§ 6. Информационная ценность полученного сигнала [1970 Фресс П., Пиаже Ж.

Количество информации, полученной в результате регистрации физиологического показателя, и, следовательно, правильное применение ее в рамках рабочей гипотезы, определившей ее выбор, будет зависеть от многих факторов, и в частности от принятого метода регистрации. При этом необходимо знать и тщательно контролировать характеристики и возможности используемого прибора. Необходимо здраво оценивать также характеристики полученного сигнала и условия правильного его обнаружения. Наконец, должны быть сведены к минимуму оптимальным способом источники интерференции или возможных искажений явления в самом начале и на различных участках цепи регистрации.

Мы рассмотрим последовательно следующие три момента:

Хороший измерительный прибор должен быть чувствительным, точным и надежным.

Чувствительность должна соответствовать измеряемым величинам, при этом могут возникнуть определенные трудности, если диапазон изменений явления достаточно велик.

Точность измерений зависит от рабочих характеристик выбранной аппаратуры. Ошибка измерения определяется как мгновенная разность между величиной измеряемого физиологического явления и величиной, которую выдает регистрирующее устройство.

Надежность предполагает воспроизводимость результатов измерения и, следовательно, стабильность характеристик аппаратуры.

Эти качества можно предварительно исследовать в плане общего функционирования системы записи путем простого сопоставления величины сигнала, подаваемого на вход системы, с конечным результатом, получаемым на выходе.

Идеальным является такой аппарат, который позволяет получить параметр, вариации которого "аналогичны" вариациям измеряемого физиологического явления. Контроль за этими качествами должен, в частности, производиться по трем главным направлениям: по линии статической точности, по линии динамической точности и, наконец, по степени физиологической реактивности.

а) Статическая точность касается способности прибора поддерживать линейную зависимость между входным и выходным сигналами в стационарных условиях и независимо от характера изменений сигнала.

С практической точки зрения это качество можно проверить путем изучения ответа системы при систематическом изменении сигнала на входе с последующим постепенным обеспечением стационарных условий для каждого измерения. Таким образом, проверяются стабильность калибровки системы и, следовательно, точность измерения. С другой стороны, надежность устанавливается путем проверки постоянства результатов при подаче на вход либо нарастающих, либо убывающих сигналов.

Неточность может быть результатом либо нестабильности (по разным причинам) начала отсчета, либо нелинейности системы воспроизведения, либо наличия явления гистерезиса.

б) Динамическая точность относится к способности воспроизводить быстрые изменения сигнала во времени. Она определяет "полосу пропускания" системы.

Практически ее можно определить, подавая на вход системы синусоидальные или прямоугольные сигналы и сравнивая затем амплитуду и фазу ответа с аналогичными характеристиками сигнала на входе (см. рис. 7).

Рис. 7. Принцип проверки надежности усиления. 1. Напряжение источника e_s понижается с помощью делителя напряжения, соединенного последовательно с препаратом S до величины e_s/A₀. Величина сопротивления делителя должна быть низкой (1 - 10000 ом) с тем, чтобы ею можно было пренебречь по сравнению с суммарной величиной входного сопротивления усилителя и сопротивления препарата. 2. Используя es в качестве источника синусоидальной волны переменной частоты, можно сравнить амплитуду и фазу сигналов e_s(t), исходящих непосредственно от источника, с амплитудой и фазой сигналов e₀(t) в цепи препарата и усилителя. Относительную амплитуду е₀(t)/e_s(t)=K₂/K₁А₀ можно измерить с помощью значений К₁ и K₂, как показано на схеме. Если Т есть период синусоидальной волны, то можно определить сдвиг фаз КТ в цепи усиления. Многократное произвольное изменение частоты f явления позволяет оценить величину сдвига фаз в цепи усиления в зависимости от частоты (схема 3). С другой стороны, можно вычертить кривую уменьшения коэффициента усиления усилителя как функцию частоты (схема 4), которая покажет, в частности, полосу частот, внутри которой данное явление правильно передается по амплитуде. 3. Простой и быстрый метод определения полосы частот, внутри которой амплитуда сигналов передается без искажений при прохождении по цепи усиления, состоит в том, что на усилитель подается прямоугольный электрический импульс с амплитудой Е и длительностью Т (схема 5); форма явления, получаемая на выходе усилителя, показана на нижнем рисунке схемы 5. Т есть время ответа усилителя. С его помощью можно получить значение верхнего предела частоты f₂=1/2πT₁. Таким образом с помощью величины Т, способ получения которой показан на рис., можно вычислить предел частоты f₁=1/2πT₂. Этот способ позволяет получить общую частотную характеристику прохождения сигнала по всей цепи регистрации. В случае постоянного тока Т₂ равно бесконечности [модификация по Шонфельду (Р. Л.), 1964]

