基于亚低温床垫与高压氧舱结合的新生儿智能调控系统——一种发明专利的介绍

朱明星 姬俊宇 汪鑫 陈世雄 黄为民

（1.哈尔滨工业大学（深圳）电子与信息工程学院，广东深圳 518055；2.中国科学院深圳先进技术研究院，广东深圳 518055；3.深圳市儿童医院新生儿科，广东深圳 518036）

1 研究背景

新生儿脑损伤是指由于产前、产时或出生后各种原因引起的脑组织病理性损害。新生儿缺氧缺血性脑病 （hypoxic-ischemic encephalopathy，HIE）是新生儿在围生期缺氧导致的脑损伤，主要因素包括脐带绕颈、难产、胎盘早剥和产妇子痫等[1-2]，缺氧合并缺血是造成脑损伤的原因。据统计，发达国家HIE的发病率为1‰～8‰，而在发展相对落后的国家，HIE的发病率高达26‰[1-3]。在中国每年新出生的婴儿中，7%～10%的新生儿（140万～500万）发生窒息，其中约1/3的新生儿因窒息夭折，约30万新生儿患上HIE[4]。脑损伤患儿会出现一系列的症状，包括学习障碍及注意力分散等认知、行为缺陷，严重者出现脑性瘫痪、智力障碍甚至死亡。近些年，脑损伤新生儿（尤其是极早产儿）的存活率明显提高，但脑损伤带来的神经行为发育问题，依然会对高危儿的身体与心理健康、生活质量造成严重影响，从而增添了巨大的精神和经济负担。目前研究表明，0～2岁是儿童大脑发育和代偿能力最佳时期，在此期间对高危儿进行早期干预和治疗能够最大程度利用和发挥患儿大脑发育和代偿的潜在能力。因此，如何识别可能存在脑损伤的患儿，并进行早期干预、最大程度改善其神经系统预后是我们多年来的奋斗目标。

目前治疗脑损伤的主要手段是亚低温疗法[5]和高压氧疗法[6]，但二者相互独立，想要切换两种治疗手段，只能等亚低温治疗结束后才能开始高压氧治疗，这不利于新生儿神经损伤的修复及改善预后；此外，无论是在进行高压氧舱治疗还是在亚低温治疗时，都未对新生儿进行脑功能相关的生理信息监测，这样无法获知治疗过程中新生儿的具体状态及是否有好转。现有关于高压氧舱治疗的部分专利提及对心电、血压、血氧饱和度、姿态等数据进行监测，但这仅实现了对新生儿生理数据和生命体征的监测，并没有对新生儿进行脑功能的评估。此外高压氧舱及亚低温床垫的参数设置只能依赖于医疗师的经验设置，而且设备的参数在整个医疗过程也只能保持最初的设置，无法动态调节。

因此，针对以上的局限与不足，本文提出一种发明专利产品：亚低温高压氧联合治疗仪，专利号为CN202110466754.6。首先，该产品结合亚低温床垫和高压氧舱，根据不同的实际情况可以提供单一或联合治疗方案；其次，该设备在提供心电数据、血压数据、血氧饱和度数据、姿态等常用生理信号检测的同时，还提供新生儿的脑电数据监测功能，可实现新生儿脑功能评估；最后，运用算法可以智能调节高压氧舱与亚低温床垫的设置参数。该专利产品有利于帮助新生儿高效改善全身供氧，同时可以避免在治疗过程中新生儿出现严重不适且未被及时发现的情况发生，能及时对危险情况报警，增强治疗过程中的安全性。

