Информация. 
Информационные потоки в живых системах

Информация (от лат. inforтatio — разъяснение, осведомление). Информация — это отражение внешнего мира с помощью знаков и сигналов.

Основные понятия теории информации:

сообщение, сигнал, количество информации, энтропия, кодирование, пропускная способность канала связи Сообщение — некоторая информация о событиях, закодированная в форме определенного сигнала.

Сигнал — физический носитель информации (звук, свет, буква).

Свойства информации:

• 1. Информация имеет смысл только при наличии ее приемника (потребителя). Если принимающий объект отсутствует, то нельзя говорить о существовании информации.
• 2. Наличие сигнала не обязательно говорит о том, что передается некоторая информация. Информативно только такое сообщение, которое несет в себе что-то неизвестное ранее
• 3. Информация может передаваться не обязательно только через наше сознание. Она передается и на подсознательном уровне, и на уровне внутренних процессов в организме. Для мышц двигательного аппарата пришедшие к нему нервные импульсы несут информацию о необходимых действиях.
• 4. Если событие достоверное (то есть его вероятность Р=1), то сообщение о том, что оно произошло, не несет никакой информации для потребителя.
• 5. Сообщение о событии, вероятность которого Р< 1, содержит в себе информацию, и тем большую, чем меньше вероятность события, которое произошло.

Таким образом, чем меньше вероятность некоторого события, тем большее количество информации содержит сообщение о том, что оно произошло.

Шеннон дал следующее определение информации:

" Информация, содержащаяся в сообщении, есть мера того количества неопределенности, которое ликвидируется после получения данного сообщения.

Количество информации I (i), содержащееся в сообщении x_j, равно логарифму величины, обратной вероятности Р (хi) этого события:

За единицу информации принято количество информации, содержащееся в сообщении о том, что произошло одно из двух равновероятных событий, то есть если Р (А) = Р (В) = 0,5, то IA = IB = - log2 0,5 = 1.

Это количество информации называют бит.

Среднее количество информации, которое может получить объект, зависит от характеристик канала связи. Каналом связи может быть провод, световой луч, волновод, нервные волокна, кровеносные сосуды и др.

Основной характеристикой канала связи является его пропускная способность. Она будет определяться предельной скоростью передачи информации, измеряемой в бит/с.

Виды физических полей тела человека. Их источники

Вокруг человека существуют электромагнитные и акустические поля (гравитационное поле и элементарные частицы остаются за пределами нашего рассмотрения).

Можно выделить основные 4 диапазона электромагнитного излучения и 3 диапазона акустического излучения, в которых ныне ведутся исследования. [4].

1. Электромагнитные поля

Диапазон собственного электромагнитного излучения ограничен со стороны коротких волн оптическим излучением, более коротковолновое излучение — включая рентгеновское и г-кванты — не зарегистрировано. Со стороны длинных волн диапазон можно ограничить радиоволнами длиной около 60 см. В порядке возрастания частоты четыре диапазона электромагнитного поля, представленные на рис. 12.1, включают в себя:

• 1) низкочастотное электрическое (Е) и магнитное (В) поле (частоты ниже 10³ Гц);
• 2) радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) (частоты 10⁹ — 10¹⁰ Гц и длина волны вне тела 3−60 см);
• 3) инфракрасное (ИК) излучение (частота 10¹⁴ Гц, длина волны 3−10 мкм);
• 4) оптическое излучение (частота 10¹⁵ Гц, длина волны порядка 0,5 мкм).

Такой выбор диапазонов обусловлен не техническими возможностями современной электроники, а особенностями биологических объектов и оценками информативности различных диапазонов для медицины. Характерные параметры различных электромагнитных полей, создаваемых телом человека, приведены в табл.12.1.

Источники электромагнитных полей разные в различных диапазонах частот. Низкочастотные поля создаются главным образом при протекании физиологических процессов, сопровождающихся электрической активностью органов: кишечником (~1 мин), сердцем (характерное время процессов порядка 1 с), мозгом (-0,1 с), нервными волокнами (-10 мс). Спектр частот, соответствующих этим процессам, ограничен сверху значениями, не превосходящими ~1кГц.

В СВЧ и ИК-диапазонах источником физических полей является тепловое электромагнитное излучение.

Чтобы оценить интенсивность электромагнитного излучения на разных длинах волн, тело человека, как излучатель, можно с достаточной точностью моделировать абсолютно черным телом, которое, как известно, поглощает все падающее на него излучение и поэтому обладает максимальной излучающей способностью.

Излучательная способность тела — количество энергии, испускаемой единицей поверхности тела в единицу времени в единичном интервале длин волн по всем направлениям — зависит от длины волны X и абсолютной температуры тела Т.

ИК-излучение тела человека измеряют тепловизорами в диапазоне 3−10 мкм, где оно максимально.

2. Акустические поля

Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц.

В порядке возрастания частоты три диапазона акустического поля включают в себя:

• 1) низкочастотные колебания (частоты ниже 10³ Гц);
• 2) кохлеарную акустическую эмиссию (КАЭ) — излучение из уха человека (v ~10³ Гц);
• 3) ультразвуковое излучение (v ~ 1−10 МГц).

