基于真實世界數據的嬰兒培養箱溫度性能評價

羊月祺，耿向南，于健偉，許玥，何偉，李鑫，錢英

南京醫科大學第一附屬醫院（江蘇省人民醫院） 臨床醫學工程處，江蘇 南京 210029

引言

嬰兒培養箱是一種恒溫恒濕設備，主要滿足新生兒、早產嬰兒和病弱嬰兒救治需要[1-2]。嬰兒培養箱不僅可為嬰兒提供穩定適宜的溫濕度環境，同時又能便于醫護人員的觀察、護理以及治療，廣泛應用于各級醫院產科、新生兒等科室[3]。據統計，在嬰兒培養箱不良事件的通報中，溫度失控占比高達50%以上[4-5]，溫度失控不僅影響治療效果，還可能引起傷害風險[6]。

真實世界研究（Real World Study，RWS）起源于實用性臨床試驗，真實世界數據（Real World Data，RWD）是指來源于日常所收集的各種與患者健康狀況、診療、保健有關的數據，醫療器械療效評價是將RWD用于臨床應用評價的重要方面之一[7-8]。國家藥品監督管理局于2020年11月印發《真實世界數據用于醫療器械臨床評價技術指導原則（試行）》[9]中對RWD在醫療器械評價工作進行了指導，進一步推動了RWD在醫療器械評價中的應用。

嬰兒培養箱作為提供治療環境的設備，本身不直接參與新生兒的治療環節，因此對于其療效評價的內容主要集中于其安全性和有效性，即能否提供穩定的性能表現。本文從RWD 角度出發，收集我院5年中對各品牌型號嬰兒培養箱的溫度性能記錄，建立模型進行分析，形成一套有效的評價體系，以期對嬰兒培養箱合理選型、臨床應用及維護保障提供一定的指導作用。

1 嬰兒培養箱溫度評價

溫度是嬰兒培養箱性能參數中最重要的指標之一，26、28、30、32、34、36周出生胎齡的嬰兒在出生1周內對溫度要求分別為37.7、37.0、36.3、35.6、35.0、34.3℃，因此合適精準的溫度控制是提高新生兒搶救成功率的重要條件[10]。

1.1 嬰兒培養箱溫控系統

嬰兒培養箱溫度控制系統包含溫度傳感器、溫度控制器、執行機構和控制對象[11]，一般采用熱對流調節方式，以目標箱溫或膚溫控制，令箱體內的溫度達到預設值并保持穩定狀態。無論采用何種控制方式，嬰兒艙內的溫度不僅需要與預設值保持一致，并且艙內各點溫度均勻性和穩定性都需要滿足規范要求。依據GB9706.219-2021醫用電氣設備 第2-19部分《嬰兒培養箱的基本安全和基本性能專用要求》[12]（以下簡稱國標）和JF1260-2010《嬰兒培養箱校準規范》[13]，應對嬰兒艙內5個點溫度進行檢測。嬰兒培養箱的實際溫度以嬰兒艙內墊子表面中心上方10 cm處的空氣實測溫度為準（國標中命名為M點，即嬰兒艙溫度），其余各點（國標中分別命名為A、B、C、D）應在長度和寬度的2等分線形成的4塊面積的中心，各點探頭放置位置如圖1所示。探頭精度、放置位置、溫度控制算法及加熱執行機構（電加熱器、循環風扇）的性能都會對溫度性能產生較大影響[14-15]。

圖1 嬰兒培養箱實測溫度探頭示意圖

1.2 溫度性能檢測指標

1.2.1 溫度偏差（32、36℃）

在穩定溫度狀態時，計算實際測量溫度平均值與顯示溫度平均值之差為溫度偏差，設置溫度為32、36 ℃時的溫度偏差計算如式（1）～（2）所示。

1.2.2 溫度均勻度（32、36℃）

國標中對溫度均勻度的定義為M點的平均溫度與A點、B點、C點、D點的測量平均值之間的差值，并以其最大值為評價對象，見式（3）。

為進一步顯現5個溫度采集點的測量值差異，修正溫度均勻度的計算方法，以M點、A點、B點、C點、D點實測溫度平均值的最大值與最小值之差作為溫度均勻度的評價指標，使其更加嚴格。設置溫度為32℃和36℃時的溫度均勻度的計算如式（4）～（5）所示。

