Методы обработки биологической информации. Биологическая информация — это сведения о структуре и функциональном состоянии биологических объектов, которые могут быть выражены словесными описаниями, микрофотограммами, схемами, цифрами, осциллограммами и т. п.
В последнее время наблюдалось бурное развитие биологической и медицинской электроники; широкое распространение получил осциллографический метод представления биологической и медицинской информации, например электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография и другие методы. В ходе исследовательской работы и в процессе постановки диагноза врач и биолог осуществляют обработку биологической информации, т. е. анализируют и оценивают ее. Анализ биологической информации, в частности ЭКГ, ЭЭГ, может быть визуальным, графическим, автоматическим. В итоге анализа обеспечивается представление информации в форме, наиболее пригодной для дальнейшей оценки. Можно выделить три стадии анализа биологической информации: дешифровка или преобразование данных в цифровую форму, статистическая и математическая обработка, сравнительный анализ данных.
Дешифровка состоит в опознавании характерных элементов кривой и вычислении определенных (амплитудных, временных и пр.) показателей. Обычно дешифровку производят визуально, реже графически (например, использование планиметров). Созданы также специальные устройства для автоматической дешифровки; серийно выпускаются различные системы для автоматического считывания данных, представленных в виде осциллограмм.
Наиболее удобна для ввода в вычислительные машины информация, записанная на магнитную ленту. При автоматическом или полуавтоматическом анализе по ходу считывания данных с носителя осуществляются опознавание и выделение заданных показателей. Так, при автоматическом анализе ЭЭГ применяют методы выделения огибающей или суммации, когда измеряют некоторые средние характеристики процесса. Значительное распространение получили методы измерения интенсивности и спектра ЭЭГ. Разработаны специальные приборы-интеграторы и анализаторы, с помощью которых производят выделение заданных ритмов и изучение их интегральной мощности.
Статистическая и математическая оценка полученных данных является обязательной частью научного анализа биологической информации. Вычисление разнообразных математико-статистических показателей не только обеспечивает оценку достоверности экспериментальных данных, но и позволяет исследовать тонкие механизмы биологических явлений. В частности, весьма перспективно приложение теории случайных функций. В электроэнцефалографии — это вероятностные методы и корреляционный анализ. При корреляционном анализе могут быть вычислены авто- и кросскорреляционные функции. Автокорреляционная функция является результатом сопоставления исследуемого процесса с его же копиями, сдвинутыми на заданные интервалы времени. Такой анализ позволяет выделить периодические и случайные компоненты анализируемого процесса. При сравнении двух биологических процессов может быть вычислена кросскорреляционная функция, по которой можно определить моменты наибольшей связи между процессами, например можно установить зависимость реакции от определенных воздействий или найти закономерные ответы среди случайных флюктуаций. В электроэнцефалографии автокоррелограммы позволяют судить о периодичности биоэлектрических процессов, а кросскоррелограммы — о фазовых соотношениях колебаний в различных участках мозга (рис.). В последнее время все большее значение приобретают методы частотного анализа. Исследуют биологические ритмы разнообразных органов и систем; при этом изучают колебания различных периодов, в том числе очень длинные (до суток и более) и очень короткие (до сотен килогерц).
Корреляционный анализ электроэнцефалограмм: 1 — типичная автокоррелограмма нормальной электроэнцефалограммы (по Бреже); 2 — автокоррелограммы ЭЭГ больного с правосторонней опухолью мозга. Внизу даны образцы исходных электроэнцефалограмм (по Бреже и Барлоу); 3 — взаимная корреляция электроэнцефалограмм двух полушарий головного мозга здорового человека. Вверху указаны величины временной задержки (в миллисек); 4 — то же у больного с правосторонней менингиомой (по Бреже).
Сравнение полученных данных с известными нормами или отклонениями является заключительным этапом обработки биологической информации. В результате сравнительной оценки определяется степень подобия данной информации известным явлениям, т. е. ее новизна. В медицине этот этап соответствует постановке диагноза или выявлению симптомов и синдромов. Однако диагностика — это процесс, который включает обобщение самых разнообразных данных, обработанных различными методами. При обработке биологической информации конечная цель состоит в том, чтобы структурные или функциональные особенности исследуемого объекта выразить некоторыми качественными или количественными показателями.