کنترل عمق بيهوشي با استفاده از روش MPC

به نام خدا پايان‌نامه کارشناسي ارشد مهندسي پزشکي- بيوالکتريک کنترل عمق بيهوشي با استفاده از روش MPC ارائه:عطيه بامداديان استاد راهنما: جناب آقاي دکتر توحيدخواه استاد مشاور:جناب آقاي دکتر محمد حسن مرادي خرداد 1387

فهرست • مقدمه‏ای بر بیهوشی • روند انجام بيهوشي • بررسی مشکلات موجود • سیستم‏ هوشمند عمق بیهوشی • مروري بر روشهاي کنترل • مروري بر روش‏ MPC • پروتکل انجام آزمايشات • نتايج شبيه سازي • نتيجه گيري • پيشنهادات

مقدمه امروزه موفقيت عمل‏هاي جراحي، مرهون عمليات بيهوشي است. اولين بيهوشي در سال 1842 توسط دکتر لانگ انجام شده است. • بيهوشي : نبود پاسخ و يا عكس‌العمل به تحريكات عصبي • عدم هشياري • عدم احساس درد • شل شدن عضلات

بررسي مسائل دارويي متخصصان از ترکيب سه دسته دارو استفاده مي‏کنند: • هوشبر • مخدر • مسدود كننده عصبي-عضلاني سهولت اندازه‏گيري غلظت در خون عوارض جانبي • استنشاقي • وريدي حذف درک و هوشیاری القاي سريع بيهوشي حذف درد بدون تأثیر در حذف درد و هوشیاری

روند انجام بيهوشي • بررسي سلامت عمومي و مطالعه سوابق بيماري شخص • استفاده از يک داروي آرام بخش پيش از انتقال بيمار به اتاق عمل • نصب سيستم‏هاي پايش علائم حياتي بيمار بعد از انتقال به اتاق عمل و پيش از انجام بيهوشي • تزريق ناگهاني هوشبر وريدي براي القاي سريع بيهوشي • لوله‏گذاري در ناي • شروع تزريق پيوسته در فاز نگهداري بيهوشي • پايش علائم حياتي بيمار و در صورت لزومتجويز داروهاي ديگري

خطرات و مشکلات موجود مهمترین دلیل • مرگ و مير ناشي از بيهوشي • هوشياري حين عمل جراحي خطاهای انسانی برای اجتناب از دوز نامناسب هنگام عمل جراحی ناشی از دوز کم داروی هوشبر سيستم کنترل هوشمند عمق بيهوشی کنترل عمق بيهوشی تعيين عمق بيهوشی

تعيين عمق بيهوشی متخصصان براي تعيين عمق بيهوشي بیمار از سه دسته پارامتر استفاده مي‏كنند: • علائم كلينيكي • پارامترهای قلبی-تنفسی • سیگنال EEG

تعيين عمق بيهوشی تعاریف مختلفی از عمق بیهوشی وجود دارد • روش‏های مختلف پردازش سیگنال EEG جهت استخراج معیاری مناسب برای تعیین عمق بیهوشی وجود دارد: • آنالیز طیف توان • مدلسازي EEG • آناليز ويولت • آناليز پارامترهاي آشوب • پتانسيل‏های Evoke • آناليز Bispectral (BIS) تعیین عمق بيهوشی تعيين ميزان شل شدن عضلات تعيين ميزان درك و هوشياري تعيين ميزان درد • استفاده از سیگنال EEG • نرخ ضربان قلب • استفاده از سیگنالEMG • استفاده از سیگنالEEG

آناليز BIS • شاخص بین 100 تا صفر مقیاس بندی شده است. • با کاهش سطح هوشیاری این شاخص افت پیدا می‏کند. • در بیهوشی عمومی مقدار مابین 60 تا 40 قابل قبولاست. • دستگاه BIS دارای تأييدیه FDA می‏باشد.