1.2.3 平均培養箱溫度與控制溫度之差（32、36℃）

設置溫度為32℃和36℃時的溫度偏差計算方法見式（6）～（7）。

2 獲取RWD

2.1 RWD獲取來源

根據國家藥品監督管理局于2020年11月印發《真實世界數據用于醫療器械臨床評價技術指導原則（試行）》[9]，對醫療器械進行評價的真實數據來源除登記數據、醫院病歷數據、區域健康醫療數據、醫療保險數據、健康檔案、公共監測數據、患者自報數據、移動設備產生的數據以外，還包括醫療器械生產、銷售、運輸、存儲、安裝、使用、維護、退市、處置等過程中產生的數據，如驗收報告、維修報告、使用者反饋、使用環境、校準記錄、運行日志、影像原始數據等。

嬰兒培養箱溫度相關數據來源可分為來源于第三方標準器的實測數據和來源于嬰兒培養箱本身運行中的所有數據（顯示溫度、設置溫度、溫度報警等）2類。

根據國標要求，溫度參數實測的記錄從達到穩定狀態后開始讀數，檢測采樣點的數量要求為15個，并且每2點之間間隔時間為2 min，即穩定狀態后0.5 h內的檢測結果。為更加真實地還原出設備運行的狀態，排除外界因素的干擾，對嬰兒培養箱的檢測均在實際診療環境中進行，并且針對嬰兒培養箱在實際使用過程中需要長時間連續使用的特點，本文的連續檢測時間均長于規范的要求。

2.2 RWD獲取方式

溫度參數實測采用經過溯源的美國福祿克公司的INCUⅡ嬰兒培養箱分析儀進行檢測，使用分析儀的自動記錄功能，以設備所設定的最小采樣時間間隔（30 s）對溫度數據進行記錄，得到長時間的溫度數據，導出CSV格式文件。在條件允許的情況下也可通過架設符合相關標準的第三方溫度參數監測系統實現[16-18]。

培養箱本身運行中的所有數據依靠人工記錄并不現實，因此需要嬰兒培養箱設備廠商開放通訊端口并提供相應的通信協議，根據通信協議設計數據讀取模塊以獲得設備參數信息。

3 系統設計

本文以市場上占有率較高的寧波戴維YP-970嬰兒培養箱為例，可通過RS-422串口通信向培養箱發送特定格式命令消息幀讀取參數數據，消息幀格式如下：起始符55 H、幀長度8 Bit、從地址8 Bit、功能碼8 Bit、數據n個8 Bit、循環冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）低字節8 Bit、CRC高字節8 Bit、結束符AAH，其中幀長度為除起始符和結束符外的字節個數總和；從地址為模塊需要返回參數數據的培養箱地址，培養箱地址可在設備上進行設定（有效地址為0X01-0XF7）；功能碼為模塊命令培養箱所執行的功能。

功能碼為0X01時執行讀取嬰兒培養箱系統參數的功能。嬰兒培養箱讀取到模塊發送的消息幀后會向模塊回應系統參數（即運行中的所有數據）。嬰兒培養箱回應消息幀格式如下：起始符55 H、幀長度8 Bit、地址8 Bit、功能碼8 Bit、型號8 Bit、工作模式8 Bit、箱溫16 Bit、箱溫設置值16 Bit、膚溫16 Bit、膚溫設置值16 Bit、濕度8 Bit、濕度設置值8 Bit、氧氣濃度8 Bit、氧氣濃度設置值8 Bit、體重16 Bit、報警類型16 Bit、CRC低字節8 Bit、CRC高字節8 Bit、結束符AAH。

