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Pulse Sensor

台灣樹莓派 <[email protected]>May 15, 2017/YMU

姓名標示 — 非商業性 — 相同方式分享

CC (Creative Commons)

姓名標示 — 你必須給予適當表彰、提供指向本授權條款的連結，以及指出（本作品的原始版本）是否已被變更。你可以任何合理方式為前述表彰，但不得以任何方式暗示授權人為你或你的使用方式背書。

非商業性 — 你不得將本素材進行商業目的之使用。

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● Raspberry Pi官方經銷商

about 台灣樹莓派

http://farnell.com/raspberrypi-consumer/approved-retailers.php?region=apac&MER=MER-LM-OB-RPICC-76315

● 專注於 Raspberry Pi 應用與推廣

● 舉辦社群聚會 / 工作坊 / 讀書會 /黑客松

● Website :● https://www.raspberrypi.com.tw/

● Facebook : ● 搜尋 RaspberryPi.Taiwan● https://www.facebook.com/RaspberryPi.Taiwan

about 台灣樹莓派

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● COSCUP, MakerConf, PyCon講者

● 投影片

● http://www.slideshare.net/raspberrypi-tw/presentations

● 程式碼

● https://github.com/raspberrypi-tw

分享 x 社群

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http://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_Things

● Chemical(化學訊號 )● Neurotransmitters(神經傳遞物質 )● Hormones(賀爾蒙)● Intracellular signal transmitters● Specific receptor binding(特定的受器結合 )

● Electrical(電訊號 )● Nerve and muscle cells(神經與肌肉 )

● Mechanical (機械訊號 )● Mechanomyogram(MMG)

Bio-Signal ( 生理訊號 )

http://cc.ee.ntu.edu.tw/~ultrasound/belab/course_files/01_bio_signal_biopac/Exp1%20105-2_print.pdf

● 心電圖 (ECG, Electrocardiography)● 腦波圖 (EEG, Electroencephalography)● 肌電圖 (EMG, Electromyography)● 胃腸電圖 (EGG, Electrogastrogram)● 視網膜電圖 (ERG, Electroretinogram)● 眼電圖 (EOG, Electrooculography)

常見生理電訊號 (BioElectrical Signals)

http://cc.ee.ntu.edu.tw/~ultrasound/belab/course_files/01_bio_signal_biopac/Exp1%20105-2_print.pdf

● 光體積變化掃描圖(PPG, Photoplethysmography)● 光學測量方法(穿透/反射)

● 心電描記術/心電圖(ECG, Electrocardiography)● 電學測量方法(生物阻抗量測)

心律感測技術

http://daily.ctia.org/files/WIRELESS2011/showsite/doc/RC_-_Noninvasive_Cuffness.pdf

● 心律(HR, Heart Rate)● 每分鐘心跳數(BPM, Beats Per Minutes)● 心律變異性(HRV, Heart Rate Variability)● 心跳間隔(IBI, Inter-beat Interval)

名詞解釋

https://www.sweetwaterhrv.com/documents/hrvbackground.pdf

心律和脈博

http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=63780

● PPG量測血管中血流量 (血紅素 ) 的變化

● 通常綠色光量手腕 , 紅色光或紅外光量手指

反射光脈搏測量原理

http://goo.gl/b2Poa8

● 光反射的強度 = 血流量的變化 = 心臟律動的結果

PPG 測量中檢測器訊號的產生

http://goo.gl/b2Poa8

脈搏感測器 (Pulse Sensor)

https://www.sparkfun.com/products/11574

近看感測器

https://www.sparkfun.com/products/11574

APDS-9008 環境光感測器

530nm 綠色光源

接地3.3V訊號輸出

16

線路圖MCP3008 RPiCLK Pin23 (SCLK)Din Pin19 (MOSI)Dout Pin21 (MISO)CS Pin24 (CE0)

使用脈博感測器

用魔鬼氈固定

19

● $ sudo raspi-config

啟用 Raspberry Pi 的 SPI

20



21



22

from spidev import SpiDev

●

● class mcp3008:

● def __init__(self, bus = 0, device = 0):

● self.bus, self.device = bus, device

● self.spi = SpiDev()

● self.open()

● def open(self):

● self.spi.open(self.bus, self.device)

● def read(self, channel = 0):

● adc = self.spi.xfer2([1, (8 + channel) << 4, 0])

● data = ((adc[1] & 3) << 8) + adc[2]

