基于亞低溫床墊與高壓氧艙結合的新生兒智能調控系統
——一種發明專利的介紹

朱明星 姬俊宇 汪鑫 陳世雄 黃為民

（1.哈爾濱工業大學（深圳）電子與信息工程學院，廣東深圳 518055；2.中國科學院深圳先進技術研究院，廣東深圳 518055；3.深圳市兒童醫院新生兒科，廣東深圳 518036）

1 研究背景

新生兒腦損傷是指由于產前、產時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致的腦損傷，主要因素包括臍帶繞頸、難產、胎盤早剝和產婦子癇等[1-2]，缺氧合并缺血是造成腦損傷的原因。據統計，發達國家HIE的發病率為1‰～8‰，而在發展相對落后的國家，HIE的發病率高達26‰[1-3]。在中國每年新出生的嬰兒中，7%～10%的新生兒（140萬～500萬）發生窒息，其中約1/3的新生兒因窒息夭折，約30萬新生兒患上HIE[4]。腦損傷患兒會出現一系列的癥狀，包括學習障礙及注意力分散等認知、行為缺陷，嚴重者出現腦性癱瘓、智力障礙甚至死亡。近些年，腦損傷新生兒（尤其是極早產兒）的存活率明顯提高，但腦損傷帶來的神經行為發育問題，依然會對高危兒的身體與心理健康、生活質量造成嚴重影響，從而增添了巨大的精神和經濟負擔。目前研究表明，0～2歲是兒童大腦發育和代償能力最佳時期，在此期間對高危兒進行早期干預和治療能夠最大程度利用和發揮患兒大腦發育和代償的潛在能力。因此，如何識別可能存在腦損傷的患兒，并進行早期干預、最大程度改善其神經系統預后是我們多年來的奮斗目標。

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]，但二者相互獨立，想要切換兩種治療手段，只能等亞低溫治療結束后才能開始高壓氧治療，這不利于新生兒神經損傷的修復及改善預后；此外，無論是在進行高壓氧艙治療還是在亞低溫治療時，都未對新生兒進行腦功能相關的生理信息監測，這樣無法獲知治療過程中新生兒的具體狀態及是否有好轉。現有關于高壓氧艙治療的部分專利提及對心電、血壓、血氧飽和度、姿態等數據進行監測，但這僅實現了對新生兒生理數據和生命體征的監測，并沒有對新生兒進行腦功能的評估。此外高壓氧艙及亞低溫床墊的參數設置只能依賴于醫療師的經驗設置，而且設備的參數在整個醫療過程也只能保持最初的設置，無法動態調節。

因此，針對以上的局限與不足，本文提出一種發明專利產品：亞低溫高壓氧聯合治療儀，專利號為CN202110466754.6。首先，該產品結合亞低溫床墊和高壓氧艙，根據不同的實際情況可以提供單一或聯合治療方案；其次，該設備在提供心電數據、血壓數據、血氧飽和度數據、姿態等常用生理信號檢測的同時，還提供新生兒的腦電數據監測功能，可實現新生兒腦功能評估；最后，運用算法可以智能調節高壓氧艙與亞低溫床墊的設置參數。該專利產品有利于幫助新生兒高效改善全身供氧，同時可以避免在治療過程中新生兒出現嚴重不適且未被及時發現的情況發生，能及時對危險情況報警，增強治療過程中的安全性。

2 研究現狀

目前新生兒腦損傷的診斷技術主要包括電子計算機斷層掃描（computerized tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）[7]、B超[8]等；腦損傷標志物主要包括中樞神經特異蛋白S100β、神經元特異性烯醇化酶等[9]；功能學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變化及癇樣活動的優勢，近年來被廣泛應用于新生兒的臨床腦電監護中。aEEG操作簡單，不易受外界環境干擾，判讀門檻低，且能用于長期床旁連續監測等特點使得其適合于新生兒重癥監護病房中重癥患兒的床旁腦功能監測。近紅外光譜（near-infrared spectrum，NIRS）測定技術可穿透頭皮或顱骨，可無創、直接、快速地監測腦組織氧飽和度等指標。未來早期診斷危重新生兒腦損傷的方向將是在傳統的臨床診斷基礎上通過aEEG、MRI、超聲檢查、NIRS、經顱多普勒超聲、肌電圖、腦干聽覺誘發電位、腦阻抗技術、腦損傷標志物、神經行為評估等共同應用，綜合評估相應器官的結構及功能狀況，從而更好地指導臨床工作。

目前臨床上治療新生兒HIE的方法主要有采用亞低溫療法，亞低溫被認為能抑制蛋白酶和蛋白激活酶的活性，對抗自由基損傷，減緩程序性死亡，并能擴展其他治療干預時間窗，亞低溫治療能明確減少新生兒HIE。目前，經過隨機、對照臨床試驗后公認治療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；從長期看，亞低溫治療組6～7歲智商85分以上及無神經系統障礙的比例均高于對照組，且患腦性癱瘓及中重度殘疾的風險顯著降低[12]。因此，利用亞低溫治療的優勢，將其與其他治療手段相結合，是臨床新生兒HIE治療的必然發展趨勢。

高壓氧療法是一種讓機體在高于一個標準大氣壓的環境中吸氧的治療方法，被廣泛應用于治療輻射損傷、一氧化碳中毒、空氣栓塞、腦損傷等[13]。高壓氧艙對新生兒HIE治療也獲得了較好的療效，高壓氧治療通過提高血氧分壓和彌散距離從而達到改善全身氧供的目的。目前臨床上應用高壓氧治療HIE的報道主要見于國內，其作用機制主要有抑制自由基產生、加強有氧代謝、減輕腦水腫、加速腦血管側支循環建立等[14]。大部分臨床研究表明高壓氧治療HIE有效，可改善肌張力、促進意識恢復、減少及終止驚厥發作，并能促進HIE患兒智力、運動發育，從而改善預后等。Liu等[15]對國內的20個高壓氧治療HIE的臨床試驗進行薈萃分析，認為高壓氧治療有可能降低HIE患兒的病死率，減少神經系統后遺癥。但是，我國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（不建議使用）[16]，原因在于缺乏大樣本、隨機、對照的臨床試驗證實其有效性與安全性。