Ею в конечном счете определяется кривая частотной характеристики прибора. Эта проверка имеет исключительно большое значение для физиологического эксперимента, так как границы полосы пропускания в значительной степени определяют искажение формы сигнала.

Неточность может быть результатом либо недостаточного, либо избыточного демпфирования системы. Недостаточное демпфирование приводит главным образом к возникновению собственных колебаний системы, интерферирующих с изучаемым явлением; чрезмерное демпфирование приводит к увеличению или уменьшению времени реакции системы, обычно выражающейся в виде постоянной времени системы. Выбор постоянной времени должен быть обоснован, при этом необходимо учитывать характеристики изучаемого сигнала.

в) Физиологическая реактивность. Этот термин, введенный Бертоном (1954), обозначает искажения изучаемого физиологического явления, обусловленные самой системой регистрации. Здесь необходимо остановиться на двух факторах:

Зонды-перехватчики, проводники, вес прибора способны изменить ответ физиологической системы. Известно также важное значение технологического фактора в психологических экспериментах; так, часто отмечают серьезные недостатки их, возникающие из-за неудобств, причиняемых испытуемому датчиками из-за необходимости сохранять неподвижность, чтобы обеспечить наилучшие экспериментальные условия регистрации физиологических показателей. Нельзя недооценивать важность такой критики. Необходимо поощрять усилия, направленные на миниатюризацию аппаратуры, и приветствовать успехи, достигнутые за последние годы в создании телеметрических зондов.

Система обнаружения по самой своей природе и по причине контакта зонда и ткани также может оказаться каналом рассеяния полученного сигнала, что может привести к существенному ослаблению и искажению его. Этот фактор следует особенно учитывать при регистрации биоэлектрических явлений. Собственный импеданс регистрирующей системы, и в первую очередь ее входных каскадов, играет основную роль в утечке электричества в схемах обнаружения. На практике можно пренебречь величиной сопротивления исследуемой ткани между двумя воспринимающими электродами по сравнению с величиной сопротивления на сетках основного входа каскада усиления (5Х10³ ом по сравнению с 10⁶ ом, например). Надо помнить, что уменьшение поверхности электродов или такие локальные факторы, как подсыхание или плохой контакт, приводят к значительному повышению сопротивления между электродами и способны поэтому существенно ослабить или исказить изучаемое явление.

Как правило, преобразователь с малой физиологической реактивностью- это прибор, применение которого исключает чрезмерную утечку нормального потока массы или энергии в точке обнаружения.

Выбор прибора с учетом его качеств и требуемых рабочих характеристик будет зависеть в первую очередь от характеристик подлежащего регистрации физиологического сигнала, а также, разумеется, от задачи эксперимента. При таком подходе целесообразно рассмотреть вопросы, связанные с выбором полосы пропускания, коэффициента усиления и размещения зондов.

а) Выбор полосы частот. Поскольку эксперимент требует сохранения, насколько возможно, структуры исходного сигнала, то становится необходимой оценка по частоте его составных элементов, с тем чтобы правильно выбрать полосу пропускания.

