基于J2ME的脉搏波测量系统设计

摘要：为降低成本、提高便携性和二次开发性，设计了一种基于J2ME的脉搏波测量系统。与传统设备昂贵且笨拙的有创测量脉搏信号系统的仪器相比，该方案采用了无创光电容积脉搏波法，使用简易、低成本、通用性高的C8051F330单片机作为信号采集控制单元，在蓝牙手机上使用J2ME显示和存储脉搏信号。结果表明，系统数据误差控制在10％以内，并且系统的成本降低50％以上、体积减少5％以上、二次开发程度高。
关键词：J2ME；蓝牙；C8051F330；光电容积；脉搏波

在我国传统医学中，脉诊在中医诊断中占有重要地位，脉诊就是从脉搏信号中感知人体的病理信息。随着现代科技的发展，特别是信号检测处理技术及计算机技术等信息技术的发展，人们对脉搏信号的检测分析进行了很多有意义的研究。脉搏波可看成主要是由心脏的收缩与舒张以及血液在沿血管的流动过程中所遇到的各种阻力相互作用而形成的，其中包含了丰富的人体内各器官的生理和病理信息，具有干扰强、频率低、采集困难等特点。准确地检测脉搏信号对于预防心血管系统疾病的发生以及对诊治过程给予科学合理的指导、提高人们身心健康水平、提高人民生活质量均具有重要的科学和社会意义。
传统检测血氧脉搏信号普遍采用大型医疗设备，这类设备一般由传感器有创采集信号，有线传输显示在仪器面板上，受测者感觉痛苦并且仪器成本昂贵且携带不方便，无法做到随时随地进行监测。该系统采用无创光电容积脉搏波描记法配合J2ME开发检测程序，不仅成本低廉、便于携带，而且还开发了数据库存储功能，将血氧脉搏信号通过蓝牙技术无线传输，手机端接收并记录每次检测的脉搏数据便于用户对比判断自身一段时间内的健康状况，同时在手机端实时显示数据。其通用性和实用性以及便携性都有很大的提高。

1 系统基本原理
光电容积脉搏波描记法(Photo Plethyamo Graphy，PPG)是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器。在此过程中由于受到指端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用检测器检测到的光强度将减弱。其中皮肤肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，面皮肤内的血液容积在心脏作用下星搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最大，检测到的光强度量小，而在心脏舒张时正好相反，检测到的光强度量大，使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化。在恒定波长的光源的照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量判人体的脉搏信号。

2 系统硬件设计
系统由指端采集器和具有蓝牙传输数据功能的手机构成。指端采集器由Silcon Labs公司的C8051F330作为主控芯片，采集端使用940 nm红外发射管和光敏电阻，传输模块采用广州汇承信息科技有限公司生产的HC-05蓝牙串口通讯模块，显示与存储设备为含有蓝牙模块的手机。
整体设计结构图如图1所示。

2．1 采集与放大电路设计
人体血液中的氧合血红蛋白(HbO2)和没被氧合还原血红蛋白(Hb)对于不同波长光的吸收系数是不同的。在波长600～700nm的红光范围内，Hb的吸收系数比HbO2的大，而在波长800～1 000 nm的红外光范围内，Hb的吸收系数比HbO2的小，在805 nm处两者相同，在红光660nm和红外光940nm处吸收系数差异较大，目前，均采用该波长附近的红光和红外光进行双谱定量分析检测，并且在红光660 nm和红外光940nm附近，Hb和HbO2的吸收系数变化曲线都比较平坦，受二极管发光波长误差影响也较小，所以系统采用940 nm光源进行脉搏波的检测。采集及放大电路如图2所示。

光电传感器拾取的脉搏信号十分徽弱，仅为毫伏量级，所以要求前置放大电路满足下述要求：1)高输入阻抗。光电信号是不稳定的内阻变化的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗，所以要求放大器具有高的输入阻抗；2)低噪声、低漂移。可以减小信号源的影响，增强信号的拾取能力，使输出稳定。R6为光敏电阻，用于接收来自红外管发射的脉搏信号。正常人体脉搏信号频率约在0.3～3.33Hz之间，电路中C4与R8、C3与R9分别构成RC高通滤波器，高通截止频率为约为0.33Hz，C2与R2构成低通滤波器截止频率约为3.4Hz，将有效频率范围外的工频干扰和其他高频干扰滤除。放大器采用LM358，其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。第一级运算放大器从LM358的第5脚输入微弱脉搏信号，在其第7脚获取放大信号，根据运算放大器公式计算可知一级放大8．5倍，然后通过0．3 Hz的高通滤波器，消除第一级放大产生的噪声，进入二级放大，可以计算出二缓放大100倍，因此获取850倍的放大能力，获取到3 V之内的脉搏波信号，且其处于放大而不是截止状态。
2．2 主控电路和蓝牙模块电路设计
主控芯片采用PDIP-20封装的C8051F330单片机，易于焊接，其使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x／805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器／定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、768字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间，仅使用简单的外部电路便可以搭建系统。
HC-05模块采用的是CSR BC417143B蓝牙芯片，同时内置8 M Flash。具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式，在自动连接工作模式下模块又可分为主(MASTER)、从(Slave)和回环(Loopback)3种工作角色。当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接的数据传输；当模块处于命令响应工作模式时能执行AT命令。通过控制模块外部引脚(PIO11)输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换。
这里使用其P0.4与P0.5口作为UART传输口，与蓝牙模块的UART口通信。