生理信号的记录与显示

生理信号的记录与显示是生物医学测量中的重要组成部分。生理信号如心电、心音、脑电、肌电、神经电位、电压、胃肠内压等最终均以一定的方式记录或显示出来，根据波形的形状及其随时间变化的规律，医生可以分析、判断病症或生理变化，利用磁记录技术能记录较长时间信息的特征，还可以记录到如心室早搏等偶发性疾病，为医生追踪病人发生过的情况提供了依据。
一个好的记录或显示装置要有足够的频率响应、适宜的阻尼和良好的线性。大多数生理信号频谱分析表明，它们的主要频率分量在每秒100周以下，因此记录和显示装置至少应在此频率范围内，具有相同的记录特性，以保证记录波形的真实性。阻尼特性表征了对阶跃瞬变信号的响应，过阻尼时记录的波形上升缓慢，欠阻尼时则上冲过大。阻尼小的记录装置其高频响应好。频率特性和阻尼特性决定了记录器的动态特性。记录器的输入信号幅度大小不等，记录器应保证描记幅度和输入信号幅度之比是个恒量，即要有良好的线性。此外，记录和显示装置还应有合适的灵敏度、功耗、稳定性等性能。
目前生理信号测量中常用的记录与显示装置有检流计式记录器、磁带记录器、线阵记录器、阴极射线示波器、计算机终端显示等。
检流计式记录器 检流计式记录器是根据检流计的工作原理描记波形的一种记录器。它基本上是由磁电测量机构和记录材料传动系统两大部分组成。记录器的磁电测量机构有动圈式或动铁式。检流计式记录器的工作原理可用图1为例说明。图1是动圈式笔描记录器，由磁钢、动圈、游丝、描笔、记录纸及其传动机构组成。描笔固定在动圈的转动轴上，动圈安放在磁钢的工作磁场内，当动圈中通过被测电流时，由于电磁转动力矩的作用，使动圈以及与它相同的转轴、描笔一起转动，同时与轴相连的游丝发生形变而产

图1 笔描记录装置

生反作用力矩，当电磁转动力矩与游丝的反作用力矩相等时，测量机构的转动部分达到平衡状态，描笔指在某一位置。当磁钢的工作磁场强度、动圈尺寸和匝数确定后，动圈的转角，即描笔笔尖的机械位移与流经动圈的电流成正比，因此描笔描绘的轨迹反映了待测电流的变化。当转动机构以一定速度带动记录纸运动时，描笔在记录纸上描记的就是被测信号随时间变化的波形。图1中描笔亦可代之以喷头或光束，从而得到不同的描记方式。用墨水笔或热笔描记的称为笔描记录器，用喷墨水方式描记的称喷水记录器，用光束在光敏纸上描记的称为光线示波器。
(1) 笔描记录器： 是最早和最为广泛采用的一种记录器，具有结构简单、工作寿命长、记录材料价格低廉、记录结果易于保存等优点，其缺点是描笔的重量和受到的磨擦阻力较大。早期的笔描记录器工作在开环方式，工作频率较低，约为0～50Hz以下，记录的波形失真严重。六十年代末，笔描记录器中引入了速度反馈技术，使动态特性有了很大的提高，频率响应可达100Hz，满足了大部分生理信号记录的要求； 但它的功耗较大，使描笔的转动力矩的增加受到了限制，导致回零特性和小信号响应较差。七十年代，又引入了位置反馈技术，它不仅具有速度反馈的优点，同时功耗小，力矩大，克服了速度反馈的不足，也使仪器的小型化成为可能。目前笔描记录器已广泛用于如心电、脑电、脉波、呼吸波等生理信号的记录。
❶速度反馈笔描记录器： 速度反馈笔描记录器是在开环工作的笔描记录器中引入速度反馈信号而闭环工作的记录器。图2为一种具有速度反馈的记录器电路。L₁是测量机构的动圈，L₂是在动圈上加绕的阻尼线圈。当动圈偏转时阻尼线圈L₂中将产生感应电势并反馈至放大器的输入端，感应电势的大小和动圈的转动角速度成正比。因此采用速度反馈时，动圈L₁中的电流除了信号电流外，还有L₂检测到的与动圈转动角速度成正比的感应电流，只要适当的调整速度反馈量大小，就可获得合适的阻尼特性；
❷位置反馈笔描记录器： 位置反馈笔描记录器是在开环工作的笔描记录器的测量机构上，附加了一个动圈角度位置检出器，用以检测与动圈偏转角度成正比的位置信号并负反馈至放大器的输入端，如图3所示。当信号电流与反馈电流相等时，描笔就指在某一位置，此时动圈内电流近似为零，不消耗功率。当信号电流变化时，描