本文設計的系統數據分析部分均在后端服務器完成，模塊端只負責讀取設備運行參數后傳送至內網服務器，運算量較小。為縮減PCB板所占空間，本文使用ESP-12E作為模塊的MCU，MAX489CSD芯片作為RS-422的電平轉換芯片，實現串口通信及數據的無線傳輸[19]。模塊讀取設備運行參數后通過醫院內網WiFi網絡與內網服務器建立socket連接并將數據實時發送，服務器接收到數據后存儲于MySQL數據庫中,模塊電路原理圖如圖2所示，模塊實物圖如圖3所示。

圖2 模塊電路原理圖

圖3 模塊實拍圖

4 RWD評價方法

4.1 建立評價模型

對設備參數性能的評價一般根據標準規范或者產品說明書的要求計算合格率，一定程度上可以反映檢測樣本總體性能的優劣，但無法分辨出樣本性能表現中細微的差距，并且設備存在定位不同的情況（即產品說明書中的標稱參數不同）。所以僅通過合格率高低評價設備性能表現具有一定的片面性。

為解決這一問題，本文根據嬰兒培養箱溫度特性建立評價模型，引入期望值參數，對樣本的整體性能檢測數據進行評分，期望值的取值可根據對比樣本間的不同要求決定。樣本的整體性能得分高低由多個參數得分綜合評定，每項檢測參數建立評分數學模型，見式（8）。

式中，N為樣本容量；x為期望值。經過歸一化，有0≤F(x)≤1。在取值范圍內，F(x)值越高代表樣本中該參數性能表現越好。

4.2 統計學分析

本研究共收集188臺次的嬰兒培養箱性能參數數據，根據品牌將數據分為3組，分別為品牌A共計109臺次、品牌B共計35臺次組、品牌C共計44臺次。采用 SPSS 25.0統計軟件進行數據處理和分析。使用柯爾莫戈洛夫-斯米諾夫檢驗（K-S檢驗）對3組數據的不同溫度參數是否符合正態分布進行檢驗，不同品牌的嬰兒培養箱在不同設定溫度的溫度參數均非正態分布，以P＜0.05為差異有統計學意義。

4.3 參數相關性分析

同一臺嬰兒培養箱單次檢測中，即單個樣本個體，多個參數檢測數據間存在著關聯性，并非兩兩獨立。參數間兩兩建立散點圖，以溫度偏差和平均培養箱溫度與控制溫度之差為例，分別用32℃的參數值和36℃的參數值作為橫坐標和縱坐標繪制散點圖。如圖4所示，可以發現樣本散點均分布在對角線左右，表示該參數的32℃與36℃之間的有一定的正相關性，這通常與培養箱溫度傳感器選取材料有關，在傳感器溫度特性曲線發生偏移時會同時影響。

圖4 32 ℃與36℃數據散點圖

進一步采用斯皮爾曼（Spearman）相關系數對同品牌的嬰兒培養箱32℃和36℃時的溫度性能參數進行相關性描述，相關性系數接近1，表示兩參數有正相關性，相關性系數接近0，表示兩參數有零相關，其顯著性用P值表示，P＜0.001表示兩參數相關，各參數間的相關性系數如表1所示。

表1 嬰兒培養箱參數關系表

5 結果

5.1 不同品牌溫度性能合格率分析

選取我院保有量前三的品牌5年（2017年1月至2021年12月）共計188份溫度檢測數據對參數性能進行評價，以國標規定的限值計算合格率，結果如表2所示，3個品牌合格率差異較小，僅通過合格率無法對進行準確的性能評價。

表2 不同品牌溫度性能合格率

5.2 不同品牌性能評分分析

以本文構建的評分模型進行分析，在每個品牌的性能檢測數據中隨機抽取10份作為檢測樣本。設置相同的期望值，分別對3個品牌所選樣本進行計算。如圖5所示，縱坐標代表相同的期望值下樣本的計算評分，可見品牌B在溫度準確性上優于品牌A和品牌C，而在溫度均勻性上品牌C優于品牌A和品牌B。

