением.

Существуют различные формы таких документов в зависимости от применения более или менее совершенной аппаратуры. Мы различаем два больших класса документов, соответствующих двум основным способам воспроизведения явления: аналоговые и цифровые.

А) Самый распространенный и наиболее часто встречающийся класс документов предполагает аналоговую форму воспроизведения. Иначе говоря, эволюция графической кривой, отражающей изменения амплитуды электрического сигнала как функции времени, представляет собой аналог изучаемого сигнала в том смысле, что она с максимальной точностью и в форме, допускающей непосредственное прочтение, воспроизводит эволюцию во времени избранного параметра.

а) Рычаг-регистратор, царапающий закопченную ленту цилиндра при вращении последнего, уже осуществлял воспроизведение такого рода. Преимущество этого способа заключается в том, что он немедленно предоставляет экспериментатору документ, который расшифровывается сразу же, по мере развития изучаемого явления, позволяя, таким образом, в любой момент времени воздействовать на исследуемый процесс. Однако инерционность средств механической передачи накладывает существенные ограничения при записи быстро изменяющихся явлений.

б) Фоторегистрация на чувствительной эмульсии идеально устраняет этот недостаток; она применяется во всех случаях, когда возникает опасность того, что в процессе записи может исказиться форма изучаемых явлений. Тем не менее каждый раз, когда возможен компромисс и эксперимент требует (что бывает очень часто) немедленного изменения сигнала экспериментатором в соответствии с условиями опыта, способы прямой записи оказываются более предпочтительными.

в) Чернильная запись пользовалась большим успехом, особенно в случае оборудования, предназначенного для электроэнцефалографической клиники. В дальнейшем она широко применялась в электрофизиологических лабораториях. Ее главный недостаток заключается в инерционности подвижных элементов, записывающих гальванометров и в обязательности корректирующих устройств, предназначенных обеспечить их линейность и надежность; необходимость коррекции усложняет производство и установку такой аппаратуры и требует частого технического контроля этих качеств, ибо регистрация предполагает точность.

Полоса пропускания современных электроэнцефалографов редко превосходит 60-80 гц, что тем не менее оказывается достаточным для правильной регистрации сигналов в широкой полосе пропускания, типичной для физиологических явлений (см. рис. 6). Несколько улучшить эти результаты можно за счет применения систем струйной записи или систем с нагретыми перьями с использованием в последнем случае термочувствительной бумаги (что значительно увеличивает стоимость эксперимента). Таким образом устраняют влияние инерции, возникающей в результате трения пера по бумаге.

Рис. 6. Ограничения полосы пропускания, связанные с типом регистрации или хранения данных. В порядке возрастания рабочих характеристик (точности результатов): устройства, осуществляющие запись на закопченном цилиндре с помощью манометрических капсул; печатные или перфорирующие устройства (цифровое воспроизведение); зеркальный гальванометр с фоторегистрацией; перьевые регистраторы; магнитная запись частотной модуляции; прямая магнитная запись, расширяющая полосу пропускания за счет высоких частот, но зато ограничивающая низкие частоты; катодный осциллограф с фотозаписью, очень широкая полоса пропускания которого позволяет регистрировать практически все известные биоэлектрические явления. В нижней части рисунка приводятся полосы пропускания, необходимые для правильного воспроизведения различных физиологических показателей, показанных на рис. 4

г) Системы зеркальных гальванометров избавляют нас от перечисленных выше недостатков и интересны тем, что с их помощью можно получить высокий коэффициент усиления даже в случае слабой энергии благодаря оптическим рычагам, возникающим при отражении параллельных световых лучей от зеркала, укрепленного на подвижном шасси.

Преимущество этих систем в том, что им не свойственны нестабильность и фоновые шумы, характеризующие цепи электронного усиления того же порядка. Становится возможным пересечение кривых, ограничивающее возможности перьевой записи, что облегчает регистрацию и сравнение одновременных явлений.

