RT-Thread-基于RT-Thread+RA6M4的心电波形R峰识别PanTompkins实现RT-Thread问答社区

基于RT-Thread+RA6M4的心电波形R峰识别PanTompkins实现

发布于 2022-07-11 19:58:50 浏览：820 订阅该版

[tocm]

## 应用背景

目前中国心血管病患病率处于持续上升阶段，心血管病死亡率仍居首位，农村和城市心血管病分别占死因的45.91%和43.56%。心血管疾病是危害人体健康的重要疾病之一，通过穿戴式医疗监护设备监测患者日常生活状态下连续24小时或更长时间心电活动全过程，并借助计算机技术分析心电活动异常特征，是长期预防监测心血管疾病的主要手段。心电信号波形识别是心电信号分析诊断的关键,其准确性与可靠性决定诊断与治疗心血管病患者的效果。一个完整的心拍主要包括P波、QRS波群和T波等。心脏疾病发作时一般都会伴随着心电波形的变化，比如心率不齐往往伴随着QRS波群异常，因此心电信号波形识别对心血管疾病预防和诊断起着重要作用。

## 实现功能

目前心电信号波形识别主要方法是传统数学形态学方法，在形态学方法中，R峰的识别是其他波形识别的基础，本文是基于PanTompkins 算法的开源代码进行移植和改造，对开源代码增加了适用于RT-Thread系统的生产者与消费者模型的R峰识别技术实现。根据采集到的心电图数据，实时绘制心电波形和识别到R峰，在下图示例中绘制了心电波形图形（白色）和R峰识别的标注位置（红色竖线）。

![无标题.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220711/986ea8f8626cda610d1838c9958f44da.png.webp "无标题.png")

## 系统架构

![Catch(07-15-10-15-14).jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220715/97ebcf6bbed87a1464e5adcdda7df3e0.jpg.webp "Catch(07-15-10-15-14).jpg")

## 实现步骤
### 1、	新建项目
使用RT-Thread studio 新建一个基于开发板的CPK-RA6M4 的一个RT-Thread 项目。

![1.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220711/f32ef49e50c0b318b0c4c38b82ee1165.png "1.png")

### 2、	关闭系统控制台和Shell串口的输入输出：
由于本人手头硬件资源少，只有一个串口（USB 转ttl ）转换器。因此需要关闭系统控制台和Shell串口的输入输出，以便独立使用这个串口进行ECG数据的输入和计算结果的输出。
在配置头文件rtconfig.h 中，关闭如下配置：
```c
关闭控制台串口输出：
//#define RT_USING_CONSOLE
关闭Shell功能：
//#define RT_USING_FINSH
```

### 3、	硬件接入
主要就是一个主卡和USB 转ttl 串口转换器，接入方法比较简单。如图：

![2.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220711/ad5da721849545fc1cf5482b04f71191.jpg.webp "2.jpg")

### 4、	对开源PanTompkins 算法增加生产者和消费者的支持
（1）首先使用RT-Thread的rt_sem_init方法初始化生产者与消费者和串口接收所需要的信号量：
```c
// 初始化生产者与消费者使用的信号量
rt_sem_init(&sem_lock, "lock",     1,      RT_IPC_FLAG_PRIO);
rt_sem_init(&sem_empty, "empty",   MAXSEM, RT_IPC_FLAG_PRIO);
rt_sem_init(&sem_full, "full",     0,      RT_IPC_FLAG_PRIO);

// 初始化串口接收使用的信号量
rt_sem_init(&rx_sem, "rx_sem", 0, RT_IPC_FLAG_FIFO);
```

（2）使用RT-Thread的rt_device_find和rt_device_open方法打开设备名称uart7的串口
```c
serial = rt_device_find(SAMPLE_UART_NAME);
if (!serial)
{
	  rt_kprintf("find %s failed!\n", SAMPLE_UART_NAME);
}

res = rt_device_open(serial, RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);
if (res == RT_EOK)
{
	rt_device_set_rx_indicate(serial, uart_input);
}
```

（3）生产者的实现主要源码片段
该部分是基于串口接收，做了无限循环接收串口数据，由于模拟发到板卡的每一条心电数据都包含了\n，所以使用\n 作为每条心电数据结束标志。接收到一条心电数据后就放到消费buffer中。

```c
  while (1)
    {
        dataType data = 0;
        char ch;
        char str[10];
        int i = 0;

while (1)
        {
            if (rt_device_read(serial, -1, &ch, 1) != 1) {
                rt_sem_take(&rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);
                continue;
            }
            if (ch != '\n') {
                str[i] = ch;
                if ( i < (sizeof(str) - 1))
                    i ++;
            }
            else {
                data = atoi(str);
                break;
            }
        }

rt_sem_take(&sem_empty, RT_WAITING_FOREVER);

rt_sem_take(&sem_lock, RT_WAITING_FOREVER);

pc_buffer[pc_in] = data;
        pc_in = (pc_in + 1) % MAXSEM;

rt_sem_release(&sem_lock);

rt_sem_release(&sem_full);
    }

