用于新生儿复苏的便携式干电极心电图设备：实现10秒内快速精准心率监测

《Scientific Reports》：A portable dry-electrode ECG device for rapid and accurate neonatal heart rate monitoring during resuscitation

本研究针对新生儿复苏过程中心率（HR）监测不准确或耗时过长的问题，开发了一种基于单导联干电极心电图（ECG）的婴儿心率检测器（iHRD）。该设备可在接触新生儿10秒内快速显示心率，临床验证显示其准确率达94.5%，为新生儿复苏提供了更快速可靠的监测方案。

　　

每年全球约有10%的新生儿在出生时需要复苏协助，而心率（HR）是指导复苏步骤的最关键指标。目前临床使用的心率检测方式存在明显短板：听诊器操作依赖医师经验且易出错，脉搏血氧仪（PO）易受皮肤色素沉着和运动伪影影响，而标准的3导联心电图（ECG）虽然准确却需要64秒才能显示第一个准确心率结果，远超过"黄金一分钟"的时间要求。这种监测空白促使研究人员寻求一种既能快速又能准确监测新生儿心率的解决方案。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，多伦多城市大学的Abdelrahman Abdou等研究人员开发了一种创新的婴儿心率检测器（iHRD），该设备采用单导联干电极ECG技术，能够在接触新生儿后10秒内快速显示准确心率。研究人员在社区医院对50名健康新生儿进行了伦理委员会批准的验证研究，比较iHRD与临床心率监测设备的性能，最终证明了该设备的可行性和可靠性。

研究团队采用了几个关键技术方法：开发了专利pending的3D打印干电极，使用导电PLA材料制造；设计了单导联ECG采集电路，采用AD8232模拟前端（AFE）芯片，配备3-48 Hz带通滤波器；开发了专门的心率检测算法，处理2秒长度的ECG信号；在加拿大士嘉堡健康网络收集了50名健康新生儿（来自NICU和产后病房）的临床数据，形成SAR-NE数据集，包含4147个心率数据对。

结果

所有HR数据对与无运动HR数据对

研究使用SAR-NE数据集中的4147个HR数据对评估iHRD的可靠性。所有HR数据对显示iHRD心率与临床心率呈弱正相关。然而，当排除运动伪影影响后，2741个（66.1%）无运动HR数据对显示出更强的相关性。无运动分析显示平均绝对误差（MAE）为8.5 BPM，准确率达到93.5%，而包含运动伪影的数据MAE为13.1 BPM。

Bland-Altman图显示无运动HR分析的HR差异范围更窄，表明在婴儿无运动时iHRD心率与临床心率更为接近。

iHRD HR与临床HR监测器的比较

iHRD心率与ECG基础HR监测器比较显示强相关性，MAE约为±10 BPM。与PO基础HR监测器比较显示更好的相关性，MAE为±8.23 BPM。但由于数据集不平衡（ECG数据对N=375，PO数据对N=2366），难以明确判断iHRD更接近哪种临床监测器。

基于性别的HR比较分析

男性和女性婴儿亚组在临床和iHRD心率方面显示相似的中位数和四分位距（IQR），表明iHRD在不同性别婴儿中具有一致的准确性。MAE无统计学显著差异（女性8.2 BPM vs 男性8.7 BPM）。

早产与足月婴儿比较

早产儿（胎龄<37周）与足月儿（胎龄≥37周）的HR分析显示，iHRD在不同胎龄婴儿中能类似地跟随临床HR趋势。但早产儿的MAE（10.1 BPM）和SD（12.3 BPM）值较高，表明早产儿HR分析存在较大变异性。

iHRD时间指标

iHRD在±10 BPM范围内检测HR的平均时间为3.9秒（从接触到显示），但在±5 BPM范围内需要14.2秒。总体而言，iHRD能在10秒内提供准确的HR信息。

讨论与结论

研究表明，iHRD能够快速准确地为新生儿复苏工作提供心率信息。该便携式手持设备使用3D打印干电极采集单导联ECG，通过嵌入式微控制器进行信号处理，在2秒ECG信号长度上估计心率。临床验证显示，在无运动伪影情况下，iHRD心率与临床心率监测器具有良好相关性。

设备存在系统性偏差约3.7 BPM，可能源于模拟前端（AFE）电路中的固有电气噪声。iHRD在不同性别婴儿中表现一致，但在早产儿中准确性略有下降。设备目前达到技术就绪水平（TRL）7，已在适当临床环境中验证其可行性。

研究的主要局限性在于仅对健康新生儿进行测试，未在真实复苏场景中验证。未来工作需要开发实时运动伪影检测功能，重新设计设备外形避免干扰胸外按压，并进行更大规模的临床研究以满足监管要求。

该技术的重要意义在于填补了当前新生儿复苏中快速准确心率监测的技术空白，为临床医生提供了优于听诊器和脉搏血氧仪的选择，同时克服了传统3导联ECG耗时过长的缺点，有望在未来的新生儿复苏实践中发挥重要作用。