Большую часть физиологических сигналов можно выразить в виде изменяющейся во времени кривой, о которой известно, что она может быть математически представлена более или менее непосредственно в виде периодической функции, разложимой в ряд Фурье. Любую волну сложной формы можно рассматривать в первом приближении как сумму ряда простых синусоид, амплитуда и фазовые отношения которых определяются исключительно формой и величиной изучаемой сложной физиологической волны. В этих условиях, если одна сложная волна может быть представлена рядом Фурье, ордината любой точки кривой может рассматриваться как сумма ординат синусоидальных волн, образующихся при разложении ее в ряд Фурье. Отсюда следует, что система линейного ответа для спектра определенной частоты окажется в состоянии точно воспроизвести кривую сложного изучаемого явления.

Из практики известно, что большой класс физиологических явлений можно успешно представить с помощью рядов Фурье, в которых значения синусоидальных членов изменяются как обратная функция частоты; таким образом, ограничение полосы пропускания со стороны высоких частот не влечет за собой заметного искажения явлений. Тем не менее введение фильтров или емкостных связей должно всегда производиться с осторожностью, учитывая, что это отразится на полосе пропускания прибора. Обратимся в связи с этим к рис. 4, на котором схематически представлен диапазон частот наиболее распространенных физиологических параметров, и сопоставим их с различными типами ограничений, накладываемых на системы регистрации наличием емкостных связей или фильтров.

С практической точки зрения можно приблизительно оценить, какой должна быть полоса пропускания для определенного сигнала, оценивая продолжительность наиболее медленных и наиболее быстрых изменений явления, в то время как они фиксируются системой, на которую не наложено никаких ограничений (например, усилителями постоянного тока и катодными осциллографами). Таким образом, становится возможным более разумный выбор прибора с такой полосой пропускания, которая позволит осуществить регистрацию без искажений. На р и с. 5 сопоставлены относительные характеристики основных классов регистрирующих приборов и частотные диапазоны наиболее широко используемых физиологических явлений.

б) Выбор коэффициента усиления зависит от требуемой чувствительности и диапазона колебаний амплитуды регистрируемого явления. На рис. 4 приводятся такие диапазоны для различных физиологических параметров. Трудности возникают тогда, когда колебания значительны, что влечет за собой либо нечувствительность системы к слабым колебаниям, либо, что еще более существенно, ее насыщение в области высокоамплитудных колебаний. Нужно признать, что в этом случае ограничение амплитуды правомерно. Насыщение системы часто влечет за собой временную нестабильность, способную помешать правильному воспроизведению. Некоторые устройства позволяют свести к минимуму этот недостаток.

в) Выбор позиции зонда приобретает центральное значение, так как от нее будет зависеть большая или меньшая избирательность приема и - в какой-то степени - форма фиксируемого сигнала.

Необходимо помнить, что форма электрического явления при биполярном размещении электродов связана главным образом с топографией электродов в электрическом поле, создаваемом генератором. Генератор сам может изменять свое положение по отношению к электродам в процессе регистрации; так, например, распределение электрического поля сердца меняется в зависимости от ритма дыхания, положения тела и движений субъекта. Регистрация, таким образом, может выявлять колебания амплитуды, которые являются не чем иным, как отражением изменения расположения электродов относительно источника. Особенно важно учитывать это в электромиографии, так как перемещение сокращающейся мышцы под кожей может оказаться причиной значительных колебаний такого рода. То, что является недостатком в одних случаях, может оказаться крайне полезным при других обстоятельствах: так, например, в элек-троокулографии используются фиксированные периокуляр-ные электроды, для того чтобы уловить с их помощью перемещения электрического генератора, которым является глазное яблоко.

В общем, напомним о важности топографии расположения электродов для электроэнцефалогических исследований: необходимость стандартной системы расположения электродов отмечается учеными всею мира.

