基于PanTompkins心电波形R峰识别在RT-Thread+RA6M4上的实现
基于PanTompkins心电波形R峰识别在RT-Thread+RA6M4上的实现作者：David528原文链接：https://club.rt-thread.org/ask/article/7d0c454776ea3aa3.html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：
[*]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：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：
[*]// 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
[*]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。
[*]while (1)
[*] {
[*] dataType data = 0;
[*] char ch;
[*] char str;
[*] 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 = 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 = 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。
[*] rt_sem_take(&sem_full, RT_WAITING_FOREVER);
[*]
[*] rt_sem_take(&sem_lock, RT_WAITING_FOREVER);
[*]
[*] num = pc_buffer;
[*] 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。
[*] 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：
[*]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)
[*] R = int(array)
[*] 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()
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
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