基于亞低溫床墊與高壓氧艙結(jié)合的新生兒智能調(diào)控系統(tǒng)
——一種發(fā)明專利的介紹

朱明星 姬俊宇 汪鑫 陳世雄 黃為民

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）電子與信息工程學(xué)院，廣東深圳 518055；2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東深圳 518055；3.深圳市兒童醫(yī)院新生兒科，廣東深圳 518036）

1 研究背景

新生兒腦損傷是指由于產(chǎn)前、產(chǎn)時(shí)或出生后各種原因引起的腦組織病理性損害。新生兒缺氧缺血性腦病 （hypoxic-ischemic encephalopathy，HIE）是新生兒在圍生期缺氧導(dǎo)致的腦損傷，主要因素包括臍帶繞頸、難產(chǎn)、胎盤早剝和產(chǎn)婦子癇等[1-2]，缺氧合并缺血是造成腦損傷的原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家HIE的發(fā)病率為1‰～8‰，而在發(fā)展相對(duì)落后的國(guó)家，HIE的發(fā)病率高達(dá)26‰[1-3]。在中國(guó)每年新出生的嬰兒中，7%～10%的新生兒（140萬(wàn)～500萬(wàn)）發(fā)生窒息，其中約1/3的新生兒因窒息夭折，約30萬(wàn)新生兒患上HIE[4]。腦損傷患兒會(huì)出現(xiàn)一系列的癥狀，包括學(xué)習(xí)障礙及注意力分散等認(rèn)知、行為缺陷，嚴(yán)重者出現(xiàn)腦性癱瘓、智力障礙甚至死亡。近些年，腦損傷新生兒（尤其是極早產(chǎn)兒）的存活率明顯提高，但腦損傷帶來(lái)的神經(jīng)行為發(fā)育問(wèn)題，依然會(huì)對(duì)高危兒的身體與心理健康、生活質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，從而增添了巨大的精神和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前研究表明，0～2歲是兒童大腦發(fā)育和代償能力最佳時(shí)期，在此期間對(duì)高危兒進(jìn)行早期干預(yù)和治療能夠最大程度利用和發(fā)揮患兒大腦發(fā)育和代償?shù)臐撛谀芰ΑＲ虼耍绾巫R(shí)別可能存在腦損傷的患兒，并進(jìn)行早期干預(yù)、最大程度改善其神經(jīng)系統(tǒng)預(yù)后是我們多年來(lái)的奮斗目標(biāo)。

目前治療腦損傷的主要手段是亞低溫療法[5]和高壓氧療法[6]，但二者相互獨(dú)立，想要切換兩種治療手段，只能等亞低溫治療結(jié)束后才能開始高壓氧治療，這不利于新生兒神經(jīng)損傷的修復(fù)及改善預(yù)后；此外，無(wú)論是在進(jìn)行高壓氧艙治療還是在亞低溫治療時(shí)，都未對(duì)新生兒進(jìn)行腦功能相關(guān)的生理信息監(jiān)測(cè)，這樣無(wú)法獲知治療過(guò)程中新生兒的具體狀態(tài)及是否有好轉(zhuǎn)。現(xiàn)有關(guān)于高壓氧艙治療的部分專利提及對(duì)心電、血壓、血氧飽和度、姿態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但這僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)新生兒生理數(shù)據(jù)和生命體征的監(jiān)測(cè)，并沒(méi)有對(duì)新生兒進(jìn)行腦功能的評(píng)估。此外高壓氧艙及亞低溫床墊的參數(shù)設(shè)置只能依賴于醫(yī)療師的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，而且設(shè)備的參數(shù)在整個(gè)醫(yī)療過(guò)程也只能保持最初的設(shè)置，無(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

