基于双正交小波变换的心电信号QRS波检测系统

资 源 简 介

该项目提供了一套用于心电信号（ECG）中QRS波群自动识别与检测的完整MATLAB源码。QRS波群反映了心室除极的过程，是心电信号中最显著且具有重要临床意义的特征波形。本项目利用双正交小波变换的可重构性和线性相位特性，对原始心电信号进行多尺度分解，能够有效克服信号处理过程中的相位畸变问题。 系统通过预处理模块滤除基线漂移和工频干扰，随后在特定的小波分解尺度下提取反映R波特征的模极大值对。通过设置自适应阈值并结合窗口搜索算法，系统可以准确锁定R波的峰值位置，并以此为基础进一步识别Q波和S波。该算法在处理复杂

详 情 说 明

基于双正交小波变换的心电信号QRS波检测系统

项目介绍

本项目是一套基于MATLAB开发的心电信号（ECG）自动分析系统，核心功能是识别心电信号中的QRS波群（包括Q波、R波、S波）。系统采用双正交小波变换作为核心算法，充分利用其可重构性和线性相位特性，在提取信号特征的同时有效避免相位畸变，确保波形定位的精确性。通过多尺度能量积增强和自适应阈值技术，该系统能够从含有强噪声（如工频干扰、基线漂移和肌电噪声）的复杂信号中准确提取心搏特征。

功能特性

1. 自动化信号仿真与生成 内置心电信号合成功能，可模拟生成包含P波、QRS波群和T波的标准ECG波形，并支持模拟心率变异性。

2. 鲁棒的预处理模块 集成了50Hz工频陷波器和基线漂移校正算法（高通滤波），能有效清除临床监护中常见的低频波动和高频干扰。

3. 多尺度特征增强 利用双正交小波对信号进行5层分解，通过第二、三、四尺度的细节系数重构与乘积运算，最大限度地突出QRS复合波的能量。

4. 高精度波峰定位 采用自适应动态门限搜索算法，通过指数加权移动平均动态调整检测阈值，并配合窗口极大值搜索提取R波，进而精准定位Q波和S波。

5. 临床参数分析与可视化 实时计算瞬时心率与平均心率，并提供包含原始信号、小波细节系数、波峰识别标记及心率变化趋势的四位一体可视化界面。

实现逻辑与算法流程

第一阶段：参数初始化与信号模拟 系统首先设置采样频率（360Hz）和信号时长。通过合成函数生成带有随机心率波动的纯净心电信号，随后叠加50Hz正弦干扰、低频正弦基线漂移以及高通白噪声，构建贴近实际采集环境的待处理数据。

第二阶段：复合滤波预处理 系统采用零相移滤波（filtfilt）技术。首先通过IIR陷波器（iirnotch）滤除50Hz工频噪声，随后使用2阶巴特沃斯高通滤波器去除呼吸引起的基线漂移，还原稳定的心电基线。

第三阶段：双正交小波分解与尺度选择 选取bior3.3小波基函数进行5层多分辨率分析。实验表明，QRS波群的特征主要分布在第2、3、4尺度。系统提取这些尺度的细节系数并重构至原始长度。

第四阶段：多尺度能量积运算 为了抑制P波、T波以及残余噪声，系统将重构后的D2、D3、D4系数绝对值进行点乘运算，产生合成增强信号。这种非线性处理能让QRS波群产生的突变点更加尖锐，显著提高信噪比。

第五阶段：动态检测与峰值纠偏 系统设定一个基于首段信号最大值的初始阈值，并在滑动窗口内搜索局部极值。一旦检测到特征点，系统会启动动态更新机制，根据当前峰值强度按比例（10%:90%）更新阈值。R波确定后，在R波周围±40ms搜索原始信号极大值进行校准，并各外扩60ms寻找极小值作为Q点和S点。

第六阶段：临床指标输出 通过计算相邻R波之间的时间间隔（RR间期），系统自动换算出瞬时心率值，并统计全段信号的平均BPM。

核心技术细节

1. 线性相位保障 采用双正交小波（bior3.3）相比于普通离散小波，其最大的优势在于对称性和线性相位，这保证了在重构信号定位R波时，不会因为相位平移导致检测出的波峰位置偏离原始生理位置。

2. 自适应阈值算法 系统实现了带有“最小距离约束（200ms）”的动态搜索逻辑。这一设计屏蔽了早搏或单次干扰带来的误检风险，且EMA（指数移动平均）阈值更新策略使其能适应心电信号幅度的缓慢衰减或突跳。

3. 窗口细化搜索 由于小波系数的特征点反映的是信号的变化率，直接定位可能存在样点误差。系统返回原始滤波信号，在预选框内进行细化的极大值/极小值定位，确保了QRS检测的解剖学准确性。

系统使用说明

1. 运行步骤

• 将源码文件放入MATLAB路径。
• 直接运行主函数。
• 程序将自动生成包含噪声的心电信号并执行全流程检测。

2. 结果解读

• 图表1：展示去噪前后的ECG波形对比。
• 图表2：展示双正交小波第三尺度的系数，可观察到QRS对应位置的明显跳变。
• 图表3：在预处理后的波形上，用红叉标注R波、绿方块标注Q波、蓝圆圈标注S波，并显示平均心率。
• 图表4：实时显示整段信号的心率波动曲线。

3. 关键参数修改

• 若处理真实数据，可修改采样频率Fs。
• 动态阈值比例（0.4）和能量平滑窗口（0.1s）可根据具体信号质量进行微调。

环境要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）。
• Wavelet Toolbox（小波工具箱）。