В. Источники погрешностей и интерференции: их устранение

Правильный выбор экспериментальной системы, соответствующей характеристикам регистрируемого сигнала, еще не гарантирует высокого качества записи.

Различают два возможных источника интерференции, способных снижать точность системы: наличие неустранимых недостатков устройства, обязательно присутствующих в нем, хотя бы и в минимизированной форме, и нежелательные флуктуации, происхождение которых не связано непосредственно с измеряемым физиологическим явлением и которые могут даже замаскировать выделяемый сигнал.

а) Погрешности системы записи. В конечном счете они определяются рабочими характеристиками системы в целом, и с учетом их определяются специфические качества и возможности системы.

Интересно отметить при этом, что окончательные рабочие характеристики прибора являются чаще всего результатом компромисса между различными противоречащими друг другу требованиями и поисками оптимальных общих характеристик системы в целях наилучшего воспроизведения сигнала.

Так, минимизация физиологической реактивности часто несовместима с максимизацией динамической точности системы. Отметим также и то, что в ходе последовательных трансформаций в цепи передачи сигнал подвергается фазовым искажениям: по отношению к сигналу на входе волна, которую получают на выходе, смещена во времени, причем это смещение равно времени прохождения сигнала через устройство. Этот недостаток физически неустраним. Тем не менее, если фазовый сдвиг системы линеен относительно частоты (см. рис. 7), время прохождения различных компонентов частотного спектра через систему будет одинаковым, так что фазовые отношения различных компонентов не будут изменяться, и при отсутствии искажения амплитуды получаемая на выходе волна сложной формы будет идентична сложной волне на входе. В большинстве физиологических исследований временем прохождения можно пренебречь. Однако в тех случаях, когда эксперимент требует очень точного сопоставления двух одновременных явлений, регистрируемых с помощью различных схем, проблема эта сразу же приобретает серьезное значение.

Подчеркнем также тот факт, что увеличение чувствительности преобразующего устройства ограничивается нестабильностью и динамической неустойчивостью системы, которые возрастают в обратном направлении. В этом случае выбор соответствующего преобразователя есть результат компромисса, являющегося завершением тщательного изучения рабочих характеристик устройства в свете исследуемой проблемы. Проблемы линейности и динамической точности в настоящее время успешно разрешаются с помощью усилительных устройств, применение которых в свою очередь вызывает неизбежные трудности, связанные с наличием неустранимых фоновых шумов, к рассмотрению которых мы еще вернемся.

Выбор регистрирующих систем также очень часто является результатом компромисса, когда, жертвуя, например, надежностью передачи сигнала, искажаемого вследствие ограниченности полосы пропускания, удается осуществить прямую запись. По этому вопросу полезно обратиться к статьям Фрая (1960) и Шонфельда (1964).

б) Источники паразитных шумов. Понятие "шум" относится к флуктуациям сигналов, исходящих из неустойчивых источников, не связанных непосредственно с изучаемым физиологическим явлением.

Обычно различают три вида шума: электрический, механический и тепловой.

1. Электрический шум может иметь различные причины.

- Электронные компоненты усилительного устройства не обладают абсолютной устойчивостью. Источники электрического питания могут быть подвержены более или менее значительным колебаниям. Термоэлектронная эмиссия - явление дискретное. На уровне входного каскада эти колебания имеют тот же коэффициент усиления, что и сигнал, и вследствие этого они могут заглушить сигналы с малой амплитудой. В современных системах регистрации эти шумы вполне удовлетворительно устраняются.

- Воспринимающие электроды в некоторых случаях являются причиной существенных помех в результате электрической поляризации, что иногда вызывает необходимость применения так называемых неполяризующихся электродов (хлористое серебро). Этой проблеме был посвящен целый ряд глубоких исследований. Спайка или место соединения различных металлов в равной степени могут оказаться генераторами тока в результате термо- или фотоэлектрического эффекта, поэтому необходима крайняя осторожность при электрофизиологическом монтаже, чтобы устранить возможность появления помех такого рода.

