Intra-patient and inter-patient adaptive control of hypnotic states during total intravenous anesthesia
Total intravenöz anestezi sırasında hipnotik durumların hasta içi ve hastalar arası uyarlamalı kontrolü
- Tez No: 871891
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Anestezi ve Reanimasyon, Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Anesthesiology and Reanimation, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Total intravenöz anestezi, cerrahi veya tıbbi işlemler sırasında kontrollü bilinçsizlik veya analjezi durumunu indüklemek için ilaçların uygulanmasını ifade eder. Bu ilaçlar sinir sistemini hedef alarak ağrı giderme, amnezi ve kas gevşemesi gibi çeşitli etkiler üretir. Genel anestezi, hastayı tamamen bilinçsiz ve çevresinden habersiz hale getirir. Genel anestezi, tüm süreç intravenöz anestezi ile başlatılıp bitirilirse, total intravenöz anestezi (TIVA) olarak adlandırılır. Cerrahi sırasında modern genel anestezinin üç ana durumu tanımlanabilir: hipnoz, analjezi ve arefleksi. Hipnoz, bilinç kaybını içerir ve prosedür sırasında farkındalığı ve hafıza oluşumunu önler, burada ana ajan Propofol'dür. Bilinçsizlik derinliği, Elektroensefalografi (EEG) sinyallerinin bispektral analiziyle elde edilen Bispektral indeks (BIS) ile ölçülür. Analjezi, ağrı hissetmeme durumudur ve ağrı yollarını keserek hastanın ağrı hissetmesini önler. TIVA, dört aşamadan oluşur: premedikasyon, indüksiyon, idame ve uyanma. Premedikasyon, hastanın prosedüre hazırlandığı aşamadır ve uyanma, hastanın anesteziden kurtulduğu aşamadır; bu aşamalarda ilaç enjeksiyonu aktif değildir. İndüksiyon aşamasında, hastayı bilinçten cerrahi için yeterli bilinçsizlik seviyesine geçirmek için yoğun hipnotik ve analjezik ilaçlar kullanılır. Bunu takiben, idame aşamasında, hem bilinçsizlik hem de ağrı baskılanması ile karakterize edilen yeterli cerrahi anestezi durumunu sürdürmek için sürekli ilaç uygulaması yapılır. Son olarak, ilaç uygulamasının durdurulmasıyla hastanın yavaş yavaş bilincine döndüğü uyanma aşaması gerçekleşir. İdeal bir anestezik ilaç anesteziyi hızla indükleyip sonlandırmalı, hızlı bir şekilde uyanma ve temel fonksiyonlara dönüş sağlamalıdır. Propofol, vücuttan hızla metabolize edilip atıldığı için hipnozun ana ajanı olarak kabul edilir. Anestezi sırasında gerekli bilinçsizlik seviyesine ulaşmak ve bunu korumak için hipnoz durumunu izlemek ve takip edebilmek. İdeal bir anestezi monitörü hipnoz derinliğini doğru bir şekilde takip etmelidir. Bu durumları izlemek için ana yöntem, anesteziklerin merkezi sinir sistemi üzerindeki farmakodinamik etkilerini ölçmek amacıyla elektroensefalogram (EEG) sinyallerinin istatistiksel analiziyle elde edilen sayısal bir değer olan bispektral indekstir (BIS). Total intravenöz Anestezi bir kontrol sistemi olarak ele alındığında sistemin girişi Propofol oranı, sistemin çıkışı ise bispectral indeks olamaktadır. Bispektral indeks kontrol edilebildiğinde hastanın hipnotik durumu da kontrol edilmiş olur. Ameliyat esnasında bıçak kesiği gbii uyaranlar sistemi çıkış bozucusu olarak etkilerken, kan kaybı sistemi parametre belirsizliği ve zamana bağlı parametre değişimi olarak etkiler. Total intravenöz anestezi sistemi, zamanla değişen özelliklere, hasta içi ve hastalar arası farklılıklara, öngörülemezliğe ve model belirsizliğine sahip olmasıyle, kontrol sistemleri arasında en karmaşık olanlardan biri olarak kabul edilebilir. Anestezi süreçlerini kontrol etmek ve otomatikleştirmek için hastalardaki ilaç dağılımının dinamiklerini temsil eden matematiksel modeller ve diferansiyel denklemler elde edilmelidir. İlacın vücudun farklı dokularına yayılması, komşu dokular arasında farklı yayılma hızları kullanılarak kompartımanlar kullanılarak modellenebilir. Bu nedenle, kompartıman modellemesi, insan dolaşım sistemindeki ilaç dağılım dinamiklerini modellemek için doğrusal farmakokinetik modeller üreten faydalı bir yöntemdir. Anestezi için kompartıman modelleri, çoğunlukla farmakokinetik ve farmakodinamik bloklardan oluşur. farmakokinetik, ilaç