圖5 不同品牌性能評分結果

5.3 不同期望值參數性能評分分析

除設定相同期望值計算評分比較高低的方法外，還可選擇設定統一的評價分值比較期望值的方法，即達到所要求評分分值時所需的期望值越小，則表示該項參數性能越好。

令x0=1.5，以k×x0為橫坐標（0.1≤k≤1.0），評價分值為縱坐標，繪制3種品牌平均培養箱溫度與控制溫度之差的分值曲線，如圖6所示。當以0.5作為評分要求時，A品牌的期望值為0.85×x0，B品牌的期望值為0.36×x0，C品牌的期望值為0.54×x0，則針對這3份樣本，B品牌的性能優于A品牌和C品牌。

圖6 不同期望值性能參數評分

5.4 驗收溫度性能評分分析

利用本文設計的評價模型還可在驗收嬰兒培養箱時提供決策支持。型號不同的嬰兒培養箱往往存在設計定位的不同，在標稱參數上會存在一定的差距。

因此在評價設備在標稱參數上的符合度時，可將期望值設置為標稱參數計算評分，評分越高則表示在標稱參數上的符合度越高。根據對多組數據的計算分析以及臨床的評價，設定F(x)≥0.5為符合評分要求。

對3個品牌的平均培養箱溫度與控制溫度之差參數進行驗收評價，查閱說明書可知品牌A的標稱參數為1.5℃，品牌B和品牌C的標稱參數為1.0℃。因此對品牌A、品牌B和品牌C的期望值分別設置為1.5、1.0和1.0，評分結果如表3所示。因為定位的不同，在設置相同期望值橫向比較時品牌A的評分低于品牌B和品牌C（圖6），但是在將期望值設置為對應標稱參數時，A品牌的評分≥0.5，因此符合驗收要求（表3）。

表3 驗收溫度性能評分

6 討論與結論

6.1 評價模型可行性

本文基于RWD的研究方法，設計了采集嬰兒培養箱運行參數的模塊，建立了評價模型，對嬰兒培養箱的溫度性能參數給出了定量評價方法，并結合本院嬰兒培養箱的性能檢測實例和數據分析結果，驗證了所設計系統和評價方法的可行性。

本文對醫院5年內共計188份溫度檢測數據進行了詳細的分析，通過傳統的質控檢測計算合格率時，3類品牌間的結果差異性較小，無法有效地進行差異化評價。而采用本文所設計的模型進行評價時，在相同樣本的條件下，以平均培養箱溫度與控制溫度之差參數為例，所計算的評分結果能夠較好地反映出品牌間的性能差異，得出品牌B的性能優于品牌A和品牌C的結論。相比楊俊等[18]通過質控檢測實測值比較品牌優劣的方法，本文的方法不僅能將品牌間的性能差異通過評分的方法進行比較，而且能在設備驗收時驗證其標稱參數的符合度，也能為醫院采購決策和進口替代提供有力的參考依據。

6.2 RWD獲取規范化

本文所設計的系統完成了我院現有各品牌的嬰兒培養箱數據采集，實現了獲得完整RWD 的方法和路徑。相比陳龍等[20]基于DS18B20傳感器設計的嬰兒培養箱質控系統，本文實測數據來源于標準質控檢測儀器，更加符合標準規范。并且能夠同時讀取嬰兒培養箱的運行數據，實現了數據的閉環。

目前市面上嬰兒培養箱的品牌型號眾多，真實世界獲取的方式也存在較大差異。僅本研究所覆蓋的3種品牌的嬰兒培養箱獲取協議完全不同。而且嬰兒培養箱的運行過程中除了溫度性能參數，還有很多其他評價指標，包括濕度、噪音、報警功能等都會對新生兒的診療有較大影響。嬰兒培養箱數據獲取如何實現規范化，也需要廠商和醫院的共同努力。