四、记录与信息处理系统

（一）记纹鼓在生理学实验中，各种生理现象均需要进行记录，以便观察与测量。经典的记录装置是记纹鼓，而直接或间接的生物电信号则使用示波器与示波照相机或生理记录仪进行观察和记录。

一般根据使用的动力不同，分为弹簧记纹鼓和电动记纹鼓两类。前者以发条式弹簧作为动力，后者以电动机作为动力。这两类记纹鼓又可根据其圆鼓的数目分为单、双记纹鼓，它们的结构大体相同。下面仅以弹簧记纹鼓为例加以说明。

记纹鼓的外部结构可分为机身和圆鼓两大部分。按图 1-42 识别其外部结构。

(1)机身包括以下几部分： 1)上弦把柄在鼓座侧面。

支架用来固定肌槽、电磁标等。
开关。
扇叶片共有大小 4 种，使用时插入可转动的扇片轴上，用以调节鼓速。
速度粗调节钮轻轻提起可使鼓速加快，放下则减慢。
弹簧片弹簧快鼓时用作动力。
擒纵梢弹簧快鼓时使用。
电接触片弹簧快鼓时作刺激开关用。
接线柱弹簧快鼓时连接直流电源。
固定螺丝固定鼓轴用。
圆托其中央有鼓轴小凹，支持鼓轴用，周围有数个小孔，固定鼓轴用。(2)圆鼓

扁圆盘固定于鼓轴上，其上有两个缺口，弹簧快鼓时用。
引发梢悬垂于扁圆盘下。
扁圆盘固定螺旋。
电接触叉两片，呈三角形。
离合钮头为圆鼓与机身的离合装置。在使用机身内的动力时，需将离合钮头落下，使其底部小突起嵌入圆托的小孔内，将圆鼓与机身紧密连接。而在不使用机身内的动力时，如手转鼓、弹簧快鼓时，则将其提起。
圆鼓固定螺旋可将圆鼓固定于鼓轴上，并可调节圆鼓的位置。

记纹鼓的使用方法

手转鼓提高扁圆盘的高度，以免盘上的引发梢受到弹簧片的限制。而后提起离合钮头，使机身内的动力部分与圆鼓脱离，这时即可使用手转鼓。手转鼓在使用记纹鼓时经常

采用，某些只记录强度的实验也使用手转鼓。

慢鼓需落下离合钮头，并用上弦把柄以顺时针方向转动上弦（注意：切忌逆时针方向）。然后打开开关，圆鼓即徐徐转动。慢鼓适用于持续描记比较缓慢的生理活动。
中速鼓在使用慢鼓的基础上，只需提起速度调节钮，即可加快鼓速。如加上大小不同的扇片于扇片轴上，鼓速有不同速度的减慢。中速鼓用于描记反应较快的生理活动。
弹簧快鼓适用于描记单一的，反应极为迅速的肌肉收缩活动。弹簧快鼓的操作可分为 4 步：①提起离合钮头；②落下扁圆盘，使扁圆盘与擒纵梢位于同一水平；③拉退擒纵梢，用于将圆鼓逆时针方向转动，使引发梢压紧弹簧片，再将擒纵梢嵌入扁圆盘的缺口中；④将一定强度的直流电正负极分别连于两接线柱上，将擒纵梢拉出并立即放手，这时圆鼓以弹簧片为动力迅速转动一周，擒纵梢又自动嵌入扁圆盘的缺口内，不能再转。这样，圆鼓每转动一周，电接触叉可与电接触片接触一次。接触时，接通电源，起到刺激开关的作用。

反复练习记纹鼓的上述 4 种操作方法，掌握离合钮头与扁圆盘的使用。电动记纹鼓以电动机作为动力，鼓速可调，有些还附时标装置，使用较

为方便。一般电动记纹鼓均带有手转鼓和弹簧快鼓的装置，其结构与弹簧记纹鼓大同小异。因此，熟悉弹簧记纹鼓的基本用法后，电动记纹鼓便不难掌

握。

记纹纸的粘贴与记录的处理

贴纸法（图 1—43）选择光滑而坚韧的白纸，裁成适合圆鼓的大小，平放在实验台上，

并使纸的光滑面向下。将圆鼓取下，在鼓的上横梁上缚一条较鼓身稍长的细线，供以后落纸用。把圆鼓平放于记纹纸上（下端朝向自己），使纸与圆鼓下缘平齐。在左侧纸端边缘处均匀地涂以薄层浆糊，然后用双手将左、右侧记纹纸紧紧地平贴于圆鼓上，并在两端相接处下面压住细线。注意：贴纸时应左压右，记纹鼓应平贴于鼓面上勿使皱折，以免影响记录。