因此，針對(duì)以上的局限與不足，本文提出一種發(fā)明專利產(chǎn)品：亞低溫高壓氧聯(lián)合治療儀，專利號(hào)為CN202110466754.6。首先，該產(chǎn)品結(jié)合亞低溫床墊和高壓氧艙，根據(jù)不同的實(shí)際情況可以提供單一或聯(lián)合治療方案；其次，該設(shè)備在提供心電數(shù)據(jù)、血壓數(shù)據(jù)、血氧飽和度數(shù)據(jù)、姿態(tài)等常用生理信號(hào)檢測(cè)的同時(shí)，還提供新生兒的腦電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能，可實(shí)現(xiàn)新生兒腦功能評(píng)估；最后，運(yùn)用算法可以智能調(diào)節(jié)高壓氧艙與亞低溫床墊的設(shè)置參數(shù)。該專利產(chǎn)品有利于幫助新生兒高效改善全身供氧，同時(shí)可以避免在治療過(guò)程中新生兒出現(xiàn)嚴(yán)重不適且未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的情況發(fā)生，能及時(shí)對(duì)危險(xiǎn)情況報(bào)警，增強(qiáng)治療過(guò)程中的安全性。

2 研究現(xiàn)狀

目前新生兒腦損傷的診斷技術(shù)主要包括電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（computerized tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）[7]、B超[8]等；腦損傷標(biāo)志物主要包括中樞神經(jīng)特異蛋白S100β、神經(jīng)元特異性烯醇化酶等[9]；功能學(xué)主要包括振幅整合腦電圖（amplitude-integrated electroencephalogram，aEEG）[10]、功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging， fMRI）[11]等。aEEG因其在反映腦電背景活動(dòng)變化及癇樣活動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于新生兒的臨床腦電監(jiān)護(hù)中。aEEG操作簡(jiǎn)單，不易受外界環(huán)境干擾，判讀門檻低，且能用于長(zhǎng)期床旁連續(xù)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)使得其適合于新生兒重癥監(jiān)護(hù)病房中重癥患兒的床旁腦功能監(jiān)測(cè)。近紅外光譜（near-infrared spectrum，NIRS）測(cè)定技術(shù)可穿透頭皮或顱骨，可無(wú)創(chuàng)、直接、快速地監(jiān)測(cè)腦組織氧飽和度等指標(biāo)。未來(lái)早期診斷危重新生兒腦損傷的方向?qū)⑹窃趥鹘y(tǒng)的臨床診斷基礎(chǔ)上通過(guò)aEEG、MRI、超聲檢查、NIRS、經(jīng)顱多普勒超聲、肌電圖、腦干聽覺(jué)誘發(fā)電位、腦阻抗技術(shù)、腦損傷標(biāo)志物、神經(jīng)行為評(píng)估等共同應(yīng)用，綜合評(píng)估相應(yīng)器官的結(jié)構(gòu)及功能狀況，從而更好地指導(dǎo)臨床工作。

目前臨床上治療新生兒HIE的方法主要有采用亞低溫療法，亞低溫被認(rèn)為能抑制蛋白酶和蛋白激活酶的活性，對(duì)抗自由基損傷，減緩程序性死亡，并能擴(kuò)展其他治療干預(yù)時(shí)間窗，亞低溫治療能明確減少新生兒HIE。目前，經(jīng)過(guò)隨機(jī)、對(duì)照臨床試驗(yàn)后公認(rèn)治療HIE安全有效的方法僅有一種：亞低溫治療。從短期療效看，可降低患兒18月齡的病死率和中重度致殘率；從長(zhǎng)期看，亞低溫治療組6～7歲智商85分以上及無(wú)神經(jīng)系統(tǒng)障礙的比例均高于對(duì)照組，且患腦性癱瘓及中重度殘疾的風(fēng)險(xiǎn)顯著降低[12]。因此，利用亞低溫治療的優(yōu)勢(shì)，將其與其他治療手段相結(jié)合，是臨床新生兒HIE治療的必然發(fā)展趨勢(shì)。

高壓氧療法是一種讓機(jī)體在高于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境中吸氧的治療方法，被廣泛應(yīng)用于治療輻射損傷、一氧化碳中毒、空氣栓塞、腦損傷等[13]。高壓氧艙對(duì)新生兒HIE治療也獲得了較好的療效，高壓氧治療通過(guò)提高血氧分壓和彌散距離從而達(dá)到改善全身氧供的目的。目前臨床上應(yīng)用高壓氧治療HIE的報(bào)道主要見于國(guó)內(nèi)，其作用機(jī)制主要有抑制自由基產(chǎn)生、加強(qiáng)有氧代謝、減輕腦水腫、加速腦血管側(cè)支循環(huán)建立等[14]。大部分臨床研究表明高壓氧治療HIE有效，可改善肌張力、促進(jìn)意識(shí)恢復(fù)、減少及終止驚厥發(fā)作，并能促進(jìn)HIE患兒智力、運(yùn)動(dòng)發(fā)育，從而改善預(yù)后等。Liu等[15]對(duì)國(guó)內(nèi)的20個(gè)高壓氧治療HIE的臨床試驗(yàn)進(jìn)行薈萃分析，認(rèn)為高壓氧治療有可能降低HIE患兒的病死率，減少神經(jīng)系統(tǒng)后遺癥。但是，我國(guó)2011年版足月兒HIE循證治療指南僅將高壓氧治療列為2D證據(jù)（不建議使用）[16]，原因在于缺乏大樣本、隨機(jī)、對(duì)照的臨床試驗(yàn)證實(shí)其有效性與安全性。