● return data

● def close(self):

● self.spi.close()

類比轉數位 (Analog Digital Converter)

23

from mcp3008 import mcp3008

● import time

●

● adc = mcp3008(0, 0)

●

● try:

● while True:

● signal = adc.read(0)

● print "Signal:{0}".format(signal)

● time.sleep(0.005)

●

● except KeyboardInterrupt:

● adc.close()

●

●

使用 mcp3008 類別

24

DEMOread_signal.py

$ cd /home/pi/pulse_sensor

$ python read_signal.py

● $ sudo apt-get install python-pyqtgraph

用 PyQtGraph 畫圖

http://www.pyqtgraph.org/

import pyqtgraph as pg

import numpy as np

x = np.arange(0, 360)

y = np.sin(x * np.pi / 180.0)

pg.plot(x, y, title="SIN Plotting")

pg.QtGui.QApplication.exec_()

畫 SIN 波形

如何看畫圖結果？

使用 X11 Forwarding

直接用網路線對接

https://pihw.wordpress.com/guides/direct-network-connection/

● 把Pi設成 .2.2● $ sudo ifconfig eth0 192.168.2.2 netmask 255.255.255.0

● 把Windows

設成.2.1

網路設定

192.168.2.1

DNS 和 gateway 不用設

31

● 安裝 Xming,下一步到底

http://sourceforge.net/projects/xming/

在 Windows 安裝 X Server

32

● SSH > X11 > Enable X11 forwarding

在 Windows 設定 X11 Forwarding

保持空白

33

DEMOpyqtgraph_sin.py


$ python pyqtgraph_sin.py

x1 = np.arange(0, 360, 5)

● y1 = np.sin(x1 * np.pi / 180.0)

●

x2 = x1

y2 = np.cos(x2 * np.pi / 180.0)

●

p = pg.plot(x1, y1, pen='r')

p.plot(x2, y2, pen='b', symbol='o')

●

● pg.QtGui.QApplication.exec_()

●

畫兩條線

36

DEMOpyqtgraph_two_lines.py


$ python pyqtgraph_two_lines.py

p = pg.plot()

● p.setRange(QtCore.QRectF(X_MIN, Y_MIN, X_MAX, Y_MAX))

● curve = p.plot(size=10)

● data = [0]

● ptr = 0

●

● def update():

● global curve, data, ptr

● y = int(np.random.rand()*100)

● data.append(y)

● curve.setData(data)

● if ptr > X_SFT and ptr % 5 == 0:

● p.setRange(QtCore.QRectF(ptr-X_SFT, Y_MIN, X_MAX, Y_MAX))

● ptr += 1

●

● if __name__ == '__main__':

● timer = QtCore.QTimer()

● timer.timeout.connect(update)

● timer.start(100)

● QtGui.QApplication.instance().exec_()

即時資料繪圖

每 100milli second 更新一次

39

DEMOpyqtgraph_realtime.py


$ python pyqtgraph_realtime.py

● 畫一條real time的趨勢線

1.y值範圍是隨機產生的1-200,每50ms更新一次

2.線是綠色,線上的點是藍色的o形狀

● http://www.pyqtgraph.org/documentation/plotting.html

練習

41

如何根據 Signal計算 IBI 與 BPM?

ECG Waves

http://www.merckmanuals.com/professional/cardiovascular-disorders/cardiovascular-tests-and-procedures/electrocardiography

43

● P wave:心房去極化

● PR interval:心房開始去極化,正常0.1s-0.2s● QRS complex:心室去極化的時間,正常<0.1s● QT interval:心室去極化+心室再極化,正常<0.43s● ST segment:心室早期的再極化

● T wave:心室再極化

● U wave:通常出現在有低鉀血症,低鎂血症或缺血患者

名詞解釋


心律分析

http://wwwu.tsgh.ndmctsgh.edu.tw/erm/article/EKG.ppt

心房興奮

心房收縮

心房舒張

心室興奮

心室收縮

心室舒張

45

https://ay12-14.moodle.wisc.edu/prod/pluginfile.php/48611/mod_resource/content/1/heart_as_pump.html

● 從原始訊號 (Signal) 看 ,R 是我們感興趣的

解讀原始訊號

RR Interval 表示 IBI, 通常在 500-1000ms

IBI 的平均數倒數後乘以 1000,再乘以 60就是 BPM

找出波峰和波谷 ,計算門檻值 (Thresh)

