Geri Dön

Kardiyopulmoner bypass cerrahisi sonrası nörokognitif durumların matematiksel yöntemlerle analizi

Analysis of neurocognitive status after cardiopulmonary bypass surgery using mathematical methods

PDF İndir

  1. Tez No: 988331
  2. Yazar: FARUK SANBERK KIZILTAŞ
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZHAN ÖZKAN, PROF. DR. ALİ FUAT ERDEM
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu çalışmada, koroner arter bypass greft (KABG) operasyonları sırasında kaydedilen hemodinamik verilerin postoperatif nörokognitif bozukluk üzerindeki etkileri kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Kardiyopulmoner bypass (KPB), açık kalp cerrahisinde, kalbin ve akciğerlerin işlevlerini geçici olarak üstlenen kalp – akciğer makinesi kullanılan bir tekniktir. Bu operasyonlar sırasında optimal hemodinamik koşulların sağlanması, cerrahi başarı ve hasta sağlığı açısından kritik bir öneme sahiptir. Ancak bu tür büyük cerrahi müdahaleler sonrasında görülebilen nörokognitif bozukluklar, hastaların yaşam kalitesini önemli ölçüde etkileyebilmekte ve uzun süreli takip gerektirebilmektedir. Çalışmanın temel amacı, KABG operasyonları sırasında kaydedilen detaylı hemodinamik verilerin postoperatif nörokognitif bozukluklar üzerindeki etkilerini analiz etmektir. Bu kapsamda, 28 hastadan elde edilen toplam 730,870 adet hemodinamik veri hem istatistiksel yöntemlerle hem de yapay sinir ağları ve makine öğrenmesi algoritmaları ile değerlendirilmiştir. Ameliyat sırasında kaydedilen hemodinamik veriler, anestezi cihazından alınmıştır. Çalışmada, ortalama arter basıncı (MAP), periferik oksijen satürasyonu (SpO₂), invaziv kan basıncı değerleri (sistolik ve diyastolik) ve kalp atım hızı (PLS) gibi hemodinamik parametrelerin yalnızca bireysel etkileri değil, matematiksel yöntemlerle türetilen kombinasyonlarının da nörokognitif bozuklukların öngörüsüne katkısı incelenmiştir. Ek olarak hastaların demografik bilgileri (yaş, vücut yüzey alanı (BSA)), pompa akışı, bypass süresi ve kros klemp süresi gibi parametreler değerlendirmeye dahil edilmiştir. Nörokognitif değerlendirme, Montreal Bilişsel Değerlendirme Testi (MoCA) kullanılarak yapılmıştır. Test, ameliyat öncesinde anesteziyoloji ve reanimasyon uzmanları tarafından, ameliyat sonrasında ise (postoperatif 1. ayda) kalp ve damar cerrahisi uzmanları tarafından uygulanmıştır. MoCA puanındaki 2 veya daha fazla düşüş, nörokognitif bozukluk olarak kabul edilmiş ve hastaların %36'sında (n=10) postoperatif nörokognitif bozukluk gözlenmiştir. Veri analizi aşamasında, lojistik regresyon, çok katmanlı algılayıcı (MLP) ve Rassal Orman gibi istatistiksel, yapay sinir ağları ve makine öğrenmesi algoritmaları kullanılarak nörokognitif bozuklukları tahmin etmeye yönelik modeller geliştirilmiştir. Literatürdeki benzer çalışmalardan farklı olarak yalnızca istatistiksel analizler değil, aynı zamanda yapay sinir ağları ve gelişmiş makine öğrenmesi algoritmaları ile hemodinamik verilerin farklı kombinasyonlarının etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Özellikle eşik değerlerine (75, 65, 55 mmHg) göre hesaplanan mutlak maksimum düşüş (AMD), eşik değeri altında geçirilen süre (Time_Under) ve eşik değeri altında kalan alan (Area) parametreleri değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, KPB sırasında izlenen hemodinamik verilerin nörokognitif sonuçlar üzerindeki kritik rolünü ortaya koymaktadır. Rassal orman algoritması kullanılarak elde edilen modellerde %90'a varan doğruluk oranları elde edilmiş, özellikle PLS, SpO₂, sistolik ve diyastolik basınç değerlerinin kombinasyonu ile nörokognitif bozuklukları yüksek başarı ile tahmin eden modeller geliştirilmiştir. Çalışmanın en önemli bulgularından biri, şiddetli bradikardinin (<60 bpm) yüksek nörokognitif riskle ilişkili olmasıdır. Bu bulgu, kardiyak output'un serebral perfüzyon için kritik önemini vurgulamaktadır. Sonuç olarak, bu araştırma KPB sırasında elde edilen hemodinamik verilerin nörokognitif bozukluklar üzerindeki etkilerini kapsamlı bir şekilde analiz eden özgün bir çalışmadır. Bulgular, cerrahi başarıyı artırmak ve postoperatif komplikasyonları azaltmak için hemodinamik parametrelerin optimal aralıklarda tutulmasının önemini vurgulamakta ve nörokognitif bozuklukların erken öngörüsü ve önlenmesine yönelik yeni yaklaşımlar için önemli temeller sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Cardiac surgery, particularly coronary artery bypass grafting (CABG), represents one of the most critical interventions in modern cardiovascular medicine. Cardiopulmonary bypass (CPB) is an essential technique in open-heart surgery, where a heart-lung machine temporarily assumes the functions of the heart and lungs, allowing surgeons to operate on a still heart in a bloodless field. While CPB has revolutionized cardiac surgery and enabled complex procedures that save countless lives, it is not without complications. One of the most significant concerns following cardiac surgery is the development of postoperative neurocognitive dysfunction (POCD), which can substantially impact patients' quality of life and recovery. Postoperative neurocognitive dysfunction encompasses alterations in cognitive functions including memory, attention, executive functions, language skills, and visuospatial abilities. Despite advances in surgical techniques, anesthesia protocols, and medical device technologies, POCD remains prevalent following cardiac surgery, with reported incidence rates ranging from 24% to 79% in various studies. The etiology of POCD after CABG surgery is multifactorial and not fully understood, though intraoperative hypotension and multiple emboli are considered two primary mechanisms leading to brain injury. The relationship between hemodynamic parameters during CPB and subsequent neurocognitive outcomes has been the subject