خطرات و مشکلات موجود برای اجتناب از دوز نامناسب هنگام عمل جراحی سيستم کنترل هوشمند عمق بيهوشی کنترل عمق بيهوشی تعيين عمق بيهوشی

کنترل عمق بيهوشي • حفظ بيمار در سطح مطلوبي از بيهوشي است، بدون آن‏که بيمار هوشيار باشد و یا دردي را احساس کند. • روش‏هاي مختلفي براي کنترل عمق بيهوشي وجود دارد که تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است: • PID • کنترل کننده هاي تطبیقی • کنترل کننده هاي فازي • کنترل کننده هاي پيش بين

مروری بر روش‏های استفاده شده • PID : • سال 2002 : ناپايداري در 1 مورد از 10 مورد، اثر : BIS • سال 2004 : استفاده از تخمين مرتبه 2، مشکل در مواجهه با تأخير، اثر : MAP • تطبیقی : • سال 2005 : در مدل ساده سازي هايي انجام شده است (بخش اثر در نظر گرفته نشده)، پارامترهاي فردي لحاظ نشده است. اثر : BIS • فازي : • سال 1997 : استفاده از AER، اثر : SAP، AER • سال 2004 : استفاده از AEP، استفاده از دو دارو، اثر : HR و SAP • کنترل مقاوم : • سال 2006: داروی رمی فنتانیل و پروپوفول، پارامترهای فردی لحاظ نمودند، اثر WAVCNS • GPC : • سال 1994 : داروي آتراکوريوم، پارامترهاي فردي لحاظ نشده، اثر MAP و paralysis • سال 1998 : مدل PK-PD ولي پارامترهاي فردي را لحاظ نکرده اند، اثر : MAP • سال 2003 : از مدل فيزيولوژيکي استفاده کردند، اثر : MAP

مشكلات موجود در سيستم‏هاي هوشمند • لحاظ نکردن پارامترهاي فردي بيمار • استفاده از مدل خطي • لحاظ نکردن تأخير • لحاظ نکردن محدوديت‌ها

اهداف پايان نامه • استفاده از مدل کامل‏تری از بیمار. • لحاظ نمودن تأخیر. • لحاظ نمودن محدودیت‏ها در محاسبه سیگنال کنترل. • كاهش مقدار داروي تزريقي به بيمار و در نتيجه كمك به ريكاوري سريعتر. • افزايش سرعت پاسخ سيستم كنترل. • افزايش ميزان مقاوم بودن سيستم كنترل نسبت به تغيير شرايط بيمار.

اهداف پايان نامه استفاده از مدل فارماکوکینتیک-فارماکودینامیک استفاده از خانواده کنترل کننده‏های MPC • بخش مدلسازي: • استفاده از اطلاعات فردي در مدلسازي • لحاظ نمودن تأخیر • بخش کنترل کننده: • لحاظ نمودن محدوديت‏ها • استفاده از مدل غیرخطی

مدل فارماکوکينتيک-فارماکوديناميک Ce(t) PK model I(t) PD model BIS

مدل فارماکوکينتيک Drug C2 C1 C3 • روابط I k21 k31 Central compartment V1 Peripheral compartment V2 Peripheral compartment V3 k13 k12 Blood Brain Liver Fat Bones Muscles Viscera k10

مدل فارماکوکينتيک (فرم استاندارد) روابط براي مدل سه بخشي ارائه شده به صورت زير است:

مدل فارماکوديناميک • در واقع فارماکوديناميک ارتباط غلظت-اثر دارو را بيان مي‌کند Peripheral compartment Central compartment Peripheral compartment k1e Pharmacodynamic ke0 BIS Effect site

مدل فارماکوديناميک • افزايش غلظت پلاسما بعد از تزريق مشاهده اثر با تأخير بخش اثر • يک تأخير به صورت هم بايد در معادله بالا در نظر گرفته شود که مدت زمان آن است که دارو از محل تزريق وارد چرخه شود.