圆鼓为顺时针转动，描笔应与转动方向一致，笔尖与鼓面呈相切接触。如同时使用数只描笔，各笔尖均需位于同一垂直线上。记录应从记纹纸的接缝处开始。
落纸法实验完毕，连同鼓轴取下圆鼓，左手握鼓轴下端，拇指按住记纹纸下缘，右手拉动细线把记纹纸撕开取下（图 1—44）。
记纹纸取下后，应立即整理记录。剪取记录曲线时，应包括对照、实验处理及恢复三部分。剪裁必须整齐，粘贴时，各图的基线应在同一水平，各图间的距离应一致。记录图正下方应注明图号、图注及必要的说明。

（二）示波器示波器是用来观察电压或电流变化情况和测量其数值大小的一种电子仪器，应用极为广泛。凡能变换为电压或电流的电学量与非电学量均可用示波器进行观察与测量。示波器的核心部分是电子示波管，另有扫描讯号发生器、放大器和电源。本书仅将电子示波管及示波器的正确使用作一简要说明。

电子示波管示波管由电子枪、偏转系统及荧光屏三部分组成（图 1—

45）。

（1）电子枪是产生电子束和赖以聚焦的特殊装置，由灯丝、阴极、控制栅极和两个阳

极组成。

灯丝和阴极的作用是发射电子。控制栅极可控制电子射线的强度，从而达到控制荧光屏上光点辉度的作用。第一阳极和第二阳极组合在一起，分别加一定的电压，起到电子透镜的作用。可使电子束在荧光屏上会聚成一点，起到聚焦的作用。所以第一阳极为聚焦阳极，板面上的“聚焦”旋钮就是改变第一阳极的电压，来调节聚焦的。第三阳极为加速阳极，可加速电子运动的速度，并能吸收屏幕上被击出的二次电子。

偏转系统包括两对相互垂直的偏转板，一对垂直偏转板（Y 轴偏转板）和一对水平偏转板（X 轴偏转板）。垂直偏转板上的电压发生变化时，可使电子束作上下运动。水平偏转板可控制电子束的左右移位，并用以产生扫描基线。示波器板面上的“水平位移”和“垂直位移”旋钮，就是分别调节这两对偏转板上的电压大小，来改变光点的位置。在电生理实验中，生物电信号是加在 Y 轴上，X 轴代表时间。这样就可以使光点在荧光屏上随着时间而作直线运动。
荧光屏为示波管底的玻璃屏幕。屏的内壁涂有一层荧光物质。当高速运动的电子束打到荧光屏上某点时，此点就发光。在单位时间内打到荧光屏

上的电子数越多，发光就越强。常用的荧光物质有：硅酸锌，产生绿光；硫化锌，产生蓝光。电子束打到荧光物质上发光，而电子束停止后，发光还持续一定时间才停止，这段时间称为余辉时间。一般说来，观察频率高的信号时，宜选用短余辉示波管；而观察频率低、变化缓慢的信号时，则长余辉示波管为宜。

SBR-1 型示波器的正确使用(1)一般注意事项

开机时板面各旋钮一般置于下列位置。辉度：中间位置；

触发电平：自动或连续； X 轴作用：正常；

灵敏度：20V/cm；

垂直位置：中心位置。

电源接通后，冷却风扇开始工作，仪器预热 30min 后，性能即趋稳定，

可进行校正与使用。以后可连续工作 8h。
如因散热不佳或机内故障，当机内温度达到

55℃以上时，示波器自动停止工作，应查明原因，排除故障后再行使用。
在使用或维修时，若切断电源，应待 3

分钟后再接通电源开关，否则易损坏电源部分。

辉度与聚焦辉度旋钮用以调节光点的亮度，顺时针旋转，光点逐渐变亮。实验时，光点亮度不宜过大，一般以利于观察即可。否则，摄影时图象上下出现白色光晕带，黑白对比不分明。另外，光点亮度过大可因电子束能量过大而将该点的荧光物质烧坏，以后形成暗点。

