算法改进了早产儿呼吸暂停的监测
早产儿的生命得到了很好的监控，但很危险。
早产儿面临的危险之一是中枢性呼吸暂停发作。婴儿停止呼吸的时间可以持续90秒或更长时间。约翰·德洛斯说，中枢性呼吸暂停发作在早产儿中相当常见，但其中许多发作都没有被注意到，因为当婴儿出现呼吸暂停发作时，并不总是会触发呼吸监测仪的警报。
Delos是William & 玛丽的物理学教授。他的研究兴趣集中在氢原子物理学和混沌输运等主题上，但他也运用他的定量技能来分析从新生儿重症监护病房（NICUs）的监视器收集的数据。
Delos一直在与一个包括弗吉尼亚大学和弗吉尼亚大学健康系统的研究人员在内的团队一起研究如何使用算法来改善新生儿重症监护病房的监测。该项目由国家卫生研究所的国家儿童健康和人类发展研究所提供资金支持。
合作者先前已经证明，监测新生儿的心率可以为败血症（细菌感染）提供早期预警。最近，他们在《生理测量》（Physiological Measurement）杂志上发表的论文《一种检测新生儿中枢呼吸暂停的新算法》（A new algorithm for detection central apnea in neonatal）被该杂志授予2013年马丁·布莱克奖（Martin Black Prize） 2012年最佳论文奖。德洛斯刚刚从英国布莱顿回来，9月3日，他在那里接受了国际医学物理学会议上的马丁·布莱克奖。
该团队开发的新算法，包括前威廉玛丽博士后Hoshik Lee，本质上是一个软件过滤器，它将允许监测系统通过分离呼吸和心跳信号来更准确地检测中枢呼吸暂停发作。
Delos指出，中枢性呼吸暂停与更常见的阻塞性睡眠呼吸暂停有很大不同，尽管它们都会导致呼吸停止。
“老年人会患上阻塞性呼吸暂停症，”他解释说。“喉咙变得柔软，当你吸气时它会关闭，你会在半夜醒来喘着气。中枢性呼吸暂停意味着呼吸控制系统停止发送节奏。如果控制系统不成熟，这些事情就会发生。”
中枢性呼吸暂停发生在婴儿身上，是因为位于脑干的节奏产生系统在早产儿中发育不全。相比之下，心脏有一个内置的起搏器来设定脉搏率。威廉玛丽大学应用科学系的克里斯托弗·德尔·内格罗（Christopher Del Negro）研究呼吸节奏的产生是如何工作的。
Delos解释说，新生儿重症监护病房的监护仪由一组三根胸腔导线供电，具有双重功能。心电图跟踪心率，监测器通过测量胸部的电阻来获得呼吸频率。”空气是电流的不良导体，当婴儿吸气和呼气时，电阻会上升和下降。”
问题是，监测器可以很好地跟踪心率，但在呼吸方面就不那么可靠了，尤其是缺乏呼吸。研究人员发现，在许多中枢性呼吸暂停发作期间，血液通过心脏泵送，使监测器误以为婴儿仍在呼吸。Delos指着一个早产儿的心电图记录。
“这是一个婴儿的例子，没有明显的原因，突然停止呼吸，”Delos说。不幸的是，目前这一代的显示器还没有意识到这一点。心跳也会引起电阻的波动，而监测器会将其与呼吸混淆。它说，没问题，这个婴儿现在每分钟呼吸175次。但是婴儿不能呼吸那么快。”
新生儿重症监护病房监测技术是在20世纪70年代发展起来的，用于实时显示一系列生命体征。“看着监视器的临床医生可以看到大约一分钟的价值，或者最多五分钟的价值。信息被显示出来，但随后就被扔掉了，”Delos解释道。“这是当时最先进的老技术的一个例子。今天我们可以做得更好。”
首先，记录和分析所有这些信息变得实用起来。摩尔定律——预言计算机内存容量翻倍——赶上了新生儿重症监护病房监视器的时代。迪洛斯拿出一个u盘：“这个小东西？16个字节!几百美元就能买到1tb的数据。”Delos说，这篇论文的合著者、弗吉尼亚大学卫生系统的兰德尔·摩尔曼（Randall Moorman）是最早意识到收集新生儿重症监护病房数据的潜力的人之一。
“兰德尔很有远见，他意识到这些信号中肯定有比人们看到的更多的信息，主要是因为信号只是经过，”德洛斯说。他解释说，心电图以每秒240次左右的速度收集数据。
“在没有那么多秒的情况下，每秒存储240个数字是一项艰巨的任务。现在我们终于可以收集所有这些信息，保存起来，然后回去重新分析。”“我们每秒有240个数字，三对不同的导线，这是大约40名婴儿在大约5年的时间里的数据。”
Delos和他的团队获得了一个庞大的数据库：在William & 玛丽的克隆计算中心，它有5tb的临床数据。当他们查看数据时，他们知道他们的挑战是找到一种更好的方法来区分呼吸和心率——这是一个棘手的问题，因为脉搏和呼吸率可以得出相似的数字。
“心率是不断变化的。它时而快时而慢。代表心跳的是一个很宽的频带，要把它滤掉是很困难的。”“最重要的是，如果婴儿停止呼吸，心脏就会减慢。节奏可以直接进入呼吸带。”
为了从心率中分析呼吸，研究人员借用了伽利略的一个想法。
“有一天，他坐在教堂里，一盏灯笼在微风中摇曳，”德洛斯说。“他本来应该把注意力集中在弥撒上，但他却开始关注摇摆的灯笼。”
伽利略注意到，灯笼会根据风的强弱摆动出或大或小的弧度，但节奏是一样的。德洛斯说，伽利略用自己的心跳作为时钟，为灯笼的摆动计时。
“这也是我们的想法：把心脏当作时钟，”他说。监测员已经提供了所有必要的数据；Delos和他的团队使用心电图产生的节律作为他们的新算法的基础，该算法允许分离心脏和呼吸频率，并可靠地检测中枢呼吸暂停事件。
Delos说他和Lee代表整个团队接受了这个奖项。
他说：“这个项目的部分乐趣在于与拥有不同技能的各种各样的人一起工作，大家齐心协力实现我们的目标。”
除了摩尔曼，德洛斯还指出，该团队的统计学家道格·莱克（Doug Lake）经常是第一个发现电子信号与患者健康之间存在关联的人。博士后克雷格·鲁辛（Craig Rusin）和马特·克拉克（Matt Clark）建立了收集新生儿重症监护室信号和临床数据库的系统。
德洛斯说：“我们的研究护士特里·斯穆特（Terri Smoot）将临床信息转换成电子形式，本科生劳伦·奎恩（Lauren Guin）帮忙处理一切。”新生儿学家Brooke Vergales， Alix Paget-Brown和John Kattwinkel向我们解释了我们所看到的，以及它的重要性。
Delos说，自从这篇论文发表以来，他和他的合作者已经使用他们的算法，并深入研究了他们的大型数据库，以获得有关护理记录准确性、输血对呼吸暂停的影响以及呼吸暂停如何随患者年龄变化的更好信息。
他说：“更重要的是，我们已经开发了研究心肺耦合的新方法，我们发现了意想不到的极端呼吸暂停病例——持续时间超过60秒。”“此外，我们正在开始一项关于周期性呼吸暂停的研究，长期以来人们一直认为这种呼吸暂停是良性的，但在极端情况下，它似乎可以提供病理状况的早期预警。”