مدل فارماکوديناميک اثر مشاهده شدهدر بیمار بیشترین اثر مشاهده شده در بیمار • معادله هیل برای توصیف مدل فارماکودینامیک استفاده می‏شود: • در این‏جا اثر مشاهده شده در بیمار BIS است: • در صورت لزوم بايد از خطي سازي حول نقطه کار استفاده شود: ضریب هموارسازی غلظتی که در آن 50% اثر در بیمار مشاهده می‏شود غلظت دارودر بخش اثر

اهداف پايان نامه استفاده از مدل فارماکوکینتیک-فارماکودینامیک استفاده از خانواده کنترل کننده‏های MPC • بخش مدلسازي: • استفاده از اطلاعات فردي در مدلسازي • لحاظ نمودن تأخیر • بخش کنترل کننده: • لحاظ نمودن محدوديت‏ها • استفاده از مدل غیرخطی

کنترل پيش بين مبتنی بر مدل تعميم يافته (GPC) سه جزء اساسي این الگوريتم: • مدل • تابع هزينه • سيگنال کنترل (در حالت بدون محدودیت) پاسخ آزاد سیستم ماتریس پاسخپله سیستم

محدوديت هاي موجود در کنترل عمق بيهوشي • بيشترين اثر هر دارو مشخص است • سيگنال کنترل (دوز داروي تزريقي) منفي نمي‏تواند باشد. در حالت تزریق پیوسته در حالت تزریق ناگهانی افزايش دوز نمي تواند عمق بيهوشي را افزايش دهد. اثر 50% بیشترین اثر دوز

الگوريتمExtended DMC • براي سيستم‏هاي غير خطي مورد استفاده قرار مي‏گيرد. • ترم جديدي که در بر دارنده ترم غير خطي است به خروجي پيش بيني افزوده می‏شود. • در هر بازه نمونه‏برداری پاسخ پله محاسبه مي‏شود: • از مدل خطي استفاده مي کند و آن را در هر لحظه به هنگام مي‏کند تا تأثير غير خطي کاهش يابد.

الگوريتمExtended DMC • در الگوریتم DMC از تفاضل خروجی پروسه و مدل در محاسبه سیگنال کنترل استفاده می‏شود. • در الگوریتم EDMC از تفاضل مدل خطی و غیر خطی نیز در محاسبه سیگنال کنترل استفاده می‏شود.

اصلاح روش GPC • در الگوریتم معمول GPC از مدل خطی استفاده می‏شود. • جهت کاهش اثر خطی سازی: • ضرایب ماتریس پاسخ پله از مدل خطی استخراج می‏شود. (مشابه با روش معمول) • مدل و پروسه به صورت غیرخطی درنظر گرفته می‏شوند. • خروجی لحظات گذشته • تفاضل مدل و پروسه اثر غیر خطی

روش پيشنهادی کنترل • بیماران از لحاظ سنی، به 4 گروه تقسیم‏بندی شدند. • با اطلاعات میانگین هر گروه یک مدل نامی بدست می‏آمد. • کنترل کننده برای مدل نامی طراحی می‏شود. • اطلاعات فردی بیمار • اطلاعات ثبت شده از بیماران پارامترهای بخش فارماکوکینتیک پارامترهای فارماکودینامیک

نتايج شبيه سازي 1 2 3 4

نتايج شبيه سازي فراجهش زمان نشست نرخ داروی مصرفی MDAPE

بررسی ميزان مقاوم بودن • برای بررسی میزان مقاوم بودن سه آزمایش انجام شده است: • بررسی مقاوم بودن نسبت به خطای تخمین تأخیر • بررسی میزان مقاوم بودن نسبت به خطای تخمین حساسیت • بررسی میزان مقاوم بودن نسبت به اغتشاش

بررسی ميزان مقاوم بودن نسبت به خطای تخمين تأخير خطای تخمين تأخیر (ثانیه)

ميزان مقاوم بودن کنترل کننده نسبت به تغيير حساسيت بيمار حد مجاز افزایش حساسيت (%) حد مجاز کاهش حساسیت (%)

نتايج ميزان مقاوم بودن کنترل کننده برای مجموعه داده‏های مورد آزمايش • کنترل کننده‏های پیش بین عملکرد مناسبی در مواجهه با تغییر پارامترهای بیمار داشته‏اند. درصد بیماران

بررسی مقاوم بودن کنترل کننده نسبت به اغتشاش • تحریکات در طول عمل جراحی را می‏توان با اغتشاش پله‏ای مدل نمود. • فرض شده که اغتشاش غیر قابل پیش‏بینی باشد. • افزایش دامنه اغتشاش وارده سبب می‏شود BIS از محدوده مجاز خارج شود. • افزایش طول زمان تحریک سبب می‏شود، مدت زمان بیشتری طول بکشد تا BIS به محدوده مجاز خود باز گردد.