图2 速度负反馈电路原理

图3 位置反馈原理

笔偏转，致使反馈电流相应变化，达到新的平衡。因此在位置反馈笔描记录器中，用位置检出器构成的反馈系统取代了游丝，描笔处于随遇平衡之中，使功耗大为降低。此外，调节位置反馈电路的参数，可以在合适的阻尼条件下，得到足够大的等效刚度，有利于提高频响，减小记录描笔和记录材料摩擦引起的误差。
笔描记录器的描笔，有的采用直接书写式的墨水笔，也有的采用热笔。描笔偏转时，墨水笔记录的是弧线，因此不仅产生了随转角增大而增大的时间偏差，也产生了笔尖偏移量与偏移角正弦成正比的弧差。为此往往采用直线化机构，使记录的弧线转化成直线，这样就消除了弧差，但却增大了描笔的转动惯量。热笔记录需用热敏纸，热敏纸在热笔的刀刃下移动，因受热而留下痕迹。
(2) 喷水记录器： 喷水记录器是利用特殊墨水通过喷笔喷射到记录纸上进行记录。喷笔的运动原理和笔描记录器相同。由于用喷水方式代替记录描笔，转动惯量较小，且没有摩擦，因此频率响应较高。但喷水的射程受频率影响，且喷笔内径很细，易堵塞，加之喷水笔的喷水散裂和时滞效应，会产生记录线条变粗、波形失真等现象，实际中采用较少。
(3)光线示波器： 光线示波器是利用光束在光敏材料上留下痕迹的一种记录装置。其运动原理和笔描记录器相同，但此时和动圈相连的不是描笔而是反射镜，光束射到反射镜上并反射至光敏材料，信号使动圈连同反射镜一起转动，反射光束也就随镜片的偏转而偏转，并在光敏材料上留下痕迹。光线示波器的工作频率可高达数kHz。由于光束互不干扰，光程可较长，相当于放大倍数大，因此光线示波器尤适合宽幅度、多路信号的同时记录。光线示波器可用白炽灯作光源，此时需用摄影胶卷或直接感光纸作记录材料。它也可用超高压汞灯作光源，记录材料采用银盐乳剂制成的紫外线感光纸。所以光线示波器的记录材料较为昂贵，有时需暗室操作，这是其缺点。
磁带记录器 磁记录用于生理信号的技术是七十年代发展起来的。采用对信号的预处理，可记录直流到兆周的信号，能满足全部生理信号的要求。磁记录密度高，容量大，可用于病人的长期监测，扩大了仪器的功能。由于以电磁的形式存贮和输出信号，重放时需其它的显示装置。
磁带记录器是利用磁性材料的剩磁效应写入、存贮、读出信息的装置，它由磁头、信号输入、输出电路和磁带传动机构组成。记录时磁头产生与信号相应的磁场，并通过磁隙使磁带上的磁介质磁化，使信息以剩磁的形式记录在磁带上。重放时，磁带以同样的速度通过重放磁头，随着磁带上剩磁感应强度的不同，重放磁头中感应出相应的磁通变化，产生相应的电信号，经输出电路在显示器上重现。磁记录技术是以电磁感应记录和重放信号，不能直接记录频率50Hz以下的信号，因此对大多数生理信号不能直接记录而必须进行预处理。常采用的有频率调制(FM)、脉宽调制(PWM)等方式。频率调制记录时，信号经频率调制后将幅值变化的信号变换成频率变化的信号，载波频率的偏移正比于输入信号的幅值。调频波经放大后送给记录磁头线圈，记录磁头将调制信号记录在磁带上。重放时，重放磁头拾取磁带上的调制信号，经放大、解调和低通滤波，将信号复原后输出。脉宽调制记录时，载波是周期性的矩形脉冲波，输入信号使载波脉冲的宽度比发生变化，但周期始终保持一定。与调频方式相比，磁带带速不稳定引起的失真较小。
