基于J2ME的脈搏波測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為降低成本、提高便攜性和二次開發(fā)性，設(shè)計(jì)了一種基于J2ME的脈搏波測(cè)量系統(tǒng)。與傳統(tǒng)設(shè)備昂貴且笨拙的有創(chuàng)測(cè)量脈搏信號(hào)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(jiǎn)易、低成本、通用性高的C8051F330單片機(jī)作為信號(hào)采集控制單元，在藍(lán)牙手機(jī)上使用J2ME顯示和存儲(chǔ)脈搏信號(hào)。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(guān)鍵詞：J2ME；藍(lán)牙；C8051F330；光電容積；脈搏波

在我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)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(hào)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(hào)檢測(cè)處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)脈搏信號(hào)的檢測(cè)分析進(jìn)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(dòng)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(qiáng)、頻率低、采集困難等特點(diǎn)。準(zhǔn)確地檢測(cè)脈搏信號(hào)對(duì)于預(yù)防心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)生以及對(duì)診治過程給予科學(xué)合理的指導(dǎo)、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(xué)和社會(huì)意義。
傳統(tǒng)檢測(cè)血氧脈搏信號(hào)普遍采用大型醫(yī)療設(shè)備，這類設(shè)備一般由傳感器有創(chuàng)采集信號(hào)，有線傳輸顯示在儀器面板上，受測(cè)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(shí)隨地進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(cè)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(chǔ)功能，將血氧脈搏信號(hào)通過藍(lán)牙技術(shù)無線傳輸，手機(jī)端接收并記錄每次檢測(cè)的脈搏數(shù)據(jù)便于用戶對(duì)比判斷自身一段時(shí)間內(nèi)的健康狀況，同時(shí)在手機(jī)端實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。其通用性和實(shí)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(cè)血液容積變化的一種無創(chuàng)檢測(cè)方法。當(dāng)一定波長(zhǎng)的光束照射到指端皮膚表面時(shí)，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(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)度將減弱。其中皮膚肌肉組織等對(duì)光的吸收在整個(gè)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(dòng)性變化，當(dāng)心臟收縮時(shí)外周血容量最多，光吸收量也最大，檢測(cè)到的光強(qiáng)度量小，而在心臟舒張時(shí)正好相反，檢測(cè)到的光強(qiáng)度量大，使光接收器接收到的光強(qiáng)度隨之呈脈動(dòng)性變化。在恒定波長(zhǎng)的光源的照射下，通過檢測(cè)透過手指的光強(qiáng)將可以間接測(cè)量判人體的脈搏信號(hào)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由指端采集器和具有藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)功能的手機(jī)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(lán)牙串口通訊模塊，顯示與存儲(chǔ)設(shè)備為含有藍(lán)牙模塊的手機(jī)。
整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2．1 采集與放大電路設(shè)計(jì)
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(duì)于不同波長(zhǎng)光的吸收系數(shù)是不同的。在波長(zhǎng)600～700nm的紅光范圍內(nèi)，Hb的吸收系數(shù)比HbO2的大，而在波長(zhǎng)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(zhǎng)附近的紅光和紅外光進(jìn)行雙譜定量分析檢測(cè)，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(zhǎng)誤差影響也較小，所以系統(tǒng)采用940 nm光源進(jìn)行脈搏波的檢測(cè)。采集及放大電路如圖2所示。

光電傳感器拾取的脈搏信號(hào)十分徽弱，僅為毫伏量級(jí)，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(hào)是不穩(wěn)定的內(nèi)阻變化的微弱信號(hào)，為了減少信號(hào)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?？梢詼p小信號(hào)源的影響，增強(qiáng)信號(hào)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(hào)。正常人體脈搏信號(hào)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(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)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(guān)。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(yùn)算放大器的場(chǎng)合。第一級(jí)運(yùn)算放大器從LM358的第5腳輸入微弱脈搏信號(hào)，在其第7腳獲取放大信號(hào)，根據(jù)運(yùn)算放大器公式計(jì)算可知一級(jí)放大8．5倍，然后通過0．3 Hz的高通濾波器，消除第一級(jí)放大產(chǎn)生的噪聲，進(jìn)入二級(jí)放大，可以計(jì)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(hào)，且其處于放大而不是截止?fàn)顟B(tài)。
2．2 主控電路和藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)
主控芯片采用PDIP-20封裝的C8051F330單片機(jī)，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(biāo)準(zhǔn)803x／805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括4個(gè)16位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器、一個(gè)具有增強(qiáng)波特率配置的全雙工UART、一個(gè)增強(qiáng)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(jiǎn)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(lán)牙芯片，同時(shí)內(nèi)置8 M Flash。具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動(dòng)連接工作模式，在自動(dòng)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(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，將自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)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(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。
這里使用其P0.4與P0.5口作為UART傳輸口，與藍(lán)牙模塊的UART口通信。