P: 波峰 (Peak)

https://pulsesensor.com/pages/pulse-sensor-amped-arduino-v1dot1

T: 波谷 (Trough)

Thresh=((P-T)/2)+T

48

● 如果進入到光感測器的量恆定,Signal會接近512● 對每一個Signal做分析:

● 找出任意的Beat值,條件是

1.Beat > Thresh

2.IBI > 250

– 如果符合條件,儲存IBI,並計算10個IBI的平均● 如果在2500ms內沒找到,重置所有變數再找

● 詳細說明:http://goo.gl/EQIWJ9

訊號分析演算法

49

● def update():

● bpm = ps.BPM

● signal = ps.Signal

● ibi = ps.IBI

●

● if bpm > 0:

● ...

● if ptr > X_SFT and ptr % 5 == 0:

● p.setRange(QtCore.QRectF(ptr-X_SFT, Y_MIN, X_MAX, Y_MAX))

● ptr += 1

●

● if __name__ == '__main__':

● timer = QtCore.QTimer()

● timer.timeout.connect(update)

● timer.start(0)

● QtGui.QApplication.instance().exec_()

繪圖 (pyqtgraph_pulse.py) 是程式進入點

50

● class Pulsesensor:

● def __init__(self, channel = 0, bus = 0, device = 0)

● self.channel = channel

● self.BPM = 0

● self.adc = mcp3008(bus, device)

● self.Signal = 0

● self.IBI = 0

●

● def getBPMLoop(self)

● def startAsyncBPM(self):

● self.thread = threading.Thread(target=self.getBPMLoop)

self.thread.start()

●

● def stopAsyncBPM(self)

●

pulsesensor.py 是資料來源

51

● 對每一個Signal做分析:

● 找出任意的Beat值,條件是

1.Beat > Thresh

2.IBI > 250

if N > 250:

if self.Signal > thresh and Pulse == False and N > (self.IBI/5.0)*3:

self.IBI = sampleCounter – lastBeatTime

如果符合條件,儲存IBI,並計算10個IBI的平均

rate[-1] = self.IBI

runningTotal = sum(rate)

runningTotal /= len(rate)

self.BPM = 60000/runningTotal● 如果在2500ms內沒找到,重置所有變數再找

getBPMLoop()做訊號分析

52

DEMOread_pulse.py


$ python read_pulse.py

53

DEMOpyqtgraph_pulse.py


$ python pyqtgraph_pulse.py

藍色 :BPM

綠色 :Signal

紅色 :IBI

● $ ctrl + z

讓程式暫停下來

按 ctrl+z後會暫停

● $ jobs -l

找出目前的 PID

PID 為 826

● $ kill -9 <PID>

終止目前程序

PID 為 826

58

從圖中可看出什麼資訊嗎？

59

異常心電圖的解釋 ( 原文 )


Component Description Possible Causes

P waves Abnormal Left or right atrial hypertrophy

P waves Absent Atrial fibrillation

P-P interval Varying Sinus arrhythmia

P-P interval Long First-degree atrioventricular block

P-P interval Varying Mobitz type I atrioventricular block

QRS complex Wide Right or left bundle branch block

QT interval Long Myocardial infarction

QT interval Short Hypercalcemia

ST segment Depression Myocardial ischemia

ST segment Elevation Myocardial ischemia

T wave Tall Hyperkalemia

T wave Small,flattened Myocardial ischemia

U wave Prominent Hypokalemia

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異常心電圖的解釋 ( 中文 )


Component Description Possible Causes

P waves 異常左或右心房肥大

P waves 缺少心房顫動

P-P interval 變異竇性心律不齊

P-P interval 過長第一級的心房傳導阻滯

P-P interval 變異 Mobitz型心房傳導阻滯

QRS complex 過寬右或左的束支傳導阻滯

QT interval 過長心肌梗死

QT interval 過短高鈣血症

ST segment 下降心肌缺血

ST segment 上升心肌缺血

T wave 過高高鈣血症

T wave 小,或扁平心肌缺血

U wave 突出低鉀血症

● 先讀取 BPM 數值 (假設數值是 80),增加一個LED,讓 BPM+10條件發生時 ,LED燈亮

● 當低於 BPM+10時 ,LED燈熄滅

練習

● 正確的脈博訊號是長怎樣？● 如何儲存與顯示脈博資訊？

問題與討論

63

Raspberry Pi Rocks the World

Thanks

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