konsantrasyonlarını intravasküler kan ve yağ-kas alt biyolojik sistemlerinde tanımlarken, farmakodinamik, kan sistemindeki ilaç konsantrasyonunun hasta üzerindeki etkilerini tanımlar. farmakokinetik ve farmakodinamik modelleri, doğrusal bir model ve statik bir doğrusal olmayan filterinin birleşimi olarak birbirine eklenerek anestezik modeli tamamlar. Anestezik modelin doğrusal kısmının çıktısı, etki-bölgesi ilaç konsantrasyonudur. Farmakodinamik modelin doğrusal olmayan kısmı, etki-bölgesi konsantrasyonlarını giriş olarak alan ve Hill eğrisi kullanarak BIS çıktısı üreten bir filtre olarak modele entegre edilebilir. Ameliyatlar sırasında vücut sıvısında, çoğunlukla kan kaybından kaynaklanan bir değişiklikten bahsetmek mümkündür. Bu nedenle, cerrahi sırasında kanama nedeniyle kan hacmi zamanla değiştiği için anestezik model zamanla değişen bir sistem olarak kabul edilebilir. Cerrahi sırasında kan kaybına ek olarak uyandırıcı uyaranlar şeklinde bozucular meydana gelir ve bu uyaraların anestezi sürecinin idame aşamasında meydana geldiği kabul edilir. Bu tür bozucuların ve kan kaybının etkisinin kapalı çevrim anestezi sürecinde kontrolör tarafından giderilmesi beklenir. Anestezide hastanın hipnotik durumunun kontrol edilmesi, hastaya bağlı değişkenler, belirsiz zaman gecikmeleri, ilaca bağlı dinamikler ve stabilite gibi birçok zorluk ile karşı karşıyadır. PID kontrol, MPC ve çeşitli uyarlamalı kontrol yöntemleri gibi geliştirilen çeşitli kontrol sistemlerine rağmen, hasta içi ve hastalar arası geçerlilik sağlama yetersizliği, anestezi sistemlerinin otomatik kontrol özellikleriyle daha geniş hasta gruplarına uygulanmasının önündeki en büyük engellerden biridir. Bu nedenle, hasta parametre bağımlılığı en az olan yeni uyarlamalı kontrol yapıları gerekmektedir. Bu tez kapsamında total intravenöz anestezi sisteminin modellenmesi ve kontrolü için temel olarak 2 hedeften bahsedilebilir. Bunlardan ilki, total intravenöz anestezi matematiksel hasta modellerine çıkış gecikmelerinin eklenmesiyle gerçek cerrahi hasta verileri üzerinden, gerçek sonuçlara olan korelasyonu arttırabilen bir model iyileştirmesi metodu ortaya koymaktır. İkincisi ise kapalı çevrim total intravenöz anestezi sistemlerinin hastalar arası uyarlamalı kontrolü için bir model referans adaptif kontrol yapısı önerilmesi ve önerilen yapının anestezi kontrolünde geleneksel PID kontrolörlerden daha dayanıklı sonuçlar elde edebildiğinin kanıtlanmasıdır. Hastaların doğrusal modellerini tanımlamak ve doğrusal olmayan Hill eğrisinin doğrusal bir yaklaşımını en küçük kareler hata yöntemiyle bulmak mümkündür. Bir ARX model yapısı, doğrusal model ile regressor ve parametre vektörlerini elde etmek amacıyla veritabanındaki verilerden propofol oranı girişi ve etki tarafı konsantrasyonu arasındaki doğrusal modeli tanımlamak için oluşturulmuştur. Doğrusal olmayan Hill eğrisi, CE ve BIS cerrahi hasta verileri kullanılarak birinci dereceden kaydırılmış doğrusal bir fonksiyon olarak yaklaşılabilir. Korelasyon analizi, sonuçlar arasındaki ilişkiyi analiz etmek için yararlı bir yöntemdir. Bu nedenle, sonuçların korelasyonunu ve tanımlanan modellerin geçerliliğini göstermek amacıyla, VitalDB'den alınan gerçek çıkış verileri ile tanımlanan model çıktıları arasındaki korelasyon analizi yapılmıştır. Korelasyon analizi sonuçları göstermiştir ki CE çıkışı için yapılan en küçük kareler yöntemi sonucunda elde edilen modeller, gerçek cerrahi veriler ile güçlü veya çok güçlü korelasyon katsayıları üretmiştir. Ancak BIS çıkışı için yapılan en küçük kareler yöntemi sonucunda elde edilen modellerin tamame gerçek veriler ile istenen korelasyona sahip olamamıştır. Bu duruma BIS monitörü üzerinden alınan ölçüm gürültüleri ve monitör gecikmelerinin sebep olmuş olabileceği düşünülmüştür. Buna göre, BIS çıkışlı doğrusallaştırılmış hasta modeline monitör gecikmesi eklenmesi sayesinde, model çıkışları ile gerçek veriler arasında daha yüksek korelasyon elde edilebileceği hipotezi üretilmiştir. Gecikmeli hasta modellerinin gecikme süresinin belirlenmesi