聚焦的调节应在慢扫描时进行，因为此时光点清晰易于辨别。将光点调到最圆最小即可。

标尺亮度旋钮用来控制荧光屏面板上的照明灯，其亮度愈大，标尺愈明亮。标尺横坐标用以测量信号的时间过程，纵坐标用以测量信号的电压。摄影时，标尺亮度应适中，否则给人以喧宾夺主的感觉。

垂直放大系统与输入方式垂直放大系统由高增益差动式直流放大器和衰减器组成。由此系统输入的微弱信号，经放大后加于垂直轴偏转板上，使电子束按被测信号的变化规律作上下运动。灵敏度调节旋钮的作用是调整被测信号在荧光屏上的幅度，共分 16 档，可根据被测信号的大小，拨到适当的位置。例如，心肌细胞跨膜动作电位约为 120mV，如微电极放大器的增益为 1，则示波器灵敏度可置于 20mV/cm，此时荧光屏上可出现约 6cm 高的波形。

输入方式可分为单端输入和双端输入。

单端输入：信号由 A 端或 B 端输入。输入选择旋钮置于相应的 A 或 B 的位置。

双端输入：信号从 A、B 两端输入，此时输入选择旋钮应置于 A-B 位置。由于本机输入端为差动形式，输入方式又可分为 AC（交流）与 DC（直流）

两种，以供选择。此输入方式的选择需根据被测信号的特性而定。在一般电生理实验中，可选用 AC 方式。而缓慢的电变化，如膜电位、体表胃肠电位、皮肤电等，则应用 DC 输入方式（参见表 1—2）。

直流平衡的调节：直流平衡旋钮用来调节放大器变换时的直流电位，使灵敏度在任一档次时光点均不会飘移出荧光屏。调节方法为：

将扫描调至连续，灵敏度旋钮拨至 20V/cm。
将直流平衡与位移旋钮调至中间位置。
用小改锥轻调直流平衡的暗调电位器，将扫描线调到荧光屏的中央位置。
逐档转动灵敏度旋钮，并随时调节暗调电位器，使扫描线一直位于荧光屏的中央位置，直至调到灵敏度最高一档为止。以后直流平衡的暗调电位器即不需再调节。如实验过程需要移动基线，只要用位移旋钮调节即可。

时基发生器与水平放大器。

时基发生器：为一锯齿波发生器，产生锯齿波扫描电压，使电子束在水平方向往返运动。

时间/cm 旋钮：用以调节光点扫描一次所需要的时间。扫描速度的可调范围为 5s/cm—1μs/cm。如该旋钮位于 5s/cm 时，表示光点在荧光屏上的移动速度为 5s/cm。

触发选择旋钮：为了清晰地观察和测量电信号的参数，可以选择不同方式的触发扫描，使波形相对稳定在荧光屏上。这就需要将刺激信号输入触发扫描发生器，使电子束扫描受到刺激器控制，刺激器输出与扫描同步，这样，刺激所引起的反应也与扫描同步，使图象在荧光屏同一位置上重复出现。此时，需将刺激器的同步输出连于示波器的外同步，将触发选择旋钮拨于外触发扫描。由于触发信号有“+”、“-”之别，因此需要把触发极性开关置于相应的位置上。触发信号有大有小，为了有效地触发示波器扫描，需要调节触发电平。一般将触发电平旋钮顺时针方向旋至电信号的出现并与刺激信号同步为准。

触发方式有①电源触发；②上线与下线（AC、DC）内触发；③外触发（AC、DC）等，可根据实验的具体要求，选择不同的触发方式。

水平放大器：由“X 轴作用”部分诸旋钮调节。①“正常”位置，扫描速度按时基的时间/cm 控制器的刻度计算。②扫描扩展位置，系将原正常扫描速度成倍地扩展，其倍数视旋钮的位置而定。如置于×2 档时，扫描速度增加一倍，此时扫描按时间/cm 旋钮所指的速度乘以 2 计算。③外接扫描，X 轴作用旋钮置于“V/cm”各档级时，X 轴呈外接状态，并反映 X 轴输入信号的幅值，但置于“V/cm”而无输入信号时，光点不扫描。

