基于动力学建模的人体正常心电信号仿真系统

资 源 简 介

本项目通过MATLAB平台实现对人体在正常生理状态下心电信号（ECG）的精确数学模拟。系统核心采用非线性动力学模型或高斯导数函数组合方法，对心电图中的关键生理波形进行精细刻画，包括代表心房去极化的P波、代表心室去极化的QRS复合波以及代表心室复极化的T波。程序能够根据预设的窦性心律参数，自动计算并生成稳定的R-R间期，确保每个心动周期的波形特征符合医学解剖学常数。此外，该仿真程序支持自定义信号采样率、心率波动范围以及环境噪声水平，可模拟呼吸作用引起的基线漂移及电磁干扰，生成具有高度生物学相似性的原始信号序

详 情 说 明

人体正常状态心电信号（ECG）仿真系统项目介绍

本项目是一款基于MATLAB开发的人体正常生理状态心电信号模拟工具。物理层面上，该系统通过数学建模手段，高度仿真了人体在窦性心律下的电生理活动过程。它不仅能够合成包含P波、QRS复合波及T波的纯净心电波形，还能模拟复杂的临床及环境噪声背景，为生物医学信号处理研究提供高质量的实验数据源。

功能特性

• 精细波形合成：基于高斯合成法对心电图的五个核心生理成分（P, Q, R, S, T）进行独立建模。
• 窦性心律模拟：支持预设心率（BPM），系统自动计算R-R间期以生成稳定的连续跳动波形。
• 多源环境干扰：通过叠加算法模拟了三种真实物理干扰，包括呼吸引起的基线漂移（0.25Hz）、50Hz工频干扰以及高斯白噪声。
• 关键特征点标注：在生成过程中精准捕获每个波峰的时间戳，并支持将数据导出用于后续的算法训练或验证。
• 可视化呈现：提供双维度图形展示，包括完整的连续信号序列图以及精细的单周期P-QRS-T特征展示图。

系统要求

• MATLAB R2016b 或更高版本。
• 无需特殊工具箱支持，完全基于标准数学运算与绘图功能。

使用方法

1. 启动MATLAB软件并将工作路径切换至仿真程序所在目录。
2. 在主工作区直接运行仿真脚本。
3. 程序将自动执行以下流程：

* 按照预设的采样率（默认为1000Hz）和时长（10秒）初始化时间轴。 * 根据心率参数生成心动周期序列。 * 在动态绘图窗口中展示混叠噪声前后的对比结果。

1. 运行结束后，可在当前文件夹下查阅导出的特征点表格文件及结构化信号数据文件。

核心实现逻辑与算法说明

1. 信号生成模型

程序采用非线性动力学中的高斯合成思想。每一个心动周期并非简单的函数堆叠，而是通过对五个关键生理波形应用高斯核函数公式进行拟合： f(t) = A * exp(-(t-d)^2 / (2*w^2)) 其中：

• A (幅值)：控制波形在电压维度上的高度，如R波具有最大的正向幅值。
• d (时间偏移)：定义波峰相对于R波中心的生理间隔偏移量。
• w (宽度分布)：控制波形的展宽，从而精确区分窄小的QRS波群与宽阔的T波。

2. 局部时间窗口处理

为了优化计算效率，程序在生成心动周期时，采用了局部搜索策略。针对每一个心跳中心，仅在特定的时间窗口（如中心前后数百毫秒内）执行数学运算，避免了对全时间轴的无效遍历，提升了长时仿真时的响应速度。

3. 环境干扰仿真算法

• 基线漂移：通过正弦函数模拟频率为0.25Hz的低频波动，真实反映人体呼吸运动对电极电位的影响。
• 工频干扰：引入稳定的50Hz正弦波成分，模拟医疗环境下电力系统的电磁干扰。
• 白噪声：利用随机函数生成满足正态分布的随机序列，模拟肌电噪声或电子热噪声。

4. 数据导出与持久化

程序实现了内存数据与物理文件的自动化转换。利用数据表结构封装每一跳的P、Q、R、S、T峰值时间戳，并采用标准的表格格式导出。同时，将完整的时间轴坐标、带噪信号序列以及采样率封装为结构化数据，以便在其他信号处理研究（如MATLAB Filter Designer或Python分析工具）中直接调用。

5. 可视化反馈

仿真系统的绘图逻辑分为两部分：上部轴展示带有复合干扰的全流程信号，用于观察基线漂移的宏观趋势；下部轴选取信号中部的典型周期进行放大，并以虚线标注纯净模板，实线标注带噪信号，直观对比生理波形特征点。