2 研究现状

目前新生儿脑损伤的诊断技术主要包括电子计算机断层扫描（computerized tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）[7]、B超[8]等；脑损伤标志物主要包括中枢神经特异蛋白S100β、神经元特异性烯醇化酶等[9]；功能学主要包括振幅整合脑电图（amplitude-integrated electroencephalogram，aEEG）[10]、功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging， fMRI）[11]等。aEEG因其在反映脑电背景活动变化及痫样活动的优势，近年来被广泛应用于新生儿的临床脑电监护中。aEEG操作简单，不易受外界环境干扰，判读门槛低，且能用于长期床旁连续监测等特点使得其适合于新生儿重症监护病房中重症患儿的床旁脑功能监测。近红外光谱（near-infrared spectrum，NIRS）测定技术可穿透头皮或颅骨，可无创、直接、快速地监测脑组织氧饱和度等指标。未来早期诊断危重新生儿脑损伤的方向将是在传统的临床诊断基础上通过aEEG、MRI、超声检查、NIRS、经颅多普勒超声、肌电图、脑干听觉诱发电位、脑阻抗技术、脑损伤标志物、神经行为评估等共同应用，综合评估相应器官的结构及功能状况，从而更好地指导临床工作。

目前临床上治疗新生儿HIE的方法主要有采用亚低温疗法，亚低温被认为能抑制蛋白酶和蛋白激活酶的活性，对抗自由基损伤，减缓程序性死亡，并能扩展其他治疗干预时间窗，亚低温治疗能明确减少新生儿HIE。目前，经过随机、对照临床试验后公认治疗HIE安全有效的方法仅有一种：亚低温治疗。从短期疗效看，可降低患儿18月龄的病死率和中重度致残率；从长期看，亚低温治疗组6～7岁智商85分以上及无神经系统障碍的比例均高于对照组，且患脑性瘫痪及中重度残疾的风险显著降低[12]。因此，利用亚低温治疗的优势，将其与其他治疗手段相结合，是临床新生儿HIE治疗的必然发展趋势。

高压氧疗法是一种让机体在高于一个标准大气压的环境中吸氧的治疗方法，被广泛应用于治疗辐射损伤、一氧化碳中毒、空气栓塞、脑损伤等[13]。高压氧舱对新生儿HIE治疗也获得了较好的疗效，高压氧治疗通过提高血氧分压和弥散距离从而达到改善全身氧供的目的。目前临床上应用高压氧治疗HIE的报道主要见于国内，其作用机制主要有抑制自由基产生、加强有氧代谢、减轻脑水肿、加速脑血管侧支循环建立等[14]。大部分临床研究表明高压氧治疗HIE有效，可改善肌张力、促进意识恢复、减少及终止惊厥发作，并能促进HIE患儿智力、运动发育，从而改善预后等。Liu等[15]对国内的20个高压氧治疗HIE的临床试验进行荟萃分析，认为高压氧治疗有可能降低HIE患儿的病死率，减少神经系统后遗症。但是，我国2011年版足月儿HIE循证治疗指南仅将高压氧治疗列为2D证据（不建议使用）[16]，原因在于缺乏大样本、随机、对照的临床试验证实其有效性与安全性。

3 研究内容

本研究包含了高压氧舱与亚低温床垫的硬件结合，以及aEEG、心电数据、NIRS等生理指标的监测方法，并且设计了智能调控方法，使加装了亚低温床垫的高压氧舱可以根据监测到的各项生理数值智能调整参数，使设备始终处于最佳状态。

3.1 高压氧舱与亚低温床垫结合

本文提出了一种亚低温床垫和高压氧舱相结合的设备，在高压氧舱中加装了亚低温床垫，如图1所示。改进后的高压氧舱可以为患儿实现3种治疗模式：（1）单独高压氧舱治疗；（2）单独亚低温治疗；（3）高压氧舱与亚低温同步治疗。改进后的高压氧舱可在上述三种治疗模式中灵活切换，杜绝了目前的单独高压氧舱与单独亚低温床在提供治疗服务时，需要移动新生儿，对患儿造成的影响，同时增加了两种治疗方式相互配合的治疗手段，进一步提高了治疗效果。

图1 高压氧舱与亚低温床垫结合的结构示意图

3.2 治疗过程多项生理信息监测

3.2.1 aEEG监测 aEEG[17]是一种简单化的脑电监测技术，采用较少的电极收集脑电信息，抗干扰能力强，适用于早期床边脑功能监护，被广泛应用于新生儿脑发育成熟度评价、新生儿脑损伤检测、新生儿癫痫发作监测等领域。本专利将aEEG监测技术应用于改进后的高压氧舱，可以实时监测新生儿的脑功能状态。