için önerilen metodoloji, parametrik transfer fonksiyonu olarak elde edilen hasta modeli parametrelerinin en küçük kareler yöntemi ile gerçek cerrahi veriler içeren VitalDB veritabanından kestirilmesini içerir. Gerçek cerrahi verilerle en yüksek korelasyonu üreten gecikme değeri, her hastanın bireysel gecikme değeri olarak kabul edilir. Gecikmeli modellerin geçerliliği, gecikmeli ve gecikmesiz model çıktıları ile gerçek cerrahi çıktı verileri arasındaki korelasyonları karşılaştırarak kanıtlanır. Korelasyon analizi sonuçları, farmakokinetik-farmakodinamik hasta modellerinde çıkış gecikmelerini içeren bispektral indeks çıkışlı hasta modellerinin, VitalDB'den alınan gerçek hasta verileriyle daha güçlü korelasyonlar gösterdiğini göstermektedir. Özellikle bispektral indeks değerinin ölçülebilen tek çıkış değeri olduğu düşünüldüğünde bu sonucun önemi artmaktadır. Model referans adaptif kontrol sistemi yapısı, hasta içi ve hastalar arası kontrol geçerliliği sağlamak amacıyla kapalı çevrim total intravenöz anesteziye entegre edilmiştir. Total intravenöz anestezi için model referans adaptif kontrol yapısı, gözlemci tabanlı bir durum geri besleme kontrolörüne dayanmaktadır. Lyapunov'un kararlılık teorisi kullanılarak oluşturulan uyarlama yasaları, hastalar arası geçerliliği sağlamak için durum geribesleme kontrolörünün kazançlarını ayarlamaktadır. Model referens adaptif kontrolör, Total intravenöz anesteziye uygulanmış ve uyaran bozucuları ile sürekli kan kaybı durumlarında, 24 hastalık bir veri tabanı ve VitalDB tarafından tanımlanan hastalar üzerinde test edilmiştir. Bunun yanında tez kapsamında önerilen model referans adaptif kontrol sistemi, total intravenöz anestezi kontrolünü iyileştirerek yaygın PID-TIVA kontrolörüne kıyasla daha dayanıklı ve istenilen sonuçlar üretmiştir. Total intravenöz anestezi için model referans adaptif kontrol sistemi, total intravenöz anestezi sırasında hastanın hipnotik durumunu geliştirmek ve yönetmek için kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
Total intravenous anesthesia refers to administering medications to induce a state of controlled unconsciousness or analgesia during surgical or medical procedures. These medications target the nervous system, producing various effects such as pain relief, amnesia, and muscle relaxation. General anesthesia renders the patient completely unconscious and unaware of their surroundings. The input to the total intravenous anesthesia system is the rate of Propofol, and the output is the bispectral index when considered as a control system. The patient's hypnotic state can be controlled by taking the BIS as feedback. During surgery, stimuli such as scalpel cuts affect the system as output disturbances, while blood loss affects the system as parameter uncertainty and time-variant parameters. The total intravenous anesthesia system can be considered one of the most complex control systems due to its time-varying characteristics, intra-patient and inter-patient variability, unpredictability, and model uncertainty. Controlling the patient's hypnotic state in anesthesia faces many challenges, including patient-dependent variables, uncertain time delays, drug-dependent dynamics, and stability issues. Despite the development of various control systems such as PID control, MPC, and various adaptive control methods, the inability to ensure intra-patient and inter-patient validity remains one of the biggest obstacles to applying anesthesia systems with automatic control features to broader patient groups. Therefore, new adaptive control structures with minimal patient parameter dependency are needed. In this thesis, two primary objectives can be mentioned for the modeling and control of the total intravenous anesthesia system. The first is to propose a model improvement method that enhances the correlation with real surgical results by adding output delays to the mathematical patient models of total intravenous anesthesia based on real surgical patient data. The second is to propose a model