X 轴位移旋钮：用来调节电子束扫描光点在水平方向上的位置。顺时针方向转动使光点右移；逆时针转动使光点左移。

（三）记录仪生理记录仪为生理学实验中常用的记录仪器，其描笔能将放大后的生理变化或生物电信号直接描绘在记录纸上。优点是不像示波器那样需要照相记录，故直接而方便；缺点是描笔具有相当大的惰性，频率响应很小，一般只能反映 100 次/s 以下或持续期大于 10ms 的过程，故不适于记录快速的变化，如神经的动作电位等。

根据描笔运动的方式和电路控制原理的不同，可将记录仪分为两大类：描笔偏转式和自动平衡式记录仪。下面简要介绍这两种记录仪以及生理记录仪的使用。

描笔偏转式记录仪其构造原理如图 1－46 所示。在永久性磁铁的磁场中，放一个可动线圈，线圈与描笔连在一起，当信号电流经过可动线圈时，线圈受到转动力矩作用产生偏转，从而带动描笔记录。其偏转角φ为：

φ = M

可见，偏转角度（φ）与信号经放大后所产生的驱动力矩（M）成正比，与扭转刚度（K，即阻碍描笔转动的弹力）成反比。这种记录仪的特点是描笔绕固定轴转动。这种运动方式与各种永磁式电表中的指针运动方式相同，驱动力矩是由弹簧恢复力矩来平衡的，所以信号愈强则偏转愈大。一般心电图、心音图、脑电图记录均采用这种记录仪。

自动平衡式记录仪这种记录仪是由被测信号控制描笔作直线移动，而不是偏转。描笔始终保持在驱动信号为零的位置，当信号变化时，描笔随之移动，补偿电压也随之改变，直至达到新的平衡，驱动信号消失为止。根据补偿方式的不同，这种记录仪可分为电势差型和电桥型自动平衡记录仪，另有 XY 记录仪。

在生理学实验中，可用自动平衡记录仪配合各种换能器组成生理记录系统。其优点是量程大，整个纸面均可利用；描笔作直线运动以及调零方便。缺点是频率响应稍差

二道生理记录仪的使用在启动电源开关前，应把所有的开关置于“断”的位置。开启电源后，指示灯亮。放下抬笔架，将换能器与本机接通。机械-电换能器与 A1B1、血压换能器与 A2B2 分别组成放大系统（图 1—47）。

在记录仪运转前，放大系统必须调零。零点调节可分级进行：先调后级放大器（A1 或 A2），此时应将后级与前级放大器断开，可用二蕊导线插头插入后级输入插座，使之断路。然后接通放大器，旋转调节旋钮，使描笔居中线位置。然后调节前级放大器（B1 或 B2）的零点。

在接通前级放大器前，应把放大器灵敏度置于最低档。如若调节 A1B1 放大系统，则将 B1 的时间常数旋钮置于交流任一档，旋转 B1 的调零旋钮，使描笔居于中线。再将时间常数置于直流档，旋动灵敏度旋钮，从最低档到最高档逐一转换，描笔均应居中线不动。若有偏移，可调直流平衡旋钮实验时可根据需要确定走纸速度。每做一次实验应注意打标，以示实验的开始与停止，并记录打标的数值。

实验完毕，应断开前、后级放大器的输入、输出开关，将灵敏度置于最低档，抬起笔架，切断电源，拔下插头。

（四）微型计算机（微处理机）随着计算机技术在生物、医学领域广泛的应用，使得原先不易进行的某些生物信息的检测，变得简易可行的了。下面将简略地介绍微型计算机（又称微处理机）的基本构造和特性，了解某些概念和术语，为今后熟练地操作打下初步的基础。

微处理机电子学固态工艺学的发展，使得能够在一块硅芯片内组合多达 1000 个以上的晶体三极管，构成所谓的大规模集成电路，微处理机就是利用这种大规模集成电路所构成的。换句话说，微处理机是根据这种大规模集成电路的原理组成的一种可编程序的逻辑器件。它本身包含了计算机的大部分功能，但它必须连同一组外围系统设备和程序，组成一个完善的工作系统，才能执行预期的任务。
微处理机的基本结构图 1-48 为一台微处理机系统的基本部件方框

