基于PanTompkins心电波形R峰识别在RT-Thread+RA6M4上的实现

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）。

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。

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：

1. 关闭控制台串口输出：

2. //#define RT_USING_CONSOLE

3. 关闭Shell功能：

4. //#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：

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：

1. // 初始化生产者与消费者使用的信号量

2. rt_sem_init(&sem_lock, "lock", 1, RT_IPC_FLAG_PRIO);

3. rt_sem_init(&sem_empty, "empty", MAXSEM, RT_IPC_FLAG_PRIO);

4. rt_sem_init(&sem_full, "full", 0, RT_IPC_FLAG_PRIO);

6. // 初始化串口接收使用的信号量

7. 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

1. serial = rt_device_find(SAMPLE_UART_NAME);

2. if (!serial)

3. {

4. rt_kprintf("find %s failed!n", SAMPLE_UART_NAME);

5. }

7. res = rt_device_open(serial, RT_DEVICE_FLAG_INT_RX);

8. if (res == RT_EOK)

9. {

10. rt_device_set_rx_indicate(serial, uart_input);

11. }

（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。

1. while (1)

2. {

3. dataType data = 0;

4. char ch;

5. char str[10];

6. int i = 0;

8. while (1)

9. {

10. if (rt_device_read(serial, -1, &ch, 1) != 1) {

11. rt_sem_take(&rx_sem, RT_WAITING_FOREVER);

12. continue;

13. }

14. if (ch != 'n') {

15. str[i] = ch;

16. if ( i < (sizeof(str) - 1))

17. i ++;

18. }

19. else {

20. data = atoi(str);

21. break;

22. }

23. }

25. rt_sem_take(&sem_empty, RT_WAITING_FOREVER);

27. rt_sem_take(&sem_lock, RT_WAITING_FOREVER);

29. pc_buffer[pc_in] = data;

30. pc_in = (pc_in + 1) % MAXSEM;

32. rt_sem_release(&sem_lock);

34. rt_sem_release(&sem_full);

35. }

（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。

1. rt_sem_take(&sem_full, RT_WAITING_FOREVER);

3. rt_sem_take(&sem_lock, RT_WAITING_FOREVER);

5. num = pc_buffer[pc_out];

6. pc_out = (pc_out + 1) % MAXSEM;

8. rt_sem_release(&sem_lock);

9. 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。

1. tid = rt_thread_create("thread1",

2. producer_thread_entry, (void*)0,

3. THREAD_STACK_SIZE,

4. THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);

5. if (tid != RT_NULL)

6. rt_thread_startup(tid);

8. tid = rt_thread_create("thread2",

9. consumer_thread_entry, (void*)0,

10. THREAD_STACK_SIZE,

11. THREAD_PRIORITY, THREAD_TIMESLICE);

12. if (tid != RT_NULL)

13. 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：

1. import serial

2. import threading

3. import time

4. import pyqtgraph as pg

6. # ECG 频率

7. FS = 360

9. #通过串口向板卡模拟发送ECG数据

10. def sendECGData(ser):

11. with open('test_input.txt', 'r') as f:

12. for s in f.readlines():

13. ser.write(s.encode())

14. time.sleep(1.0/FS)

16. #存储5秒内的ECG数据及识别结果

17. ay = []

18. def recvECGData(ser):

19. global ay

20. len = 5 * FS - 1

21. while True:

22. if ser.in_waiting:

23. str = ser.readline(ser.in_waiting).decode()

24. str = str.replace("n","")

25. print(str)

26. ay = ay[-len:]

27. ay.append(str)

29. #绘制ECG波形和R峰（红竖线）

30. p1 = None

31. def plotData():

32. data = []

33. i = -22

34. pos = []

35. for str in ay:

36. array = str.split(',')

37. signal = int(array[0])

38. R = int(array[1])

39. i = i + 1

40. if R == 1:

41. pos.append(i)

42. data.append(signal)

43. p1.clear()

44. p1.plot(data)

45. for p in pos:

46. p1.addLine(x=p, pen = 'r')

48. #使用QTimer及pyqtgraph绘制ECG图形

49. def drawECGData():

50. app = pg.QtGui.QApplication([])

51. view = pg.GraphicsView()

52. l = pg.GraphicsLayout()

53. view.setCentralItem(l)

54. view.show()

55. global p1

56. p1 = l.addPlot(title='绘制ECG图形')

58. timer = pg.QtCore.QTimer()

59. timer.timeout.connect(plotData)

60. timer.start(1000)

61. app.exec_()

63. #主入口函数

64. if __name__ == '__main__':

65. #开启串口

66. ser = serial.Serial('COM3', 115200, timeout=0.01)

68. #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

69. t1 = threading.Thread(target=sendECGData, args=(ser,))

70. t2 = threading.Thread(target=recvECGData, args=(ser,))

71. t1.start()

72. t2.start()

74. #主线程实时绘制ECG图形

75. drawECGData()

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