基于J2ME的脈搏波測量系統(tǒng)設計

摘要：為降低成本、提高便攜性和二次開發(fā)性，設計了一種基于J2ME的脈搏波測量系統(tǒng)。與傳統(tǒng)設備昂貴且笨拙的有創(chuàng)測量脈搏信號系統(tǒng)的儀器相比，該方案采用了無創(chuàng)光電容積脈搏波法，使用簡易、低成本、通用性高的C8051F330單片機作為信號采集控制單元，在藍牙手機上使用J2ME顯示和存儲脈搏信號。結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)誤差控制在10％以內(nèi)，并且系統(tǒng)的成本降低50％以上、體積減少5％以上、二次開發(fā)程度高。
關鍵詞：J2ME；藍牙；C8051F330；光電容積；脈搏波

在我國傳統(tǒng)醫(yī)學中，脈診在中醫(yī)診斷中占有重要地位，脈診就是從脈搏信號中感知人體的病理信息。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，特別是信號檢測處理技術及計算機技術等信息技術的發(fā)展，人們對脈搏信號的檢測分析進行了很多有意義的研究。脈搏波可看成主要是由心臟的收縮與舒張以及血液在沿血管的流動過程中所遇到的各種阻力相互作用而形成的，其中包含了豐富的人體內(nèi)各器官的生理和病理信息，具有干擾強、頻率低、采集困難等特點。準確地檢測脈搏信號對于預防心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)生以及對診治過程給予科學合理的指導、提高人們身心健康水平、提高人民生活質(zhì)量均具有重要的科學和社會意義。
傳統(tǒng)檢測血氧脈搏信號普遍采用大型醫(yī)療設備，這類設備一般由傳感器有創(chuàng)采集信號，有線傳輸顯示在儀器面板上，受測者感覺痛苦并且儀器成本昂貴且攜帶不方便，無法做到隨時隨地進行監(jiān)測。該系統(tǒng)采用無創(chuàng)光電容積脈搏波描記法配合J2ME開發(fā)檢測程序，不僅成本低廉、便于攜帶，而且還開發(fā)了數(shù)據(jù)庫存儲功能，將血氧脈搏信號通過藍牙技術無線傳輸，手機端接收并記錄每次檢測的脈搏數(shù)據(jù)便于用戶對比判斷自身一段時間內(nèi)的健康狀況，同時在手機端實時顯示數(shù)據(jù)。其通用性和實用性以及便攜性都有很大的提高。

1 系統(tǒng)基本原理
光電容積脈搏波描記法(Photo Plethyamo Graphy，PPG)是借光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創(chuàng)檢測方法。當一定波長的光束照射到指端皮膚表面時，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器。在此過程中由于受到指端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用檢測器檢測到的光強度將減弱。其中皮膚肌肉組織等對光的吸收在整個血液循環(huán)中是保持恒定不變的，面皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下星搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大，檢測到的光強度量小，而在心臟舒張時正好相反，檢測到的光強度量大，使光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化。在恒定波長的光源的照射下，通過檢測透過手指的光強將可以間接測量判人體的脈搏信號。

2 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)由指端采集器和具有藍牙傳輸數(shù)據(jù)功能的手機構(gòu)成。指端采集器由Silcon Labs公司的C8051F330作為主控芯片，采集端使用940 nm紅外發(fā)射管和光敏電阻，傳輸模塊采用廣州匯承信息科技有限公司生產(chǎn)的HC-05藍牙串口通訊模塊，顯示與存儲設備為含有藍牙模塊的手機。
整體設計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2．1 采集與放大電路設計
人體血液中的氧合血紅蛋白(HbO2)和沒被氧合還原血紅蛋白(Hb)對于不同波長光的吸收系數(shù)是不同的。在波長600～700nm的紅光范圍內(nèi)，Hb的吸收系數(shù)比HbO2的大，而在波長800～1 000 nm的紅外光范圍內(nèi)，Hb的吸收系數(shù)比HbO2的小，在805 nm處兩者相同，在紅光660nm和紅外光940nm處吸收系數(shù)差異較大，目前，均采用該波長附近的紅光和紅外光進行雙譜定量分析檢測，并且在紅光660 nm和紅外光940nm附近，Hb和HbO2的吸收系數(shù)變化曲線都比較平坦，受二極管發(fā)光波長誤差影響也較小，所以系統(tǒng)采用940 nm光源進行脈搏波的檢測。采集及放大電路如圖2所示。

光電傳感器拾取的脈搏信號十分徽弱，僅為毫伏量級，所以要求前置放大電路滿足下述要求：1)高輸入阻抗。光電信號是不穩(wěn)定的內(nèi)阻變化的微弱信號，為了減少信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗，所以要求放大器具有高的輸入阻抗；2)低噪聲、低漂移。可以減小信號源的影響，增強信號的拾取能力，使輸出穩(wěn)定。R6為光敏電阻，用于接收來自紅外管發(fā)射的脈搏信號。正常人體脈搏信號頻率約在0.3～3.33Hz之間，電路中C4與R8、C3與R9分別構(gòu)成RC高通濾波器，高通截止頻率為約為0.33Hz，C2與R2構(gòu)成低通濾波器截止頻率約為3.4Hz，將有效頻率范圍外的工頻干擾和其他高頻干擾濾除。放大器采用LM358，其內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。第一級運算放大器從LM358的第5腳輸入微弱脈搏信號，在其第7腳獲取放大信號，根據(jù)運算放大器公式計算可知一級放大8．5倍，然后通過0．3 Hz的高通濾波器，消除第一級放大產(chǎn)生的噪聲，進入二級放大，可以計算出二緩放大100倍，因此獲取850倍的放大能力，獲取到3 V之內(nèi)的脈搏波信號，且其處于放大而不是截止狀態(tài)。
2．2 主控電路和藍牙模塊電路設計
主控芯片采用PDIP-20封裝的C8051F330單片機，易于焊接，其使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標準803x／805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51內(nèi)核具有標準8052的所有外設部件，包括4個16位計數(shù)器／定時器、一個具有增強波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI端口、768字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器(SFR)地址空間，僅使用簡單的外部電路便可以搭建系統(tǒng)。
HC-05模塊采用的是CSR BC417143B藍牙芯片，同時內(nèi)置8 M Flash。具有兩種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作模式，在自動連接工作模式下模塊又可分為主(MASTER)、從(Slave)和回環(huán)(Loopback)3種工作角色。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當模塊處于命令響應工作模式時能執(zhí)行AT命令。通過控制模塊外部引腳(PIO11)輸入電平，可以實現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。
這里使用其P0.4與P0.5口作為UART傳輸口，與藍牙模塊的UART口通信。