- Шум может также исходить из внешних и внутренних паразитных источников.

Внешние паразитные источники требуют специального рассмотрения.

Переменный ток 50 гц, циркулирующий в обычных цепях электрического питания, образует паразитное поле, являющееся источником очень сильных помех, что требует от электрофизиолога принятия мер предосторожности. Организм, над которым проводится эксперимент, представляет собой как бы мощную антенну, чувствительность которой прямо пропорциональна ее поверхности. Наличие металлического экрана, помещенного между источником и препаратом и связанного с землей, оказывается достаточным для эффективного устранения паразитного поля. Меры предосторожности, обычно принимаемые при установке лабораторной аппаратуры, сводятся к помещению системы питания в заземленные металлические трубки. Аппараты, питающиеся от этих цепей, должны быть также заземлены на корпус, чтобы избежать появления источников излучения. Клетки Фарадея являются весьма эффективной защитой, необходимой при проведении определенных работ, но их можно с успехом заменить такими мерами предосторожности, как экранирование паразитных источников, понижение сопротивления между электродами, уменьшение длины проводников на входе, тщательная регулировка разности каскадов усиления и особенно правильное заземление. Что касается последнего, рекомендуется заземление звездой вместо обычно употребляемых замкнутых контуров. Иначе говоря, выгоднее присоединить массы различных приборов к одной и той же точке общей массы, чем соединять приборы между собой. Достаточно полное исследование этих проблем можно найти в книге Настука (Уолбаршт, 1964).

Помехи, являющиеся результатом индукции и, в частности, наличия магнитного поля, труднее устранить. Следует вообще максимально отдалить источники такого рода-моторы, реле, электромагниты и т. д. Эффективную экранировку можно осуществить только с помощью специально обработанных и дорогостоящих металлов (мю-металлов).

Нестационарные электрические процессы или импульсы высокой частоты также создают трудноустранимые паразитные поля. В таких случаях необходимо использовать специальные клетки Фарадея, снабженные фильтрующими элементами. На практике правильный выбор местонахождения лаборатории - вдали от лифтов, мастерских, источников токов высокой частоты (диатермии) и люминесцентных ламп - позволяет устранить такие источники паразитных шумов, которые трудно устраняются в других условиях.

Наконец, статическое электричество может накапливаться в значительных объемах на изолированных оболочках, изготовленных из синтетических материалов и, что более серьезно, на самом экспериментаторе, если он не заземлен и тем более если на нем нейлоновая одежда и обувь с подошвами из креп-каучука. В этом случае он разряжается на заземленного испытуемого, что влечет за собой значительные артефакты на кривой. Накопления таких зарядов можно избежать, если отводить их естественным путем в землю. Подстилки из проводящего ток каучука, например, или подошвы из кожи, проводимость которой относительно велика по сравнению с крепкаучуком или резиной, представляют собой хорошие способы устранения этих недостатков.

Внутренние паразитные источники также ставят перед нами не менее сложные проблемы.

Организм - хороший проводник, и сигнал, зарегистрированный в той или иной его точке, часто бывает искажен паразитными полями, исходящими от более отдаленных источников. Так, электрическое ноле сердца при определенной мощности генератора практически можно зафиксировать на всем кожном покрове. Таким же точно образом на записи могут отразиться и другие явления. Точка заземления испытуемого приобретает в этом случае первостепенное значение. Воспринимающие электроды можно защитить от электрического поля сердца при условии правильного их расположения. Средняя изоэлектрнче-ская линия этого поля может изменяться от одного испытуемого к другому (см. рис. 1). Методика приема, предполагающая расположение электродов по одну и другую сторону от этой линии, способствует получению электрокардиограммы. При миополи-графии, когда особенно необходимы многочисленные отведения на различные члены, например, важно найти на изоэлектриче-ской линии подходящее место для заземления, чтобы обеспечить надежную защиту от паразитного поля. Правая нога часто оказывается прямым продолжением этой линии и поэтому представляет собой в этом отношении удобное место. Местоположение испытуемого или его движения также могут вызвать перемещение этого источника помех и свести на нет эффективность выбранных мер защиты.