3 研究?jī)?nèi)容

本研究包含了高壓氧艙與亞低溫床墊的硬件結(jié)合，以及aEEG、心電數(shù)據(jù)、NIRS等生理指標(biāo)的監(jiān)測(cè)方法，并且設(shè)計(jì)了智能調(diào)控方法，使加裝了亞低溫床墊的高壓氧艙可以根據(jù)監(jiān)測(cè)到的各項(xiàng)生理數(shù)值智能調(diào)整參數(shù)，使設(shè)備始終處于最佳狀態(tài)。

3.1 高壓氧艙與亞低溫床墊結(jié)合

本文提出了一種亞低溫床墊和高壓氧艙相結(jié)合的設(shè)備，在高壓氧艙中加裝了亞低溫床墊，如圖1所示。改進(jìn)后的高壓氧艙可以為患兒實(shí)現(xiàn)3種治療模式：（1）單獨(dú)高壓氧艙治療；（2）單獨(dú)亞低溫治療；（3）高壓氧艙與亞低溫同步治療。改進(jìn)后的高壓氧艙可在上述三種治療模式中靈活切換，杜絕了目前的單獨(dú)高壓氧艙與單獨(dú)亞低溫床在提供治療服務(wù)時(shí)，需要移動(dòng)新生兒，對(duì)患兒造成的影響，同時(shí)增加了兩種治療方式相互配合的治療手段，進(jìn)一步提高了治療效果。

圖1 高壓氧艙與亞低溫床墊結(jié)合的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 治療過(guò)程多項(xiàng)生理信息監(jiān)測(cè)

3.2.1 aEEG監(jiān)測(cè) aEEG[17]是一種簡(jiǎn)單化的腦電監(jiān)測(cè)技術(shù)，采用較少的電極收集腦電信息，抗干擾能力強(qiáng)，適用于早期床邊腦功能監(jiān)護(hù)，被廣泛應(yīng)用于新生兒腦發(fā)育成熟度評(píng)價(jià)、新生兒腦損傷檢測(cè)、新生兒癲癇發(fā)作監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。本專利將aEEG監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于改進(jìn)后的高壓氧艙，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新生兒的腦功能狀態(tài)。

3.2.2 心電監(jiān)測(cè) 心電監(jiān)護(hù)可對(duì)新生兒的生命體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可對(duì)新生兒的心率、心律、心肌供血情況及電解質(zhì)是否紊亂進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本專利亦將心電監(jiān)測(cè)用于改進(jìn)的高壓氧艙之中，在獲取新生兒心電數(shù)據(jù)后，提取數(shù)據(jù)特征（包括但不限于心率、P波時(shí)間、R峰時(shí)間、PR間期、QRS間期、RV5/SV1、ST段平均幅值）。

3.2.3 NIRS監(jiān)測(cè) NIRS[18]可以無(wú)創(chuàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新生兒腦組織的血紅蛋白濃度和血氧飽和度，本專利亦將NIRS監(jiān)測(cè)應(yīng)用于改進(jìn)的高壓氧艙之中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)新生兒腦部血氧含量的監(jiān)測(cè)，也可以反饋高壓氧艙、亞低溫床墊的治療效果。

3.3 高壓氧艙（加裝亞低溫床墊）智能調(diào)控算法

改進(jìn)的高壓氧艙智能調(diào)控算法如圖2所示，首先利用訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集到的aEEG信號(hào)進(jìn)行卷積、池化操作，自動(dòng)提取aEEG信號(hào)中的特征，然后將aEEG信號(hào)中的特征、NIRS信號(hào)與心電信號(hào)的特征進(jìn)行融合處理，輸入全連接層，利用訓(xùn)練好的全連接層進(jìn)行分類得到輸出結(jié)果。