3.2.2 心电监测 心电监护可对新生儿的生命体征进行监测，可对新生儿的心率、心律、心肌供血情况及电解质是否紊乱进行监测。本专利亦将心电监测用于改进的高压氧舱之中，在获取新生儿心电数据后，提取数据特征（包括但不限于心率、P波时间、R峰时间、PR间期、QRS间期、RV5/SV1、ST段平均幅值）。

3.2.3 NIRS监测 NIRS[18]可以无创实时监测新生儿脑组织的血红蛋白浓度和血氧饱和度，本专利亦将NIRS监测应用于改进的高压氧舱之中，从而实现对新生儿脑部血氧含量的监测，也可以反馈高压氧舱、亚低温床垫的治疗效果。

3.3 高压氧舱（加装亚低温床垫）智能调控算法

改进的高压氧舱智能调控算法如图2所示，首先利用训练好的卷积神经网络对采集到的aEEG信号进行卷积、池化操作，自动提取aEEG信号中的特征，然后将aEEG信号中的特征、NIRS信号与心电信号的特征进行融合处理，输入全连接层，利用训练好的全连接层进行分类得到输出结果。

图2 智能调控算法网络结构示意图

整个卷积神经网络的前向传播主要是通过卷积、池化等操作提取输入的特征，关于整个网络的前向传播计算过程如下：

（1） 卷积层 对输入特征图进行卷积操作，再使用Relu函数激活，就可以得到输出特征图，计算公式如下所示：

池化之后就有N个输出，具体计算公式如下：

（3） 全连接层 全连接需要提前将输入的二维特征图转换为一维特征图，然后将脑电数据的特征与脑血氧数据的特征进行融合，最后将一维特征图加权求和，特征融合和加权求和的计算公式如下：

输出说明：训练好的智能调控卷积神经网络模型有4种输出，分别对应标签0、1、2、3，输出示意图如图3所示。

图3 智能调控算法输出对应决策

训练好的智能调控模型对输入的多项生理参数进行卷积、池化、全连接等操作之后，若识别结果为0，则对应识别结果为危险状态，智能调控系统自动立即呼叫医护人员；若识别结果为1，则对应识别结果为HIE较严重，智能调控系统自动将高压氧舱、亚低温治疗的设置参数（例如压强、氧气浓度、亚低温设置温度等）更改为脑损伤较严重时的参数设置方案1；若识别结果为2，则对应识别结果为HIE较轻，智能调控系统自动将高压氧舱、亚低温治疗的设置参数更改为脑损伤较轻时的参数设置方案2；若识别结果为3，则对应识别结果为脑功能状态正常，智能调控系统自动将高压氧舱、亚低温治疗的设置参数更改为脑功能状态正常时的参数设置方案3。其中参数设置方案1、2、3均由多位新生儿HIE领域专家早期针对不同程度的HIE制定。

4 结论

本文提出了基于亚低温床垫与高压氧舱结合的新生儿智能调控系统。本系统将高压氧舱与亚低温床垫结合，实现了单独高压氧治疗、单独亚低温治疗、高压氧与亚低温结合治疗三种治疗模式的灵活切换。同时，在对新生儿进行高压氧治疗或亚低温治疗时，可以对患儿脑功能相关的多项生理参数进行监测，在新生儿无法自我表述治疗过程中的变化与感受的情况下，通过新生儿治疗过程中进行脑功能监测，基于监测数据可以客观地检测治疗是否有效。最后，利用卷积神经网络，基于多种生理信息的自动特征提取与特征融合，通过分类识别，有效明确新生儿的脑功能状态，实现高压氧舱、亚低温床垫参数的智能调控。本系统有利于帮助新生儿高效改善全身供氧，可以避免在治疗过程中新生儿出现严重不适且未被及时发现的情况发生，并且能及时对危险情况报警，增强治疗过程中的安全性，具有重要的价值。