Источники акустических полей в различных диапазонах частот имеют разную природу. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися колебаниями поверхности человеческого тела в диапазоне приблизительно 0,01 — 10³ Гц. Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо не контактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны практически полностью отражаются обратно от границы разуй раздела «воздух-тело человека» и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха.

У всех наземных позвоночных существует, однако, специальный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, — это ухо. Среднее и внутреннее ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн из воздуха к рецепторным клеткам внутреннего уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный процесс — передача из уха в окружающую среду — и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, вставленного в ушной канал.

Источником акустического изучения мегагерцевого диапазона является тепловое акустическое излучение — полный аналог соответствующего электромагнитного излучения. Оно возникает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной температурой тела. [4].

3. Низкочастотные электрические и магнитные поля

Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его.

Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или о какой-либо диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Электрическое поле непрерывно меняется во времени: во-первых, происходит нейтрализация трибозарядов — они стекают с высокоомной поверхности кожи с характерными временами ~ 100 — 1000 с; во-вторых, изменения геометрии тела вследствие дыхательных движений, биения сердца и т. п. приводят к модуляции постоянного электрического поля вне тела.

Еще одним источником электрического поля вне тела человека является электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела, можно бесконтактно и дистанционно зарегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным контактным методом. Отметим, что этот сигнал ни много раз меньше, чем поле трибозарядов. [1].

В медицине бесконтактный метод измерения электрических полей, связанных с телом человека, нашел свое применение для измерения низкочастотных движений грудной клетки.

При этом на тело пациента подается переменное электрическое напряжение частотой — 10 МГц, а несколько антенн-электродов подносят к грудной клетке на расстоянии 2−5 см. Антенна и тело представляют собой две обкладки конденсатора. Перемещения грудной клетки меняет расстояние между обкладками, то есть емкость этого конденсатора и, следовательно, емкостной ток, измеряемый каждой антенной. На основании измерений этих токов можно построить карту перемещений грудной клетки во время дыхательного цикла. В норме она должна быть симметрична относительно грудины. Ее симметрия нарушена и с одной стороны амплитуда движений мала, то это может свидетельствовать, например, о скрытом переломе ребра, при котором блокируется сокращение мышц с соответствующей стороны грудной клетки.

Контактные измерения электрического поля в настоящее время находят наибольшее применение в медицине: в кардиографии и электроэнцефалографии. Основной прогресс в этих исследованиях обусловлен применением вычислительной техники, в том числе персональных компьютеров. Эта техника позволяет, например, получать так называемые электрокардиограммы высокого разрешении (ЭКГ ВР).

Как известно, амплитуда сигнала ЭКГ не более 1 мВ, а ST-сегмента еще меньше, причем сигнал маскируется электрическим шумом, связанным с нерегулярной мышечной активностью. Поэтому применяют метод накопления — то есть суммирование многих последовательно идущих сигналов ЭКГ В электроэнцефалографии, используемой для целей нейрохирургии, персональные компьютеры позволяют строить в реальном времени мгновенные карты распределения электрического поля мозга с использованием потенциалов от 16 до 32 электродов, размещенных на обоих полушариях, через временные интервалы порядка нескольких мс.

Построение каждой карты включает в себя четыре процедуры:

• 1) измерение электрического потенциала во всех точках, где стоят электроды;
• 2) интерполяцию (продолжения) измеренных значений на точки, лежащие между электродами;
• 3) сглаживание получившейся карты;
• 4) раскрашивание карты в цвета, соответствующие определенным значениям потенциала. Получаются эффектные цветные изображения. Такое представление в квазицвете, когда всему диапазону значений поля от минимального до максимального ставят в соответствие набор цветов, например от фиолетового до красного, сейчас очень распространено, поскольку сильно облегчает врачу анализ сложных пространственных распределений. В результате получается последовательность карт, из которой видно, как по поверхности коры перемещаются источники электрического потенциала.

Персональный компьютер позволяет строить карты не только мгновенного распределения потенциала, но и более тонких параметров ЭЭГ, которые давно апробированы в клинической практике. К ним в первую очередь относится пространственное распределение электрической мощности тех или иных спектральных составляющих ЭЭГ (б, Я, г, д, и и-ритмы). Для построения такой карты в определенном временном окне измеряют потенциалы в 32 точках скальпа, затем по этим записям определяют частотные спектры и строится пространственное распределение отдельных спектральных компонент.

Карты б, д, Я ритмов сильно отличаются. Нарушения симметрии таких карт между правым и левым полушарием может быть диагностическим критерием в случае опухолей мозга и при некоторых других заболеваниях.

Таким образом, в настоящее время разработаны бесконтактные методы регистрации электрического поля, которое создает тело человека в окружающем пространстве, и найдены некоторые приложения этих методов в медицине. Контактные измерения электрического поля получили новый импульс в связи с развитием персональных ЭВМ — их высокое быстродействие позволило получать карты электрических полей мозга.