圖2 智能調(diào)控算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

整個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向傳播主要是通過(guò)卷積、池化等操作提取輸入的特征，關(guān)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的前向傳播計(jì)算過(guò)程如下：

（1） 卷積層 對(duì)輸入特征圖進(jìn)行卷積操作，再使用Relu函數(shù)激活，就可以得到輸出特征圖，計(jì)算公式如下所示：

池化之后就有N個(gè)輸出，具體計(jì)算公式如下：

（3） 全連接層 全連接需要提前將輸入的二維特征圖轉(zhuǎn)換為一維特征圖，然后將腦電數(shù)據(jù)的特征與腦血氧數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行融合，最后將一維特征圖加權(quán)求和，特征融合和加權(quán)求和的計(jì)算公式如下：

輸出說(shuō)明：訓(xùn)練好的智能調(diào)控卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有4種輸出，分別對(duì)應(yīng)標(biāo)簽0、1、2、3，輸出示意圖如圖3所示。

圖3 智能調(diào)控算法輸出對(duì)應(yīng)決策

訓(xùn)練好的智能調(diào)控模型對(duì)輸入的多項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行卷積、池化、全連接等操作之后，若識(shí)別結(jié)果為0，則對(duì)應(yīng)識(shí)別結(jié)果為危險(xiǎn)狀態(tài)，智能調(diào)控系統(tǒng)自動(dòng)立即呼叫醫(yī)護(hù)人員；若識(shí)別結(jié)果為1，則對(duì)應(yīng)識(shí)別結(jié)果為HIE較嚴(yán)重，智能調(diào)控系統(tǒng)自動(dòng)將高壓氧艙、亞低溫治療的設(shè)置參數(shù)（例如壓強(qiáng)、氧氣濃度、亞低溫設(shè)置溫度等）更改為腦損傷較嚴(yán)重時(shí)的參數(shù)設(shè)置方案1；若識(shí)別結(jié)果為2，則對(duì)應(yīng)識(shí)別結(jié)果為HIE較輕，智能調(diào)控系統(tǒng)自動(dòng)將高壓氧艙、亞低溫治療的設(shè)置參數(shù)更改為腦損傷較輕時(shí)的參數(shù)設(shè)置方案2；若識(shí)別結(jié)果為3，則對(duì)應(yīng)識(shí)別結(jié)果為腦功能狀態(tài)正常，智能調(diào)控系統(tǒng)自動(dòng)將高壓氧艙、亞低溫治療的設(shè)置參數(shù)更改為腦功能狀態(tài)正常時(shí)的參數(shù)設(shè)置方案3。其中參數(shù)設(shè)置方案1、2、3均由多位新生兒HIE領(lǐng)域?qū)＜以缙卺槍?duì)不同程度的HIE制定。

4 結(jié)論

本文提出了基于亞低溫床墊與高壓氧艙結(jié)合的新生兒智能調(diào)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)將高壓氧艙與亞低溫床墊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)高壓氧治療、單獨(dú)亞低溫治療、高壓氧與亞低溫結(jié)合治療三種治療模式的靈活切換。同時(shí)，在對(duì)新生兒進(jìn)行高壓氧治療或亞低溫治療時(shí)，可以對(duì)患兒腦功能相關(guān)的多項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在新生兒無(wú)法自我表述治療過(guò)程中的變化與感受的情況下，通過(guò)新生兒治療過(guò)程中進(jìn)行腦功能監(jiān)測(cè)，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以客觀地檢測(cè)治療是否有效。最后，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，基于多種生理信息的自動(dòng)特征提取與特征融合，通過(guò)分類識(shí)別，有效明確新生兒的腦功能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高壓氧艙、亞低溫床墊參數(shù)的智能調(diào)控。本系統(tǒng)有利于幫助新生兒高效改善全身供氧，可以避免在治療過(guò)程中新生兒出現(xiàn)嚴(yán)重不適且未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的情況發(fā)生，并且能及時(shí)對(duì)危險(xiǎn)情況報(bào)警，增強(qiáng)治療過(guò)程中的安全性，具有重要的價(jià)值。