3 研究內容

本研究包含了高壓氧艙與亞低溫床墊的硬件結合，以及aEEG、心電數據、NIRS等生理指標的監測方法，并且設計了智能調控方法，使加裝了亞低溫床墊的高壓氧艙可以根據監測到的各項生理數值智能調整參數，使設備始終處于最佳狀態。

3.1 高壓氧艙與亞低溫床墊結合

本文提出了一種亞低溫床墊和高壓氧艙相結合的設備，在高壓氧艙中加裝了亞低溫床墊，如圖1所示。改進后的高壓氧艙可以為患兒實現3種治療模式：（1）單獨高壓氧艙治療；（2）單獨亞低溫治療；（3）高壓氧艙與亞低溫同步治療。改進后的高壓氧艙可在上述三種治療模式中靈活切換，杜絕了目前的單獨高壓氧艙與單獨亞低溫床在提供治療服務時，需要移動新生兒，對患兒造成的影響，同時增加了兩種治療方式相互配合的治療手段，進一步提高了治療效果。

圖1 高壓氧艙與亞低溫床墊結合的結構示意圖

3.2 治療過程多項生理信息監測

3.2.1 aEEG監測 aEEG[17]是一種簡單化的腦電監測技術，采用較少的電極收集腦電信息，抗干擾能力強，適用于早期床邊腦功能監護，被廣泛應用于新生兒腦發育成熟度評價、新生兒腦損傷檢測、新生兒癲癇發作監測等領域。本專利將aEEG監測技術應用于改進后的高壓氧艙，可以實時監測新生兒的腦功能狀態。

3.2.2 心電監測 心電監護可對新生兒的生命體征進行監測，可對新生兒的心率、心律、心肌供血情況及電解質是否紊亂進行監測。本專利亦將心電監測用于改進的高壓氧艙之中，在獲取新生兒心電數據后，提取數據特征（包括但不限于心率、P波時間、R峰時間、PR間期、QRS間期、RV5/SV1、ST段平均幅值）。

3.2.3 NIRS監測 NIRS[18]可以無創實時監測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監測應用于改進的高壓氧艙之中，從而實現對新生兒腦部血氧含量的監測，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）智能調控算法

改進的高壓氧艙智能調控算法如圖2所示，首先利用訓練好的卷積神經網絡對采集到的aEEG信號進行卷積、池化操作，自動提取aEEG信號中的特征，然后將aEEG信號中的特征、NIRS信號與心電信號的特征進行融合處理，輸入全連接層，利用訓練好的全連接層進行分類得到輸出結果。

圖2 智能調控算法網絡結構示意圖

整個卷積神經網絡的前向傳播主要是通過卷積、池化等操作提取輸入的特征，關于整個網絡的前向傳播計算過程如下：

（1） 卷積層 對輸入特征圖進行卷積操作，再使用Relu函數激活，就可以得到輸出特征圖，計算公式如下所示：

池化之后就有N個輸出，具體計算公式如下：

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

輸出說明：訓練好的智能調控卷積神經網絡模型有4種輸出，分別對應標簽0、1、2、3，輸出示意圖如圖3所示。

圖3 智能調控算法輸出對應決策

訓練好的智能調控模型對輸入的多項生理參數進行卷積、池化、全連接等操作之后，若識別結果為0，則對應識別結果為危險狀態，智能調控系統自動立即呼叫醫護人員；若識別結果為1，則對應識別結果為HIE較嚴重，智能調控系統自動將高壓氧艙、亞低溫治療的設置參數（例如壓強、氧氣濃度、亞低溫設置溫度等）更改為腦損傷較嚴重時的參數設置方案1；若識別結果為2，則對應識別結果為HIE較輕，智能調控系統自動將高壓氧艙、亞低溫治療的設置參數更改為腦損傷較輕時的參數設置方案2；若識別結果為3，則對應識別結果為腦功能狀態正常，智能調控系統自動將高壓氧艙、亞低溫治療的設置參數更改為腦功能狀態正常時的參數設置方案3。其中參數設置方案1、2、3均由多位新生兒HIE領域專家早期針對不同程度的HIE制定。

4 結論

本文提出了基于亞低溫床墊與高壓氧艙結合的新生兒智能調控系統。本系統將高壓氧艙與亞低溫床墊結合，實現了單獨高壓氧治療、單獨亞低溫治療、高壓氧與亞低溫結合治療三種治療模式的靈活切換。同時，在對新生兒進行高壓氧治療或亞低溫治療時，可以對患兒腦功能相關的多項生理參數進行監測，在新生兒無法自我表述治療過程中的變化與感受的情況下，通過新生兒治療過程中進行腦功能監測，基于監測數據可以客觀地檢測治療是否有效。最后，利用卷積神經網絡，基于多種生理信息的自動特征提取與特征融合，通過分類識別，有效明確新生兒的腦功能狀態，實現高壓氧艙、亞低溫床墊參數的智能調控。本系統有利于幫助新生兒高效改善全身供氧，可以避免在治療過程中新生兒出現嚴重不適且未被及時發現的情況發生，并且能及時對危險情況報警，增強治療過程中的安全性，具有重要的價值。