Иногда при записи ЭЭГ. ЭОГ или КГР в качестве источника помех выступает активность соматической мускулатуры. В этом случае можно воспользоваться тем фактом, что частотная полоса таких сигналов выше (см. рис. 3 и 4) и фильтр низких частот окажется достаточным для устранения нежелательных электромиограмм.

Правильному приему ЭМГ и ЭЭГ может помешать КГР. Эту помеху можно устранить с помощью фильтра высоких частот (рис. 5).

Надо отметить также наличие электродвижущей силы кожи, способной препятствовать регистрации, требующей применения усилителей с прямым входом. В этой связи интересно отметить, что у женщин в период менструаций эта электродвижущая сила может достигать значительной величины. Установка контрбатареи, состоящей из элементов с противоположными фазами, воспринимающих электрод, позволяет скомпенсировать и снова сбалансировать систему.

2. Механические шумы. Они также могут иметь экзогеннный и эндогенный источники.

Вибрации или ускорения компонентов системы записи могут привести к возникновению значительных помех на самых различных участках цепи передачи.

Перемещение электродов по коже, вызванное либо движениями испытуемого, либо пульсацией, либо дыхательными движениями, а в отдельных случаях - вибрацией мотора или механическими микровибрациями кожи (Рочачер, 1962), представляет собой важный источник артефактов, который необходимо принимать во внимание и устранять. Оно приводит к вибрации поверхности контакта, что влечет за собой колебания сопротивления между электродами. Избавляются от этого с помощью гибких электродов (chamex) или используя токопроводящую пасту. Прочная установка электродов на поверхности достигается также тем, что их покрывают кусочком пропитанной коллодиумом марли. Этот метод рекомендуется для длительных регистрации, так как, кроме всего прочего, его достоинство заключается в том, что он предупреждает возможное подсыхание электродов.

Движения проводника, влекущие за собой его перемещение в паразитных полях, приводят к возникновению помех, вызванных индуктивными токами; они и сами могут стать причиной возникновения поля возмущений в результате перемещения электростатических зарядов, накопившихся на их изолирующей оболочке.

Электромеханические преобразователи в сильной степени подвержены механическим шумам, когда требуемая данной операцией обнаружения чувствительность превосходит определенный порог.

Электронные элементы также подвержены воздействиям механических факторов. Чрезвычайно важно выявить так называемые микрофонные лампы, которые являются источником нежелательных артефактов.

Оптические гальванометры в этом смысле очень чувствительны к вибрациям окружающей среды и требуют принятия специальных мер предосторожности.

3. Тепловые шумы. Одним из важных ограничений систем электронного усиления является наличие неустранимого "фонового шума", вызванного тепловым движением молекул. Некоторые угольные сопротивления служат существенными источниками шума, который становится помехой при регистрациях, требующих высокого коэффициента усиления. Технология изготовления этих элементов достигла значительного прогресса. Заметим, однако, что транзисторы "шумят" значительно больше, чем электронные лампы, так что применение последних по-прежнему предпочтительнее, по крайней мере для входных каскадов биологических усилителей с большим коэффициентом усиления. Они также чувствительны к изменениям температуры, и некоторые преобразователи с использованием сопротивления требуют наличия специальных компенсирующих схем для их правильного применения.

В общем, трудности, с которыми чаще всего приходится сталкиваться при точной регистрации физиологических показателей, связаны с устранением различных источников интерференции. Они, следовательно, должны быть хорошо известны экспериментатору, для того чтобы их можно было успешно преодолеть.