of considerable research, yet significant questions remain unanswered. Optimal mean arterial pressure (MAP) during CPB to ensure adequate tissue perfusion remains controversial, with some researchers advocating for lower targets (50-60 mmHg) while others recommend higher values (70-80 mmHg). Multiple factors can influence MAP during surgery, including flow rate, blood viscosity (affected by temperature and hematocrit), depth of anesthesia, anesthetic agents used, and perioperative inflammation. Understanding these complex interactions and their impact on cognitive outcomes represents a critical challenge in cardiac surgery. The primary aim of this study is to comprehensively analyze the effects of detailed hemodynamic data recorded during CABG surgeries on postoperative neurocognitive dysfunction. Unlike previous studies that primarily employed basic statistical analyses, this research leverages advanced machine learning algorithms and artificial neural networks to examine the complex relationships between hemodynamic parameters and cognitive outcomes. The study specifically investigates not only the individual effects of hemodynamic parameters such as mean arterial pressure, peripheral oxygen saturation (SpO₂), invasive blood pressure values (systolic and diastolic), and heart rate but also explores the predictive value of their mathematically derived combinations for neurocognitive dysfunction. Specific objectives include: (1) developing predictive models for postoperative neurocognitive dysfunction using detailed intraoperative hemodynamic data; (2) identifying optimal ranges for hemodynamic parameters that minimize neurocognitive risk; (3) evaluating the relative importance of different hemodynamic parameters and their combinations in predicting cognitive outcomes; (4) comparing the performance of traditional statistical methods with advanced machine learning algorithms; and (5) providing evidence-based recommendations for intraoperative hemodynamic management to reduce postoperative cognitive complications. This prospective observational study included 28 patients undergoing elective CABG surgery. A total of 730,870 hemodynamic data points were collected during surgery, obtained from the anesthesia machine at regular intervals. The hemodynamic parameters monitored included mean arterial pressure (MAP), peripheral oxygen saturation (SpO₂), invasive blood pressure values (systolic and diastolic), and heart rate (PLS). Additionally, patient demographic information (age, body surface area), pump flow rate, bypass duration, and cross-clamp time were recorded and included in the analysis. Neurocognitive function was evaluated using the Montreal Cognitive Assessment (MoCA) test, a validated and widely used screening tool for detecting cognitive impairment. The test was administered preoperatively by anesthesiology and reanimation specialists, and postoperatively (at one month) by cardiovascular surgery specialists. A decrease of 2 or more points in the MoCA score was defined as neurocognitive dysfunction, following established criteria in the literature. In this cohort, postoperative neurocognitive dysfunction was observed in 36% of patients (n=10). Beyond analyzing raw hemodynamic parameters, several mathematically derived features were calculated based on established threshold values. These included: (1) Absolute Maximum Drop (AMD) - the maximum deviation below threshold values of 75, 65, and 55 mmHg; (2) Time Under Threshold - the duration spent below each threshold value; and (3) Area Under Threshold - the integral of the area below each threshold value over time. These derived parameters were calculated for different surgical phases: entire operation duration, bypass period, and cross-clamp period. Multiple analytical approaches were employed to develop predictive models for neurocognitive dysfunction. Logistic regression was used as a baseline statistical method, providing interpretable coefficients and odds ratios for individual parameters. Multilayer Perceptron (MLP) neural networks were implemented to capture non-linear relationships between hemodynamic parameters and cognitive outcomes. The MLP architecture utilized ReLU activation functions in hidden layers, sigmoid activation in the output layer, Xavier weight initialization, and cross-entropy loss function optimized through backpropagation. Random Forest algorithm emerged as the most effective approach for this classification problem. Random Forest, an ensemble learning method, creates multiple decision trees during training and outputs the mode of their predictions. The algorithm's ability to handle complex interactions between variables, provide feature importance rankings, and generate partial dependence plots (PDPs) made it particularly valuable for identifying optimal hemodynamic parameter ranges. Cross-validation was employed to prevent overfitting and ensure model generalizability. Python programming language was used for implementing machine learning algorithms, while IBM SPSS Statistics Version 26 was utilized for statistical analyses. The Random Forest algorithm demonstrated superior performance compared to other methods, achieving accuracy rates up to 90% in predicting postoperative neurocognitive dysfunction. Specifically, models utilizing combinations of heart rate (PLS), peripheral oxygen saturation (SpO₂), systolic blood pressure (IBPS), and diastolic blood pressure (IBPD) yielded the most successful predictions. The ROC-AUC values ranged from 0.83 to 0.90 across different surgical phases and parameter combinations, indicating excellent discriminative ability. Cross-validation results confirmed the robustness of these models, with consistent performance across different patient subsets.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    678116