Их основными недостатками являются крайняя чувствительность к механическим колебаниям, трудность настройки оптики (фокусировка, регулировка параллельного пучка) и необходимость применения фотографической записи. Использование в некоторых новейших приборах бумаги, чувствительной к ультрафиолетовым лучам, частично устраняет этот последний недостаток, но высокая стоимость такой бумаги ограничивает ее применение в случае регистрации, требующих продолжительного времени или больших скоростей записи.

д) Катодные осциллографы имеют перед гальванометрами то преимущество, что в них отсутствуют механические элементы, ибо принцип их действия состоит в отклонении пучка электронов в переменном электрическом поле. Поэтому их полоса пропускания значительно превосходит потребности изучения биоэлектрических явлений. Технология изготовления катодных осциллографов достигла значительных успехов, преодолев большинство трудностей, связанных с проблемой фокусирования точки и линейностью записи по двум осям, что превратило катодный осциллограф в идеальный инструмент, не только необходимый для электрофизиолога, но и пригодный для самых различных целей. Умножение кривых может быть осуществлено либо путем наложения друг на друга независимых каналов, либо разделением светового пучка, каждое направление которого обрабатывается отдельно, либо, наконец, с помощью электронных коммутационных устройств (сужающих иногда полосу пропускания за счет высоких частот). Неизбежные ограничения, налагаемые возможностями фоторегистрации при различных способах ее применения, вынуждают нас прибегать (в случаях, когда это необходимо и согласуется с требуемой точностью) к помощи чернильной записи. В качестве осциллоскопов, используемых для контроля и наблюдения, катодные осциллографы находят все более широкое применение.

е) Магнитная запись в физиологических экспериментах стала применяться недавно. Она представляет собой новый и очень удобный способ хранения информации. Действительно, сигнал можно записать в аналоговой форме, если использовать модуляцию длительности импульса или частотную модуляцию. Полоса пропускания зависит, естественно, от скорости записи, а точность воспроизведения - главным образом от стабильности скорости механической протяжки ленты. Кинематика остается самым уязвимым местом аппаратов этого типа, технология изготовления которых, впрочем, быстро развивается.

Непосредственная запись немодулированного сигнала позволяет значительно расширить полосу пропускания в сторону высоких частот, но при этом очень ограничивает низкие.

Увеличение числа дорожек возможно благодаря увеличению числа записывающих и воспроизводящих головок (установка которых очень сложна).

Значение этого способа хранения информации заключается в том, что магнитная память допускает свободное обращение с временным параметром (реверсия, расширение, сужение), что увеличивает возможности последующей обработки записанных электрических сигналов.

Б) Так называемое цифровое воспроизведение явлений не есть нечто новое в том смысле, что всякая операция численного измерения того или иного параметра предполагает переход к цифровому языку. Это та конечная операция, к которой прибегает экспериментатор для разумного использования аналоговых документов, имеющихся в его распоряжении (измерение латентного периода, амплитуды, частоты, длительности и т. д.).

Отдельные устройства осуществляют непосредственный аналого-цифровой перевод, что позволяет получать различные виды документации:

а) печатающие машины дают ряды цифр, которые используются непосредственно;

б) машины с использованием перфолент (типа Seltar) допускают вторичное использование документа для дальнейшей обработки данных и программирования вычислительных устройств;

в) машины с использованием перфокарт (типа IBM) выдают документы, которые можно ввести непосредственно в счетное устройство;

г) аппараты магнитной записи имеют большое преимущество, ибо они, так же как и подобные аналоговые регистраторы, допускают свободное обращение с хранящимися в них цифровыми данными;

д) запоминающие устройства на ферритовых сердечниках представляют собой новейший вид хранения данных и являются, в частности, составными частями больших и специализированных вычислительных машин.

Сохранение данных в таком виде крайне выгодно, так как это значительно упрощает процедуру дальнейшей их обработки. Они, в частности, могут служить основой для программирования элекронно-вычислительных машин. Прогресс в этой области стремителен, что предвещает изменение традиционных способов регистрации физиологических данных в самом ближайшем будущем. (Интересные данные, связанные с проблемой регистрирующих устройств, можно найти в книге Каца и его сотрудников, 1964.)