线阵式记录器 线阵式记录器是八十年代发展起来的一种记录器。它的记录笔是大量固定的线阵式排列的小笔尖，每毫米约10个左右。每一笔尖的位置相应于要记录信号的某一个幅值。记录信号控制相应的笔尖，使在其下的记录纸上记下信号。记录纸上的记录可以是热敏方式、光敏方式和静电方式。线阵式记录器除记录纸移动外，无其它活动部分，因此不存在机械结构产生的各种误差。它除了可记录图形外，也可以记录文字和数字。由于记录笔尖完全由电信号控制，因此频响高，线性好，失真小，但结构较复杂。
阴极射线示波器 阴极射线示波器是一种最常用的电信号显示装置，它是用阴极射线管显示信号。阴极射线管是一种电真空器件，由电子枪、偏转系统、荧光屏组成。电子枪发射电子，使其加速并轰击荧光屏产生荧光。偏转系统有两对偏转板。X方向的偏转板加扫描信号，使电子束在X方向往复周期性运动，称为扫描。扫描速度表征了电子束随时间变化的快慢。Y方向的偏转板受待显示信号的控制。因此当两对偏转板同时分别加以扫描信号和待显示信号时，在荧光屏上显示的图形就是待显示信号量值随时间变化的规律。由于生理信号频率较低，又不是单一频率的周期性信号，难以同步，所以常采用慢扫描长余辉示波器显示。长余辉显示增加了图形的留影时间，易于观察。但余辉时间不能太长，以免相邻两次扫描的波形余迹相互重迭。为了显示偶发性信号，例如患有阵发性室性心动过速的患者，有可能相隔足够长的时间才发生一次心动过速，或出现一个室性早搏，这可采用记忆示波器监测。它不仅能使模拟信号在荧光屏上延时消失，而且可按照操作人员的需要，随时把要观察的图形“冻结”在荧光屏上。记忆显示一般用数字电路实现，通常由时序发生器、模/数转换、读写控制电路、存贮器、数/模转换和显示偏转系统组成，现均用微处理机实现。待显示模拟信号经模/数转换后，变成数字量，并按一定的节拍写入存贮器中。这样信号就被“记忆”在存贮器中。存贮器可以是移位寄存器，也可以是随机存贮器。显示时，读出电路把贮存在贮存器中的内容全部读出，读出的信号经过数/模转换和滤波平滑后还原成原来的信号，再送到偏转系统，在显示器上显示。如果对存贮器中的内容反复读出，且读出的速度足够快，由于人眼视觉的暂留效应，人们在荧光屏上看到的就是一幅“冻结”的图形。若每读出一次后，使存贮器中的一位数据更新，而其余的数据前移一位，如此循环下去，存贮器中的数据依次被新数据更新，此时在荧光屏上看到的波形是向前移动的，实现了延迟显示。
示波器可有多条扫描线，同步显示多个信号的波形。常见的双踪示波器是用电子开关产生两条扫描线，可用于观察两个频率相同或整数倍的信号。有的示波器采用双枪示波管实现两条扫描线，称为双线示波器，可用于观察两个完全独立的生理信号。