图。有 4 个功能部件：存储器、运算器、控制器和输入/输出部件。

一般把计算机的部件和线路称为硬件，而为计算机编写的程序称为软件

（详见后）。一台微处理机如只有硬件而无软件，则只能进行一些极简单的操作。

存储器存储器是存储大量信息的部件，它既存放指令，又存放数据。该部件划分为许多个存储单元，每个单元由一定数量的寄存器组成，每组寄存器能容纳一个计算机字。对每一个这样的单元都标有地址。
运算器又称算术逻辑单元，是对数据进行运算的部件。这里进行的运算有二种：算术运算和逻辑运算。这是一台计算机的中心，大多数的数据流从一处流向另一处时，都要通

过这里。运算器中最主要的寄存器是累加器，在运算以前，累加器用来存放操作数，在运算之后则负责存放结果数。

控制器控制器是用来控制计算机工作的部件。它的功能是自动地接受来自存储器中的逐条指令，并将指令进行译码，向计算机其它部分提供定时指挥信号和同步信号，这些信号使其它部件能传输和处理数据，输入和输出信息。

为了使控制器能够正确地翻译指令，每条指令必须有一定的结构，即称之为指令格式，它的基本信息是操作码和某些指令中的地址码。操作码是一组二进制数，在执行指令时进行什么样的操作，就是根据它的不同来确定的；指令的地址部分，则表示要执行的指令必须从哪个存储单元中取出。

输入/输出部件输入部件从外界接收数据和信息后就送入存储器中；输出部件是用来接收计算结果，并把它们传送给其它外围系统，如生理学实验中的记录仪、示波器等。

在生理学中的生物电位、血压、呼吸等信息，都是一些非离散信息的模拟量或连续量，而计算机对各种信息都是采用有限数字的离散形式的处理，因此，在连续模拟信息与离散数字信息之间必须进行“转换”，实现这种转换的输入/输出设备，称“模-数（A/D）转换器”和“数-模（D/A）转换器”。

软件的概念和计算机语言软件是指计算机中的程序，也就是指计算机按照人们的要求来完成某些特定的功能时的操作步骤。每一步具体的操作即为指令，那些被操作的信息即为数据。所以，这种操作步骤只能是由计算机所能接受的固定指令所组成，我们称为机器语言指令。这是由一系列 0 和 1 组成的最低一级语言。发展下去就是符号语言，这种语言是由可以被解释为指令的数字和字母构成的。然而微机实际执行的程序，所用的只能是机器语言，因此微机在执行时，这种符号语言必须先行翻译成机器语言，这就是汇编程序。

高级语言（Basic，Fortran 等）实际上是很复杂的执行性实用程序包，它包括操作者与计算机之间以某种对话性的术语进行交流所需的全部解释程序和汇编程序。高级语言将这些术语解释和汇编为机器语言的指令，这样，计算机才能识别和运行。用高级语言写的一条命令，有可能产生数百条机器语言指令，以完成预期的操作。

微处理机在生理学中的应用在生理学范畴中，微处理机的应用和推广已日益受到重视，各个领域都受到这项崭新技术的挑战。例如，心脏单个细胞跨膜电位的测定，传统的方法是把从微电极引导到的电位变化经放大后显示在荧光屏上，然后拍照记录，底片经冲洗后用分规、直尺对电位各参数进行测量，这不仅工作量大，而且容易产生误差。利用微处理机对跨膜电位进

行测量，从微电极记录到的电位经放大后送入计算机 A/D 转换线路，然后在预先编写好的程序控制下，对各参数迅速进行计算，并把计算结果经 D/A 接口输出至打印机，以图表形式把动作电位波形和各参数及时打印出来，这不仅提高了工作效率，而且计算结果精确可靠。又如，利用微处理机的叠加功能，可把淹没在背景噪声中的微弱信号分离出来。在软件的控制下，微处理机还可把各种计算结果绘制成坐标图、直方图和表格等。

随着科学技术的发展，各类微处理机的硬件和软件都在不断得到改良和完善，这必将在生理学的各个领域得到愈来愈广泛的应用。

（解景田、李震元）