```

（4）消费者的实现主要源码片段
这部分就是经典教科书消费者实现代码，不做解释了。该部分代码是PanTompkins 算法的数据输入实现。
```c
    rt_sem_take(&sem_full, RT_WAITING_FOREVER);

rt_sem_take(&sem_lock, RT_WAITING_FOREVER);

num = pc_buffer[pc_out];
    pc_out = (pc_out + 1) % MAXSEM;

rt_sem_release(&sem_lock);
    rt_sem_release(&sem_empty);
```

（5）最后使用RT-Thread线程创建方法rt_thread_create、rt_thread_startup创建和启动两个线程，一个是生产者一个是消费者。

```c
    tid = rt_thread_create("thread1",
                            producer_thread_entry, (void*)0,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
    if (tid != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid);

tid = rt_thread_create("thread2",
                            consumer_thread_entry, (void*)0,
                            THREAD_STACK_SIZE,
                            THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);
    if (tid != RT_NULL)
        rt_thread_startup(tid);
```

### 5、	Python实现ECG数据模拟输入和ECG绘制。
在心电图数据模拟输入和绘制实现部分，在主入口函数部分，首先开启一个串口COM3，然后创建并启动两个线程，一个是发送模拟的ECG数据，一个是接收ECG数据和识别结果。在绘制ECG波形和R峰（红竖线）源码中，使用了QTimer及pyqtgraph绘制的ECG图形。全部实现的Python源码：

```python
import serial
import threading
import time
import pyqtgraph as pg

# ECG 频率
FS = 360

#通过串口向板卡模拟发送ECG数据
def sendECGData(ser):
    with open('test_input.txt', 'r') as f:
        for s in f.readlines():
            ser.write(s.encode())
            time.sleep(1.0/FS)

#存储5秒内的ECG数据及识别结果
ay = []
def recvECGData(ser):
    global ay
    len = 5 * FS - 1
    while True:
        if ser.in_waiting:
            str = ser.readline(ser.in_waiting).decode()
            str = str.replace("\n","")
            print(str)
            ay = ay[-len:]
            ay.append(str)

#绘制ECG波形和R峰（红竖线）
p1 = None
def plotData():
    data = []
    i = -22
    pos = []
    for str in ay:
        array = str.split(',')
        signal = int(array[0])
        R = int(array[1])
        i = i + 1
        if R == 1:
            pos.append(i)
        data.append(signal)
    p1.clear()
    p1.plot(data)
    for p in pos:
        p1.addLine(x=p, pen = 'r')

#使用QTimer及pyqtgraph绘制ECG图形
def drawECGData():
    app = pg.QtGui.QApplication([])
    view = pg.GraphicsView()
    l = pg.GraphicsLayout()
    view.setCentralItem(l)
    view.show()
    global p1
    p1 = l.addPlot(title='绘制ECG图形')

timer = pg.QtCore.QTimer()
    timer.timeout.connect(plotData)
    timer.start(1000)
    app.exec_()

#主入口函数
if __name__ == '__main__':
    #开启串口
    ser = serial.Serial('COM3', 115200, timeout=0.01)

#开启两个线程，一个是发送模拟的ECG数据，一个是接收ECG数据和识别结果
    t1 = threading.Thread(target=sendECGData, args=(ser,))
    t2 = threading.Thread(target=recvECGData, args=(ser,))
    t1.start()
    t2.start()

#主线程实时绘制ECG图形
    drawECGData()
```

## 演示视频
[演示视频](https://www.bilibili.com/video/BV1BT411g7Ks/?vd_source=d6d8abe3d709e147c4531d248fb88935 "演示视频")

**项目源码**
https://gitee.com/david528/rt-thread-pan-tompkins.git

## 参考资料
1、	PanTompkins 开源实现：
https://github.com/rafaelmmoreira/PanTompkinsQRS
2、	基于 RT-Thread Studio的CPK-RA6M4 开发环境搭建指南：
https://mp.weixin.qq.com/s/phEV5jGjTOoe7Y0ihI6ftg