    Okul çağı çocuklarda kardiyopulmoner bypass'ın nörokognitif işlevler üzerine etkisinin değerlendirilmesi

    Evaluation of the effect of cardiopulmonary bypass on neurognitive functions in school-age children

    DİLEK SUZAN

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Göğüs Kalp ve Damar Cerrahisiİstanbul Üniversitesi

    Kalp ve Damar Cerrahisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL SEMİH BARLAS

  2. Tez No

    654043

    Pulsatil ve nonpulsatil kardiyopulmoner bypass ile koroner bypass cerrahisi uygulanan hastalarda nörokognitif değişikliklerin elektroensefelografi ve minimental test kullanılarak değerlendirilmesi

    Başlık çevirisi yok

    HASAN ERDEM

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    Göğüs Kalp ve Damar CerrahisiSağlık Bakanlığı

    Kalp ve Damar Cerrahisi Ana Bilim Dalı

    UZMAN ORHAN VELİ DOĞAN

  3. Tez No

    394079

    Kardiyopulmoner bypass ile açık kalp cerrahisi uygulanan hastalarda orta ve hafif hipoterminin serum nöron spesifik enolaz (NSE) ve s 100 b düzeyleri ile near-ınfrared spectroscopy (NIRS) üzerine etkilerinin karşılaştırılması

    The comparison of the effects of mild and moderate hypothermia on serum neuron-spesific enolase (NSE), S-100 β and near-infrared spectroscopy (NIRS) in patients undergoing open heart surgery with cardiopulmonary bypass.

    FEYZA TÜLEK

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Anestezi ve ReanimasyonSelçuk Üniversitesi

    Anesteziyoloji ve Reanimasyon Ana Bilim Dalı

    DOÇ. BAHAR ÖÇ

  4. Tez No

    272397

    Açık kalp cerrahisi uygulanan pediatrik olgularda Kardiyopulmoner Bypass'ın kognitif fonksiyonlara etkileri

    Effect of cardiopulmonary bypass to cognitive functions on pediatric cardiovascular surgery patients

    BAHATTİN ÇİFTÇİ

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Göğüs Kalp ve Damar CerrahisiÇukurova Üniversitesi

    Kalp ve Damar Cerrahisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ORHAN KEMAL SALİH

  5. Tez No

    681668

    Asendan aort cerrahisi esnasındaki serebral oksijen değişikliklerinin postoperatif kognitif disfonksiyon üzerine olan etkilerinin araştırılması

    During surgery ascending aortainvestigation of the effects of cerebral oxygen changes on postoperative cognitive dysfunction

    PINAR YILDIRIM ÖZKAN

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Anestezi ve ReanimasyonSağlık Bakanlığı

    Anesteziyoloji ve Reanimasyon Ana Bilim Dalı

    UZMAN ATAKAN ERKILIÇ

Geri Dön