reference adaptive control structure for the inter-patient adaptive control of closed-loop total intravenous anesthesia systems and to prove that the proposed structure can achieve more robust results in anesthesia control compared to traditional PID controllers. The proposed methodology for determining the delay time of delayed patient models involves estimating patient model parameters obtained as parametric transfer functions using the least squares method from the VitalDB database containing real surgical data. The delay value that produces the highest correlation with real surgical data is accepted as the individual delay value of each patient. The validity of delayed models is proven by comparing the correlations between the outputs of delayed and non-delayed models and real surgical output data. The model reference adaptive control system structure has been integrated into closed-loop total intravenous anesthesia to ensure intra-patient and inter-patient control validity. The model reference adaptive control structure for total intravenous anesthesia is based on an observer-based state feedback controller. The adaptation laws created using Lyapunov's stability theory adjust the state feedback controller gains to ensure inter-patient validity. The model reference adaptive controller has been applied to total intravenous anesthesia and tested on a database of 24 patients and patients identified by VitalDB under conditions of stimulus disturbances and blood loss. Correlation analysis results show that patient models with output delays in pharmacokinetic-pharmacodynamic analysis, with the bispectral index as the output, exhibit stronger correlations with real patient data from VitalDB. The importance of this result increases, especially considering that the bispectral index is the only measurable output value. In addition, the model reference adaptive control system proposed in this thesis has improved the control of total intravenous anesthesia, producing more robust and desirable results compared to the common PID controllers. The model reference adaptive control system for total intravenous anesthesia suggested in this thesis can be used to develop and manage the patient's hypnotic state during total intravenous anesthesia.
Benzer Tezler
- Sparse representation based ECG heartbeat classification using convolutional neural networks
Tıbbı sinyal sınıflandırması için seyrek temsil tabanlı çevrimsel sinir ağlarının kullanılması
KASIM SHOBAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGaziantep ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEMA KAYHAN
- Temporomandibular eklem rahatsızlıklarında kullanılan kraniomandibular indeksin tarafımızdan modifiye edilmiş şeklinin validitesinin, intra-examiner güvenilirliğinin araştırılması
Researching in validity, intra and inter-examiner reliability of craniomandibular index, used to diagnose temporomandibular disorders, which is modified by us
ÖZLEM KARABACAK MALKONDU
Doktora
Türkçe
1999
Diş Hekimliğiİstanbul ÜniversitesiProtetik Diş Tedavisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KESKİN
- Tibial tüberkül torsiyonunun ölçümünde yeni bir parametre: Tibial tüberkül-posterior cruciate ligaman açısı
A new parameter in measurement of tibial tubercle torsion: Tibial tubercle-posterior cruciate ligament angle
ENGİN DEMİRAYAK
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2020
Ortopedi ve TravmatolojiSağlık Bilimleri ÜniversitesiOrtopedi ve Travmatoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZKAN KÖSE
- Hiperprolaktinemi tedavisinin kalp üzerindeki etkileri
Effects of hyperprolactinemia treatment on the heart
SUAT ŞEN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2020
Endokrinoloji ve Metabolizma HastalıklarıSağlık Bilimleri Üniversitesiİç Hastalıkları Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FETTAH ACIBUCU
- Beynin yapısal özelliklerinin elektrofizyolojisi ile ortak değerlendirilmesi
Combined evaluation of structural and electrophysiological features in brain
NURİ KARABAY