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
بدون تأثیر در حذف درد و هوشیاری 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 لزوم تجويز داروهاي ديگري
سيستم کنترل هوشمند عمق بيهوشی 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 تعیین عمق بيهوشی 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) تعاریف مختلفی از عمق بیهوشی وجود دارد 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 قبول است. دستگاه BIS دارای تأييدیه FDA میباشد.
سيستم کنترل هوشمند عمق بيهوشی 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 بخش مدلسازي: بخش کنترل کننده: استفاده از اطلاعات فردي در مدلسازي لحاظ نمودن تأخیر بخش کنترل کننده: لحاظ نمودن محدوديت‌ها استفاده از مدل غیرخطی استفاده از مدل فارماکوکینتیک-فارماکودینامیک استفاده از خانواده کنترل کنندههای MPC
مدل فارماکوکينتيک-فارماکوديناميک Ce(t) I(t) PK model PD model BIS
Peripheral compartment Peripheral compartment مدل فارماکوکينتيک Drug C2 C1 C3 روابط I k21 k31 Peripheral compartment V2 Central compartment V1 Peripheral compartment V3 k12 k13 Muscles Viscera Blood Brain Liver Fat Bones k10
مدل فارماکوکينتيک (فرم استاندارد) روابط براي مدل سه بخشي ارائه شده به صورت زير است:
Peripheral compartment Peripheral compartment 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 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 شده در 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 دارو در بخش اثر
اهداف پايان نامه بخش مدلسازي: بخش کنترل کننده: استفاده از اطلاعات فردي در مدلسازي لحاظ نمودن تأخیر بخش کنترل کننده: لحاظ نمودن محدوديت‌ها استفاده از مدل غیرخطی استفاده از مدل فارماکوکینتیک-فارماکودینامیک استفاده از خانواده کنترل کنندههای MPC
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 پاسخ پله 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
الگوريتم Extended 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.
الگوريتم Extended 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
پارامترهای بخش فارماکوکینتیک 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 زمان نشست فراجهش 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 اطلاعات بيشتري در فيدبک سيستم حلقه بسته وارد مي‌کند 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. در محاسبه سیگنال کنترل از اختلاف وزندار حالت ها استفاده میشود
روش GIPC نتایج در حالت نامی مشابه با کنترل کننده GPC بوده است.
مقايسه با نتايج کلينيکی 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. مقایسه نتایج حاصل از این تحقیق و نتایج بدست آمده توسط ساواگوچی و همکارانش در فاز نگهداری بیهوشی. 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