بررسی مقاوم بودن کنترل کننده نسبت به اغتشاش GPC EDMC PID

بررسی مقاوم بودن کنترل کننده نسبت به اغتشاش EDMC GPC PID

بررسي اثر تزريق ناگهاني در ابتداي فاز بيهوشي • مدل بیمار در فاز القاء و نگهداری متفاوت است. • محدودیت‏ها در این دو فاز متفاوت هستند. • برای لحاظ کردن فاز القاء می‏توان به دو صورت عمل نمود: • در فاز القاء با استفاده از تجربه فرد متخصص میزان دوز دارو و زمان آن تعیین شود. • از ابتدای فاز القاء به صورت حلقه بسته عمل شود.

بررسي اثر تزريق ناگهاني در ابتداي فاز بيهوشي نتایج برای بیمار نامی گروه 1 برای هر دو حالت ذکر شده نشان داده شده است.

روش GIPC • از حالت‏های فعلی و گذشته استفاده می‏کند • معادلات فضای حالت را به صورت تفاضلی درآورده است. • نسبت به روش GPC از میزان مقاوم بودن بالاتری برخوردار است. اطلاعات بيشتري در فيدبک سيستم حلقه بسته وارد مي‏کند در محاسبه سیگنال کنترل از اختلاف وزندار حالت ها استفاده می‏شود

روش GIPC • نتایج در حالت نامی مشابه با کنترل کننده GPC بوده است. • در بررسی میزان مقاوم بودن نسبت به تغییر حساسیت بیمار، مشاهده شد که عملکرد کنترل کننده GIPC نسبت به سایر کنترل کننده‏ها مناسبتر بوده است.

مقايسه با نتايج کلينيکی مقایسه نتایج حاصل از این تحقیق و نتایج بدست آمده توسط ساواگوچی و همکارانش در فاز نگهداری بیهوشی. اخیراً در سال 2008، تیمی تحقیقاتی در ژاپن (ساواگوچی و همکارانش) به صورت مستقل و به موازات این پایان نامه، از کنترل کننده MPC جهت کنترل عمق بیهوشی استفاده نمودند، که در مجله مهندسی پزشکی IEEE به چاپ رسیده است. • از BIS به عنوان شاخصی برای سنجش عمق استفاده نمودند. • تأخیر دستگاه BIS را در نیز نظر گرفتند. • کنترل کننده طراحی شده را به صورت کلینیکی مورد استفاده قرار دادند. زمان نشست زمان نشست

مقايسه با نتايج کلينيکی مقایسه نتایج حاصل از این تحقیق و نتایج بدست آمده توسط ساواگوچی و همکارانش در فاز القای بیهوشی. زمان نشست زمان نشست

نتيجه‌گيري • محدودیت‏های موجود بر نرخ تزریق دارو در محاسبه سیگنال کنترل باید لحاظ شوند. • کنترل کننده‏های پیش بین نسبت به PID مقاوم‏تر بودند. • کنترل کننده GPC و EDMC نتایج مشابهی داشتند. • کنترل کننده GPC طراحی شده قادر به عملکرد مناسب از ابتدای فاز بیهوشی بوده است. • در مقایسه با کار گروه ژاپنی، می‏توان انتظار داشت در استفاده کلینیکی کنترل کننده طراحی شده به خوبی عمل نماید.

پيشنهادات • تکميل مدل و جامعه آماري بيماران • تخمين برخط پارامترهاي مدل • بهبود الگوريتم غيرخطي کنترل پيش بين • تخمين جامع‏تر عمق بيهوشي • به کارگيري الگوريتم پيشنهادي در صورت استفاده از ترکيب داروها • تخمين حالت‏ها در شرايط کلينيکي

با تشکر از توجه شما

بررسی اعتبار مدل

کنترل عمق بيهوشي با استفاده از روش MPC