基于Pan-Tompkins的实时QRS检测算法：便携式ANSI-C实现深入解析

引言

随着医学工程和移动设备技术的进步，实时QRS检测算法在心电图分析中变得越来越重要。其中，Pan-Tompkins算法由于其高效性和准确度，在许多应用中都受到广泛认可。本文将深入探讨此算法的ANSI-C实现，并提供详细的代码实例。

1. Pan-Tompkins算法简介

Pan-Tompkins算法是一个基于时间域的QRS检测方法。它利用QRS波的特性来识别心电信号中的QRS复合体，其主要步骤包括滤波、导数计算、平方、积分和决策规则。

2. 便携式ANSI-C实现

首先，我们需要为QRS检测设置一些基本参数。这些参数将决定滤波器的特性、窗口大小等。

#define SAMPLING_RATE 250 // 样本率
#define WINDOW_SIZE (SAMPLING_RATE/5)  // 积分窗口大小

接下来，实现滤波器。滤波器的目的是消除信号中的高频噪声和低频干扰。

double bandpass_filter(double sample) {static double buffer[6] = {0};double result;// 使用差分方程实现带通滤波器result = 0.03*sample - 0.6*buffer[4] + buffer[5];buffer[5] = buffer[4];buffer[4] = buffer[3];buffer[3] = buffer[2];buffer[2] = buffer[1];buffer[1] = buffer[0];buffer[0] = result;return result;
}

滤波后，计算导数来确定QRS波的斜率。导数可以帮助我们确定QRS复合体的形状。

double derivative(double sample) {static double buffer[5] = {0};double result;result = (2*sample + buffer[3] - buffer[4] - 2*buffer[0])/8.0;buffer[4] = buffer[3];buffer[3] = buffer[2];buffer[2] = buffer[1];buffer[1] = buffer[0];buffer[0] = sample;return result;
}

至此，我们已经完成了算法的初步实现。为了探索后续的平方和积分操作，以及如何根据这些操作的结果做出决策，具体过程请下载完整项目。

3. 平方操作

平方操作是为了增强QRS复合体的斜率并削弱其他噪音。

double square(double sample) {return sample * sample;
}

4. 积分操作

积分窗口用于积累平方值，并对结果进行平滑处理。这使得QRS复合体的峰值更为突出。

double moving_window_integral(double sample) {static double buffer[WINDOW_SIZE] = {0};static int index = 0;static double sum = 0;sum -= buffer[index];sum += sample;buffer[index] = sample;if(++index == WINDOW_SIZE) {index = 0;}return sum / WINDOW_SIZE;
}

5. 决策机制

决策机制基于积分结果来确定QRS复合体。这涉及设定一个阈值，如果积分值超过这个阈值，我们可以认为检测到了QRS复合体。

首先，初始化两个阈值：峰值阈值和QRS阈值。

double peak_threshold = 0;
double qrs_threshold = 0.6; // 可以根据实际情况调整

然后，实现检测函数：

int detect_qrs(double integral_value) {static double recent_peak = 0;static int count_since_last_peak = 0;if(integral_value > peak_threshold) {recent_peak = integral_value;count_since_last_peak = 0;} else {count_since_last_peak++;}if(count_since_last_peak > SAMPLING_RATE/2 && recent_peak > qrs_threshold) {peak_threshold = 0.875 * peak_threshold + 0.125 * recent_peak;recent_peak = 0;count_since_last_peak = 0;return 1;  // QRS detected} else {return 0;  // QRS not detected}
}