基于Pan-Tompkins算法的心电信号分析系统

资 源 简 介

该项目利用MATLAB环境完整实现了Pan-Tompkins实时QRS检测算法，专门用于对动态或静态心电信号进行精准处理与特征提取。系统核心功能包含五个关键阶段：第一阶段为预处理滤波，通过串联低通与高通滤波器构建5-15Hz的带通滤波，有效滤除基线漂移、工频干扰及肌电噪声；第二阶段执行微分运算，旨在突出R波的陡峭斜率特征；第三阶段进行平方变换，放大高频QRS分量并增强信噪比，同时确保所有波形数据正向化；第四阶段应用滑动窗口积分，通过积分窗口长度与采样率的匹配，生成反映QRS能量包络的平滑波形；第五阶段采用

详 情 说 明

基于MATLAB的Pan-Tompkins算法心电图(ECG)信号分析系统

项目介绍

本项目是一个专门用于心电信号（ECG）处理与QRS复合波检测的MATLAB集成系统。它完整实现了经典的Pan-Tompkins实时检测算法，能够从包含噪声的原始心电数据中精准地识别R波位置，并据此计算心率及心率变异性（HRV）相关指标。系统不仅模拟了真实的心电信号产生过程，还针对临床常见的基线漂移、工频干扰和肌电噪声设计了针对性的滤波策略，适用于辅助诊断算法研究及生理信号处理的教学演示。

功能特性

• 全流程算法实现：涵盖了从原始信号输入到特征提取的完整五个阶段。
• 自适应决策机制：采用动态双阈值逻辑，能够自动适应不同信号幅值和噪声强度的变化，具有极强的鲁棒性。
• 高仿真信号生成：系统内置心电模拟器，可生成带有P波、QRS复合波和T波的标准心电波形，并支持注入多种干扰模型。
• 高精度R峰对齐：通过回溯搜索机制，修正了由于积分窗口导致的相位延迟，确保R峰定位在滤波信号的真实极值点。
• 多维度分析报告：实时计算瞬时心率、平均心率、RR间期以及心率变异性指标（SDNN）。
• 直观可视化界面：多子图展示算法运行的中间环节，辅助用户理解信号变换的物理意义。

系统逻辑与实现细节

系统的核心处理逻辑严格遵循Pan-Tompkins算法的五个标准阶段：

1. 模拟与建模阶段

通过高斯函数叠加生成标准的心电特征波形，模拟约75BPM的成人静息心率。在此基础上，系统注入了三类干扰：

• 50Hz工频干扰（正弦噪声）。
• 0.2Hz基线漂移（低频波动）。
• 高斯白噪声（宽带干扰）。

2. 预处理滤波段

为了将能量集中在5-15Hz这一QRS波群最显著的频带内，系统实现了两个串联的数字滤波器：

• 低通滤波器：采用二阶差分方程，有效抑制高频噪声。
• 高通滤波器：利用减法结构实现，彻底消除基线漂移。
• 此阶段通过差分方程而非通用函数实现，保证了运算效率。

3. 特征增强段

• 微分运算：应用五点导数算子来提取R波陡峭的上升斜率特征。
• 平方变换：通过非线性运算将信号能量正向化，进一步拉大QRS波群与P波、T波及残余噪声之间的差距，提高信噪比。

4. 能量包络提取段

• 移动窗口积分 (MWI)：使用一个约150ms（对应采样率的30个采样点）的滑动窗口进行累加平均。该步骤旨在生成反映QRS复合波宽度的脉冲包络，便于后续阈值判定。

5. 自适应检测决策段

这是系统的核心智能模块，包含以下复杂逻辑：

• 初始估计：根据信号前两秒的极大值和平均值建立初始信号水平（SPKI）和噪声水平（NPKI）。
• 双阈值更新：设定检测阈值1和搜索阈值2，并以1/8的增量动态调节阈值，使其随心律变化。
• 不应期机制：设定200ms的不应期，防止出现生理上不可能发生的误检测。
• 峰值对准：通过在积分信号触发检测后的局部窗口内进行反向搜索，精准定位滤波后信号中的R波尖峰。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将系统脚本文件放置于工作目录下。
3. 直接运行主程序函数。
4. 在弹出的图形窗口中观察四级变换曲线：

* 第一层：原始信号与去噪滤波信号对比。 * 第二层：平方特征与积分能量包络。 * 第三层：在滤波信号上标注出的R峰检测结果。 * 第四层：心率随时间变化的阶梯曲线。

1. 查看命令行窗口输出的分析报告，获取平均心率和SDNN等参数。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 工具箱需求：Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱），用于调用局部峰值搜索和移动求和相关辅助函数。
• 硬件建议：标准PC环境即可实现实时处理模拟。